数字录音机设计方案： 一个使用统一建模语言（UML）设计嵌入式系统的实例 Ivan Porres Paltor，Johan Lilius 著，乐林峰 译 摘要 本文内容是采用统一建模语言（UML）对一个嵌入式系统进行面向对象分析和设计的 实例。 被分析的系统是一个数字录音机或称口授留声机。 设计实现采用一个嵌入式微处理器 和 C++编码。 关键字：面向对象的设计，UML，嵌入式系统 1 简介 统一建模语言Unified Modeling Language-UML[BJR1,BJR2]提供了一套标准的符号来 表示面向对象的软件分析和设计方法[CY90,MO92,SS95]。使用 UML 图表能够对很复杂的 系统建模，包括实时嵌入式系统。 然而，UML 并不是软件开发过程，也没有严格区分软件工程中各开发阶段。 UML 定义了一套由不同图表组成的标记符号，但是并没有描述怎样创建和应用这些图 表。[Dou98] 介绍了使用 UML 和面向对象的分析设计技术建造实时嵌入式系统。本文由 Douglass 撰写，描述了使用 UML 对一个数字录音机（或口授留声机）系统进行面向对象设 计和实现的过程。

目前市场上已经有一些数字录音机商业化产品。本文我们描述的模型参照了一家著名 厂商的类似产品的设计。 相关需求说明参见本文第二节。 第三节讨论系统的对象模型给出主 类图。第四节继续进行面向对象的分析数字录音机，但是主要讨论每个对象内部的行为。第五节进行系 统结构设计。包括数字录音机的硬件结构，以及并行处理模型数字录音机，在该模型内，为每个对象将 分配一个可执行的线程。 第六节将定义不同对象之间的合作关系。 并通过设计模式[GHJV95] 将分析阶段定义的类整合。详细设计在第七节进行讨论。最后，第八节讨论系统实现。我们 使用 C++进行软件的开发，硬件平台采用一个 32 位 RISC精简指令集计算机嵌入处理器。 2 需求分析 数字录音机是一个电子消费产品， 用来录制和回放语音。 通过内置的麦克录制语音信息， 然后将信息保存在数字内存中。 使用者可以很方便的在任何时候回放任意录制好的信息， 声 音将通过设备前端的扬声器播放。该产品将具有体积小、重量轻、使用方便等特点。图 2.1 是我们设计的数字录音机的外观示意图。 它是一个手持系统， 具有一块平面显示屏以及一些 按钮。 图 2.1 外观示意图 在设计中将要考虑到的系统特性如下： ? ? ? ? 最多存储 10 条信息，每条信息的长度将受系统剩余内存的限制。

简单易用的屏幕菜单。 直接存取任意语音信息。 具有时钟功能（不存在 2000 年问题） ，用户可以每天设置闹钟，闹钟铃声 60 秒钟后自动停止，用户也可以按任意键停止铃声。 ? 全功能液晶显示屏. 屏幕上总是显示当前日期和时间。同时显示提示信息如 操作指南，当前操作信息等。 ? ? 电池电量显示，如果电量不足，系统会发出哔哔声警告。 为了节省电池. 在不使用的情况下，系统将关闭外部设备的电源，用户可以 通过按任意键使系统回复正常。 ? 提供好的声音回放质量。使用 6Khz 的 8 位采样频率。 2.1 外部事件 嵌入式系统经常要跟外部环境交互。在目前的分析阶段，我们把系统视为一个可以响 应外部环境的请求和消息的黑盒子。 外部环境由一些参与者（Actor）组成。每个参与者与 我们的系统进行不同目的的交互并交换一组不同的信息。 系统范围图/Context-Level Diagram 图 2.2 显示了所有与我们的系统进行交互的参与者。图中我们定义了 3 个参与者：用 户User，电池Battery和时钟（time） 。 图中还显示了接口和用于实现系统和参与者交换信 息的传感装置和执行装置。

这里指的信息可以是参与者向系统提出的请求， 也可以是系统作 出的响应或提供给参与者的服务内容。传感装置 Sensors 包括麦克和按钮。执行装置 Actuators包括扬声器、电池电量显示表。 每当一个时间计时结束时，参与者‘时钟‘向系统发送一个内容类似于‘下一秒’或 者‘下一个小时’的消息。在实际实现中，我们将用一个硬件定时器来控制具体时间。 图 2.2 系统范围图 事件/Events 事件是环境与系统之间传递的的重要消息。一个实时响应系统必须在某个限定的时间 内对外部事件作出响应。下表中内容显示了针对我们的系统所有可能发生的外部事件。 事件的方向：’In’表示该事件由环境传递给系统,‘Out’表相反。 事件发生模式A: 周期事件 Periodic:表示该事件的发生是遵循某个固定的时间周期的。 在表格中用 P 表示。 随机事件： （Episodic） ：表示该事件随机发生。在表格中用 E 表示。 响应时间： 表示系统对该事件作出响应所需时间的上限， 如果在给出的时间内系统没有 完成响应，将会引起系统错误。 No 1 事件 某一秒计时结束 系统响应 a,更新内部时钟 b,检查闹钟设置 c,更新时钟显示 d,更新任务条 方向 In A P 响应时间 0.5 秒 2 3 一个采样周期结束 用户按下某个按钮 a,回放或记录下个采样 A,显示任务条。

B,开始录音或回放一条记录 In In P E 1/2 周期 0.5 秒 4 用户按‘停止’按钮 A,停止当前任务。 B,更新屏幕内容 In E 0.5 秒 5 6 7 电量不足告警 进入等待模式 A,警告用户并终止当前任务 A,关闭显示器 In In In E E E 1秒 1秒 1秒 当系统处于等待模式时， A,离开等待模式， 打开显示器以 用户按任意键唤醒系统 及其它外设。 2.2 用例/Use Cases 用例是从使用者的角度描述系统的功能。使用者可能是一个人或者某个设备。每个用 例表示一种使用系统的方法， 每个用例完成后产生不同的结果。 在我们的系统中共有 6 个用 例。如图