使用部署圖和UML特徵來建模嵌入式系統

什麼是嵌入式系統？

嵌入式系統是一種專門設計用於在更大系統或產品中執行特定功能或任務的計算機系統。與可執行多種應用程式的通用型電腦不同，嵌入式系統是針對特定功能而設計，通常在指定的應用領域中針對效能、省電效率和可靠性進行優化。

嵌入式系統的主要特徵包括：

1. 專用功能：嵌入式系統是專門設計用於執行一個或幾個特定任務，例如控制微波爐、管理汽車引擎、處理醫療設備的數據，或調節恆溫器的溫度。
2. 整合：這些系統被整合到更大的產品或系統中，作為一個組件或子系統運作。它們通常在「幕後」運作，對最終用戶而言並不可見。
3. 硬體與軟體：嵌入式系統結合了硬體與軟體組件。硬體包括微控制器、微處理器、感測器、執行器及其他專用組件。軟體通常稱為固件，負責執行嵌入式系統的功能。
4. 即時運作：許多嵌入式系統以即時方式運作，表示它們必須在特定時間內回應輸入或事件，以確保系統功能正常。即時嵌入式系統廣泛應用於汽車控制、工業自動化和機器人等領域。
5. 資源限制：嵌入式系統通常具有有限的運算資源，包括處理能力、記憶體和儲存空間。這些限制促使需要高效能的程式設計與優化。
6. 可靠性：嵌入式系統設計具有高可靠性與穩定性，因為它們應用於關鍵領域，一旦失敗可能造成嚴重後果，例如醫療設備或航太系統。
7. 長壽命週期：嵌入式系統通常預期具有長壽命週期，可能需要在多年內無重大變更或更新的情況下持續運作。

嵌入式系統的例子可見於多個領域，包括消費性電子產品（智慧手機、數位相機）、汽車（引擎控制單元、資訊娛樂系統）、工業自動化（可程式邏輯控制器）、醫療保健（醫療設備、病人監測系統）以及其他許多領域。

簡而言之，嵌入式系統是一種專門設計用於在更大環境中執行特定功能的計算系統，強調可靠性、即時運作與資源優化。

何時使用部署圖：

1. 整合需求: 確定新引入的系統需要與哪些現有系統互動或整合。部署圖有助於視覺化這些互動。
2. 系統穩健性: 評估穩健性需求，包括是否需要硬體冗餘以確保系統在故障時仍可使用。
3. 系統利益相關者: 識別將連接或與系統互動的各方與實體，並定義互動方式。
4. 中介軟體與通訊協定: 指定系統用於通訊與資料傳輸的中介軟體、作業系統及通訊協定。
5. 使用者互動: 明確指出使用者將直接互動的硬體與軟體元件，例如個人電腦、網路電腦或網頁瀏覽器。
6. 系統監控: 確定系統部署後將如何被監控，以確保其健康狀態與效能。
7. 安全措施: 定義系統所需的安全部分，包括防火牆、物理安全硬體或其他安全機制的需求。

部署圖的目的：

1. 結構性呈現: 部署圖提供系統執行時期結構的視覺化呈現，展示所使用的硬體元件及其相互連接方式。
2. 硬體與通訊模擬: 它們模擬實體硬體元件以及它們之間存在的通訊路徑，有助於理解系統架構。
3. 規劃工具: 部署圖有助於規劃系統架構，協助利益相關者做出有關硬體與軟體配置的明智決策。
4. 文件記錄: 它們對於記錄系統內軟體元件或節點的部署非常有價值，有助於系統文件編製與溝通。

如何使用UML部署圖模擬嵌入式系統

建立嵌入式系統會帶來超出純粹軟體開發範疇的挑戰。它涉及對物理領域的複雜管理，其中包含易受磨損和損壞的活動部件、不穩定的信號行為以及非線性特性。在為此類系統建立模型時，必須考慮其與實體世界的互動，並需思考非傳統設備與節點。

部署圖是促進專案中硬體工程師與軟體開發人員之間有效溝通的無價工具。透過使用具有典型外觀、類似熟悉設備的節點，您可以建立讓雙方都能理解的圖示。這些部署圖在討論硬體與軟體之間的互動方面也扮演關鍵角色。它們作為一種工具，用於視覺化、闡述、構建與記錄支撐您系統的各種工程決策。

要有效建模嵌入式系統，請遵循以下步驟：

1. 識別您系統特有的獨特設備與節點。
2. 利用UML的可擴展性功能，為系統建立特定的樣式並搭配對應圖示，特別是針對不常見的設備。至少應區分處理器（承載軟體組件）與設備（在此抽象層級上，缺乏直接的軟體整合）。
3. 建立部署圖以明確呈現這些處理器與設備之間的關係。同樣地，明確指出系統實作觀點中的組件與系統部署觀點中的節點之間的連接。
4. 如有需要，可透過建立更詳細的部署圖來進一步說明任何智慧型設備。

例如，考慮下圖所示的硬體配置，展示了一個基本的自主機器人。在此圖示中，您會看到一個被標示為處理器的單一節點，即Pentium主機板。此節點周圍有八個設備，每個都標示為「設備」，並以圖示呈現，提供與其實際對應物相符的獨特視覺表達。