Mô hình hóa hệ thống nhúng bằng sơ đồ triển khai và các kiểu dáng UML

Hệ thống nhúng là gì?

Một hệ thống nhúng là một hệ thống máy tính chuyên dụng được thiết kế để thực hiện các chức năng hoặc nhiệm vụ cụ thể bên trong một hệ thống hoặc sản phẩm lớn hơn. Khác với các máy tính đa mục đích, vốn linh hoạt và có thể chạy nhiều loại ứng dụng khác nhau, các hệ thống nhúng được điều chỉnh cho các chức năng cụ thể và thường được tối ưu hóa về hiệu suất, hiệu quả năng lượng và độ tin cậy trong lĩnh vực ứng dụng được xác định.

Các đặc điểm chính của hệ thống nhúng bao gồm:

1. Chức năng chuyên dụng: Các hệ thống nhúng được thiết kế chuyên dụng để thực hiện một hoặc một vài nhiệm vụ cụ thể, chẳng hạn như điều khiển lò vi sóng, quản lý động cơ xe hơi, xử lý dữ liệu từ thiết bị y tế hoặc điều chỉnh nhiệt độ trong bộ điều nhiệt.
2. Tích hợp: Các hệ thống này được tích hợp vào một sản phẩm hoặc hệ thống lớn hơn, nơi chúng hoạt động như một thành phần hoặc hệ thống con. Chúng thường hoạt động “ở phía sau màn hình” và không hiển thị trực tiếp với người dùng cuối.
3. Phần cứng và phần mềm: Các hệ thống nhúng kết hợp cả các thành phần phần cứng và phần mềm. Phần cứng bao gồm vi điều khiển, vi xử lý, cảm biến, bộ chấp hành và các thành phần chuyên dụng khác. Phần mềm, thường được gọi là phần mềm cài sẵn, chịu trách nhiệm thực hiện các chức năng của hệ thống nhúng.
4. Hoạt động thời gian thực: Nhiều hệ thống nhúng hoạt động ở chế độ thời gian thực, tức là chúng phải phản hồi đầu vào hoặc sự kiện trong một khung thời gian cụ thể để đảm bảo chức năng hệ thống đúng đắn. Các hệ thống nhúng thời gian thực được sử dụng trong các ứng dụng như điều khiển ô tô, tự động hóa công nghiệp và robot.
5. Hạn chế tài nguyên: Các hệ thống nhúng thường có tài nguyên tính toán hạn chế, bao gồm sức mạnh xử lý, bộ nhớ và dung lượng lưu trữ. Những hạn chế này thúc đẩy nhu cầu về lập trình hiệu quả và tối ưu hóa.
6. Độ tin cậy: Các hệ thống nhúng được thiết kế để có độ tin cậy và độ ổn định cao, vì chúng được sử dụng trong các ứng dụng quan trọng mà sự thất bại có thể dẫn đến hậu quả nghiêm trọng, chẳng hạn như trong thiết bị y tế hoặc hệ thống hàng không vũ trụ.
7. Thời gian vòng đời dài: Các hệ thống nhúng thường được mong đợi có vòng đời dài, và chúng có thể cần hoạt động trong nhiều năm mà không cần thay đổi hay cập nhật đáng kể.

Các ví dụ về hệ thống nhúng có thể được tìm thấy trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm thiết bị điện tử tiêu dùng (điện thoại thông minh, máy ảnh kỹ thuật số), ô tô (đơn vị điều khiển động cơ, hệ thống giải trí), tự động hóa công nghiệp (PLC – bộ điều khiển logic có thể lập trình), y tế (thiết bị y tế, hệ thống giám sát bệnh nhân) và nhiều lĩnh vực khác.

Tóm lại, một hệ thống nhúng là một hệ thống tính toán chuyên dụng được thiết kế để thực hiện các chức năng cụ thể trong một bối cảnh lớn hơn, nhấn mạnh vào độ tin cậy, hoạt động thời gian thực và tối ưu hóa tài nguyên.

Khi nào nên sử dụng sơ đồ triển khai:

1. Yêu cầu tích hợp: Xác định các hệ thống hiện có mà hệ thống mới được giới thiệu cần tương tác hoặc tích hợp vào. Sơ đồ triển khai giúp hình dung rõ các tương tác này.
2. Độ bền của hệ thống: Đánh giá các yêu cầu về độ bền, bao gồm việc có cần thiết phải có sự dư thừa phần cứng để đảm bảo khả năng sẵn sàng của hệ thống trong trường hợp xảy ra sự cố hay không.
3. Các bên liên quan đến hệ thống: Xác định ai và các thực thể nào sẽ kết nối hoặc tương tác với hệ thống, và xác định các phương thức tương tác.
4. Phần mềm trung gian và giao thức: Xác định phần mềm trung gian, hệ điều hành và các giao thức truyền thông mà hệ thống sẽ sử dụng để truyền thông và chuyển dữ liệu.
5. Tương tác người dùng: Làm rõ các thành phần phần cứng và phần mềm mà người dùng sẽ trực tiếp tương tác với, chẳng hạn như máy tính cá nhân, máy tính mạng hoặc trình duyệt web.
6. Giám sát hệ thống: Xác định cách hệ thống sẽ được giám sát sau khi triển khai để đảm bảo sức khỏe và hiệu suất của nó.
7. Biện pháp bảo mật: Xác định mức độ bảo mật cần thiết cho hệ thống, bao gồm việc cần có tường lửa, phần cứng được bảo vệ về mặt vật lý hoặc các cơ chế bảo mật khác.

Mục đích của sơ đồ triển khai:

1. Biểu diễn cấu trúc: Sơ đồ triển khai cung cấp một biểu diễn trực quan về cấu trúc thời điểm chạy của một hệ thống, minh họa các thành phần phần cứng được sử dụng và các kết nối giữa chúng.
2. Mô hình hóa phần cứng và truyền thông: Chúng mô hình hóa các thành phần phần cứng vật lý và các đường truyền thông tồn tại giữa chúng, hỗ trợ việc hiểu kiến trúc hệ thống.
3. Công cụ lập kế hoạch: Sơ đồ triển khai hỗ trợ trong việc lập kế hoạch kiến trúc của một hệ thống, giúp các bên liên quan đưa ra quyết định có thông tin về việc phân bổ phần cứng và phần mềm.
4. Tài liệu: Chúng rất hữu ích để ghi chép việc triển khai các thành phần phần mềm hoặc nút trong một hệ thống, hỗ trợ tài liệu hóa hệ thống và giao tiếp.

Làm thế nào để mô hình hóa một hệ thống nhúng bằng sơ đồ triển khai UML

Việc tạo ra một hệ thống nhúng đặt ra những thách thức vượt xa việc phát triển phần mềm đơn thuần. Nó bao gồm việc quản lý tinh vi thế giới vật lý, đầy những bộ phận chuyển động dễ bị mài mòn, hành vi tín hiệu bất thường và các đặc tính phi tuyến. Khi xây dựng mô hình cho hệ thống như vậy, ta phải xem xét sự tương tác của nó với thế giới thực, đòi hỏi phải suy ngẫm về các thiết bị và nút không thông thường.

Các sơ đồ triển khai đóng vai trò là công cụ vô giá trong việc thúc đẩy giao tiếp hiệu quả giữa các kỹ sư phần cứng và nhà phát triển phần mềm tham gia vào dự án của bạn. Bằng cách sử dụng các nút mang hình ảnh điển hình giống với các thiết bị quen thuộc, bạn có thể tạo ra các sơ đồ mà cả hai nhóm đều dễ hiểu. Các sơ đồ triển khai này cũng đóng vai trò then chốt trong việc thảo luận về mối tương tác giữa phần cứng và phần mềm. Chúng là phương tiện để trực quan hóa, diễn đạt, xây dựng và ghi chép các quyết định kỹ thuật đa dạng làm nền tảng cho hệ thống của bạn.

Để mô hình hóa một hệ thống nhúng một cách hiệu quả, hãy thực hiện các bước sau:

1. Xác định các thiết bị và nút đặc thù riêng cho hệ thống của bạn.
2. Sử dụng các tính năng mở rộng của UML để tạo các kiểu đặc trưng riêng cho hệ thống kèm theo biểu tượng tương ứng, đặc biệt là đối với các thiết bị không phổ biến. Tối thiểu, cần phân biệt giữa bộ xử lý (chứa các thành phần phần mềm) và thiết bị (tại mức trừu tượng này, không có tích hợp phần mềm trực tiếp).
3. Xây dựng một sơ đồ triển khai để làm rõ mối quan hệ giữa các bộ xử lý và thiết bị này. Tương tự, hãy xác định mối liên kết giữa các thành phần trong quan điểm triển khai của hệ thống và các nút trong quan điểm triển khai của hệ thống.
4. Theo yêu cầu, hãy chi tiết hóa các thiết bị thông minh bằng cách phát triển một sơ đồ triển khai chi tiết hơn.

Ví dụ, hãy xem cấu hình phần cứng được minh họa trong hình bên dưới, mô tả một robot tự hành cơ bản. Trong minh họa này, bạn sẽ gặp một nút duy nhất, được định kiểu là bộ xử lý, được gọi là bo mạch chủ Pentium. Xung quanh nút này là tám thiết bị, mỗi thiết bị được gán nhãn là “thiết bị” và được biểu diễn bằng biểu tượng cung cấp hình ảnh trực quan riêng biệt, phản ánh đúng đối tượng thực tế tương ứng.