State Event Technik CT2, Donnerstag / TE402 M. Thaler, TG208, tham@zhaw.ch

Transkript

1 State Event Modellierung State Event Technik CT2, Donnerstag / TE402 M. Thaler, TG208, tham@zhaw.ch 1 ZHAW, CT2 FS14, M. Thaler

2 Systembus CT2 Anschluss von Input/Output Anschluss von Speichern Prozessorarchitekturen serieller Datentransfer Modulare Codierung/ Linking Interrupt State-Event Technik 2 ZHAW, CT2 FS14, M. Thaler

3 Um was geht es? Eingebettete Systeme Rechnersysteme - eingebunden in einen technischen Kontext (externen Prozess) - zugeschnitten auf einen Anwendungsbereich auch reaktive Systeme genannt 3 ZHAW, CT2 FS14, M. Thaler

4 Um was geht es? Beschreibung mit endlichen Automaten E k Z + n-1 D n Q clk Z n-1 Eingangslogik Ausgangslogik m A Z + 0 D n Q Z 0 clk clk Wie modelliert man Automaten in Software? 4 ZHAW, CT2 FS14, M. Thaler

5 Lernziele Sie können State Event Technik einem Kollegen erklären Sie kennen den Anwendungsbereich der State Event Technik und der UML-Modellierung Sie können den Begriff FSM (Finit State Machine) erklären Sie kennen die wichtigsten UML-Symbole für Modellierug von FSMs und können Sie ohne Unterlagen aufzeichnen Sie beherrschen die Regeln zum Erstellen eine korrekten State-Diagramm mit UML-Notation Sie können eine Problemstellung mit Hilfe einer FSM umsetzen 5 ZHAW, CT2 FS14, M. Thaler

6 Automaten (Repetition) Moore & Mealy E=1 Eingänge komb. Logik Zustandsregister (Flip Flops's) komb. Logik Ausgänge A 0 E=0 E=1 E=0 B 0 D 0 E=0 E=1 C 1 E=0 Eingänge komb. Logik Zustandsregister (Flip Flops's) komb. Logik Ausgänge A E=1 A=0 E=0 A=1 B E=1 A=0 E=0 A=0 C E=1 A=0 6 ZHAW, CT2 FS14, M. Thaler

7 Beispiel: Ampelsteuerung Fusgängerampel an Einbahnstrasse Autos grün S1Gedrückt Auto rot timeout Fussgänger grün timeout Fussgänger rot timeout 7 ZHAW, CT2 FS14, M. Thaler

8 Ampelsteuerung: Mealy Automat Ampel Eingang/Ausgang: S 1 timeout / A AR A AG A FR A FG T on X0 / X / X / AR T on Timer timeout reset AG X1 / T on t X1 / FG timeout X0 / T t FR X1 / X0 / ZHAW, CT2 FS14, M. Thaler

9 FSMs: Digitaltechnik vs. reaktive Software Digitaltechnik Modellierung von taktgesteuerten Systemen reagieren auf Signale am Eingang mit Taktflanke Input binäre Signalpegel Output binäre Signalpegel Notation: z.b. Moore Automat Reaktive Software Systeme Modellierung von ereignisgesteuerten Systemen reagieren auf asynchrone Ereignisse (Eingänge) Input Ereignisse Output Aktionen (Interaktion mit Umgebung) Notation: z.b. UML-Diagramm (Mealy-Typ) State Event Modellierung 9 ZHAW, CT2 FS14, M. Thaler

10 Beispiele: State-Event Technik Prozess-Steuerungen Waschmaschinen Ticket-Automaten Heizungen Kommunikations-Protokoll Auf- und Abbau von Kommunikationsverbindungen Mensch-Maschine Interaktionen Erkennen und Überprüfen von Benutzereingaben Parsing zerlegen eines "Textes" in logische Bestandteile 10 ZHAW, CT2 FS14, M. Thaler

11 UML: Unified Modeling Language Graphische Modellierungssprache Beschreibung von Softwaresystemen in 90-er Jahren entwickelt 1997 von Object Managemant Group (OMG) übernommen und weiterentwickelt seit 2000 von ISO als Industriestandard anerkannt Beinhaltet objektorientierte Konzepte Zustandsdiagramme - beschreiben reaktives Verhalten von Klassen (Objekten) - Notation von Harel 1) (State Charts) übernommen 1) Prof. David Harel 11 ZHAW, CT2 FS14, M. Thaler

12 Klasse / Objekt Klasse definiert eine "Menge von Objekten" Objekte sind Instanzen einer Klasse Klasse Person Name, Vorname Strasse Name Planet Name Objekte (Instanzen) - Obama, Barak - Baumgartner, Felix - Technikumstrasse - Zeughausstrasse - Erde - Merkur - Mars ZHAW, CT2 FS14, M. Thaler

13 Klassen / Objekte in UML Klassen definieren Struktur und Verhalten von Objekten beschreiben Verhalten von reaktiven Systemen mit FSMs Objekte speichern Daten resp. Zustände, implementieren Klasse Klasse Lichtschalter LichtZustand definiert reaktives Verhalten FSM ein() aus() definiert Struktur und Verhalten Objekte S1:Lichtschalter S2:Lichtschalter 13 ZHAW, CT2 FS14, M. Thaler

14 FSMs: UML-Modellierung Inputs asynchrone Ereignisse nur Ereignisse mit "Folgen" werden aufgeführt - Zustandswechsel (auch "self loop") - Aktionen Outputs Aktionen Interaktion mit Umwelt Umfassendere Notation beinhaltet Mealy- und Moore Semantik viele Vereinfachungen für bersichtliche Darstellung 14 ZHAW, CT2 FS14, M. Thaler

15 UML-State-Diagramm Default Transition Zustand Ereignis/Aktion Aus ein / lampeein Ein aus / lampeaus Start Zustand Transition 15 ZHAW, CT2 FS14, M. Thaler

16 ... Begriffe und Symbole Finite State Machine (FSM) endlicher Automat endliche Anzahl Zustände und Transitionen State (Zustand) ein stabiler "Zustand" FSM wartet auf nächstes Ereignis Event (Ereignis) FSM waret auf Ereignis löst eventuell eine Transition aus Transition Reaktion auf Ereignis Zustandswechsel und/oder Aktion Action (Aktion) Ausgabe-Meldung was zu tun ist 16 ZHAW, CT2 FS14, M. Thaler

17 ... Regeln für die Modellierung State-Diagramm 1. Jedes State-Diagramm hat einen Start Zustand 2. Jeder Zustand ist über eine Transition erreichbar 3. Das State-Diagramm ist deterministisch, d.h. es ist klar, welches Ereignis welche Aktion auslöst Dynamisches Verhalten (Reaktion auf Event) 1. Die FSM befindet sich bei einer Aktivierung immer in einem definierten Zustand 2. Falls ein Zustand das Ereignis erwartet, wird die Transition ausgeführt, sonst wird es verworfen 3. Die zur Transition gehörende Aktion wird ausgeführt und der Folgezustand eingenommen 4. Eine gestartete Transition ist durch ein neu eintretendes Ereignis nicht unterbrechbar ( Run-To-Completion) 17 ZHAW, CT2 FS14, M. Thaler

18 ... Semantik Semantik wie Modell zu verstehen ist UML Finite State Machine ist passiv reagiert auf Ereignisse auftretende Ereignisse in FIFO-Buffer gespeichert FSM des entsprechenden Objektes wird mit Ereignissen aus Buffer aktiviert "behandelte" Ereignisse werden gelöscht Objekt 1 Objekt 2 FIFO Buffer eventa für Objekt 1 eventb für Objekt 2 eventa für Objekt 3 eventb für Objekt 1 eventc für Objekt 2 Objekt 3 18 ZHAW, CT2 FS14, M. Thaler

19 Ampelsteuerung: UML-Notation AutosGrün s1gedrückt / autosgrünaus autosrotein starttimer FussgängerGrün timeout / autosrotaus autosgrünein AutosRot FussgängerRot timeout / fussgängerrotaus fussgängergrünein timeout / fussgängergrünaus fussgängerrotein 19 ZHAW, CT2 FS14, M. Thaler

20 Was ist hier falsch? State foo eventa / action1 State bar eventb / action1 eventa eventb / action2 eventb / action2 State bla 20 ZHAW, CT2 FS14, M. Thaler

21 Kooperierende FSMs Komplexe reaktive Systeme aufteilen in kommunizierende FSMs Objekt Schalter out Ports in Objekt Lampe Interaktionen über über Ports mit Event-Messages Schalter Lampe Losgelassen Aus losgelassen / out.logelassen gedrückt / out.gedrückt in.losgelassen / LampeAus in.gedrückt / LampeEin Gedrückt Ein 21 ZHAW, CT2 FS14, M. Thaler

22 Aufgabe Motorsteuerung Motorsteuerung mit Temperatur-Überwachung Motor wird mit Start-Taste ein-, mit Stop-Taste ausgeschaltet bei Übertemperatur Motor ausschalten und Abkühlen lassen bis Normal-Temperatur erreicht nach Abkühlen mit Quitiert-Taste Störung aufheben Normalbetrieb Betriebslampe, Abkühlen Störlampe, auf Quitierung warten Störlampe und Betriebslampe Gegeben Zustände:Ruhe, Betrieb, Störung, Abkühlen Events: starttaste, stoptaste, quittaste, übertemp, normtemp Aktionen: motorein/aus, betriebslampeein/aus, störlampeein/aus Gesucht UML-Zustandsdiagramm für Motorsteuerung 22 ZHAW, CT2 FS14, M. Thaler

23 Implementation Einfaches Systems events = GetEvents(); messages = processevents(events); doactions(messages); 23 ZHAW, CT2 FS14, M. Thaler

24 Implementation: Beispiel LED Steuerung auf CT Board Beim Starten des System werden alle LED's ausgeschaltet, das System geht in den Wartezustand (Wait). Wird der Schiebschalter T_0 in die obere Position geschoben, werden beide LED's (LED_0 und LED_1) eingeschaltet, das System wechselt in den Zustand OnlyOne. Wird nun Schalter T_0 oder Schalter T_1 in die obere Position geschoben, wird die entsprechende LED ausgeschaltet und das System wechselt in den Wartezustand. Port 701h Port 700h LED_1 LED_0 Port 705h Port 704h oben unten 24 ZHAW, CT2 FS14, M. Thaler T_1 T_0

25 ... Implementation Wait Reset / LED_0 off LED_1 off OnlyOne T_0 / LED_0 on, LED_1 on Hauptprogramm T_0 / LED_0 off T_1 / LED_1 off 25 ZHAW, CT2 FS14, M. Thaler

26 Zusammenfassung Zustandsautomaten Digitaltechnik - getaktetes Modell: Moore, Mealy - Taktflanke: Folgezustand = f (Zustand und Eingängen) Software - ereignisgesteuertes Model: State/Event - Ereignis: Folgezustand = f (Zustand und Ereignis) UML FSMs - Zustände, Transitionen, Ereignisse, Tätigkeiten - Regeln für Diagramme - erlaubt einfache Umsetzung in Software Reaktive Objekte - kommunizieren über Ereignis-Meldungen 26 ZHAW, CT2 FS14, M. Thaler