Unterstützung der projekt-orientierten Ausbildung in Angewandter Softwaretechnik durch studentische Entwicklung und Forschung

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1 5. TAG DER LEHRE 20. NOVEMBER 2003 FACHHOCHSCHULE NÜRTINGEN HOCHSCHULE FÜR WIRTSCHAFT, LANDWIRTSCHAFT UND LANDESPFLEGE Unterstützung der projekt-orientierten Ausbildung in Angewandter Softwaretechnik durch studentische Entwicklung und Forschung Michael Haller / Wjatscheslaw Schulz / Silvije Jovalekic Im Studiengang Kommunikations- und Softwaretechnik / Technische Informatik an der Fachhochschule Albstadt-Sigmaringen wird im Vertiefungsstudium das Fach Angewandte Softwaretechnik über zwei Semester gelehrt. In einem Semester werden Vertiefungen der Softwaretechnik mit Übungen zu den Themen Requirements Engineering, Softwareentwurf und Konstruktion, Softwaretest, Softwarerestrukturierung und Konfigurationsmanagement behandelt. Grundlagen der Softwaretechnik werden dabei vorausgesetzt. Im einsemestrigen Praktikum Angewandte Softwaretechnik bearbeiten die Studierenden in Gruppen ein Softwareprojekt mit gegenständigen Prozessmodellen. Die Ziele des Praktikums sind die Erstellung von Anforderungsspezifikation, Gruppenarbeit mit Arbeitsteilung, inkrementelle Softwareentwicklung mit Produktverwaltung, Projektplanung / -kontrolle, Inspektionen, Abnahme und Präsentation. Dabei sind Kenntnisse in Echtzeitsystemen und verteilten Systemen hilfreich. Diese anwendungsorientierte Ausbildung in Softwaretechnik wird seit mehreren Jahren mit Erfolg praktiziert [1, 2]. Zum praxisnahen Erlernen der Methoden der Angewandten Softwaretechnik wurden von Studenten im Rahmen von Laborarbeiten die technischen Prozesse Hausmodell und Transportmodell aufgebaut. Neuerdings wird angestrebt, die Hardware- / Softwarekomponenten der gegenständigen Modelle mit hoher Vertrauenswürdigkeit anzubieten und auf dem hohen technischen Stand zu halten. Darüber hinaus werden nach Möglichkeit die neusten Softwarewerkzeuge bereitgestellt. Beide Ziele werden durch studentische Forschungs- und Entwicklungsarbeiten in Form von Labor-, Projekt- und Diplomarbeiten unterstützt [3]. Ausbildung in Angewandter Softwaretechnik Praktikum Angewandte Softwaretechnik Gegenständige technische Modelle Die Studenten entwickeln im Praktikum ein Tasksystem unter dem Echtzeitbetriebssystem QNX, das die Räume des Hausmodells unabhängig voneinander mit PI-Regler regelt. Die Ausgabe der Stellgrößen an die Aktoren wird mit Pulsbreitenmodulation realisiert. Die Reglerkoeffizienten können zur Laufzeit verändert werden. Zur Offline-Auswertung werden die Prozessdaten im Minutentakt in eine Datei protokolliert. Das internetfähige Prozessvisualisierungssystem hat eine passwortgeschützte Administrations- und Anwenderebene. Der Administrator darf die Parameter verändern, der Anwender kann auf die Prozessdaten nur im Lesemodus zugreifen. Aufgabenstellung beim Hausmodell Am Ende des Semesters gibt jede Gruppe einen Projektbericht zur Bewertung ab. Das Dokument beinhaltet folgende Teile: Anforderungsspezifikation mit Verantwortlichkeitsmatrix und Gantt-Diagramm, Entwurfsspezifikation mit Entwurfsentscheidungen, statischer und dynamischer Struktur mit Entwurfs- und Architekturmustern, kommentierter Quellcode, Ergebnisse der statischen Tests, Testpläne und Ergebnisse der dynamischen Tests, technisch-wissenschaftlicher Bericht, Entwicklerhandbuch, Endbenutzerhandbuch, Zurückverfolgungsmatrix und das Abnahmeprotokoll. Praktikumsabgaben 65

2 Zur Durchführung von praktischen Arbeiten sind im Labor mehrere vernetzte Arbeitsplatzrechner, Linux Server, QNX-Rechner, Softwarewerkzeuge für die objekt-orientierte Analyse und Design in UML, Werkzeug zur Analyse der Einplanbarkeit von Tasks und Softwareentwicklungsumgebungen für C/C++/Java vorhanden. Heizkörper Temperaturfühler Hardware/ Software Infrastruktur Hausmodell mit Prozessrechner Soll-Temperatur Eingabe Prozessrechner - Rechnerplatt e - LCD Monitor Mehrere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten hatten das Ziel, die hardwareabhängigen Anforderungen durch Softwaremuster zu realisieren. Die hardwareabhängige Softwareschicht wird durch das Architekturmuster Hardware Wrapper beschrieben. Der Hardware Wrapper wird aus folgenden Gründen frühzeitig analysiert, entworfen und implementiert: (1) er schafft die Basis für Anwendungen, (2) er kann die Zeitanforderungen der Hardwareschnittstelle, z. B. Verarbeitungssequenz der Aktordaten, und die Synchronisationsanforderungen umsetzen, womit die Anwendungen entlastet werden, (3) ein frühzeitiger und realer Test des Systems deckt die Einschränkungen der Software auf, (4) das Risiko bei der Abbildung eines Softwareentwurfs auf die vorhandene Hardware wird minimiert. Softwarekomponente Hardware Wrapper Im Klassendiagramm wurden die Schnittstellenklassen SensorIfs und AktuatorIfs in der Komponente Hardware Wrapper gehalten, die mit weiteren Softwaremustern realisiert wird. Der Treiber des Messmoduls M232 wurde an die Schnittstellenklassen mittels eines Adapters angepasst. Die Klasse Wrapper ist mit den Mustern Facade und Singleton realisiert [4, 5]. In der jüngeren Vergangenheit wurde die große Bedeutung von Unit Tests für eine effiziente Entwicklung qualitativ hochwertiger Software erkannt, so dass nun auch verschiedene Unit-Test Werkzeuge in die Auswahl der verfügbaren Softwarewerkzeuge aufgenommen wurden [6]. Testwerkzeuge 66

3 Hardware Wrapper Klassendiagramm Hardwar e- << interface>> SensorIfs << interface>> ActuatorIfs << actuator>> Heater << facade>> Wrapper Singleton << sensor>> ActualTemperature << driver >> M232adp << sensor>> TargetTemperature Von der Firma Parasoft werden die Produkte C++Test und JTest bereitgestellt. Tests werden komfortabel grafikorientiert erstellt und durchgeführt, ohne dass vom Entwickler Code geschrieben werden muss. Dadurch ist äußerst effizientes Arbeiten für den Tester möglich. Beide Werkzeuge unterstützen sowohl die statische als auch die dynamische Analyse und bieten eine ausführliche statistische Testauswertung an [7]. Des Weiteren wurden die nicht-kommerziellen Testwerkzeuge JUnit für Java und CppUnit für C++ evaluiert. Bei diesen programmatisch orientierten Werkzeugen handelt es sich um Implementierungen des Test-Frameworks nach KENT BECK. Sie bieten nicht den Komfort kommerzieller Produkte, dafür zum Teil mehr Möglichkeiten bei der Definition von Testfällen [8]. Kriterium C++Test CppUnit Einarbeitung gering aufwendiger Laufzeiteffizienz mäßig sehr schnell Funktionalität Bedienbarkeit/ Arbeitseffizienz - automatische Generierung von White-Box-Testfällen - Überprüfung auf Einhaltung von Programmierrichtlinien - Statistik informiert über den Erfolg der Tests - Vielzahl an Einstellungen - Schnelle und einfache Definition von Tests - Detaillierte und übersichtliche Ergebnisdarstellung Die Bedienbarkeit ist intuitiv und gut durchdacht. Damit ist effizientes Arbeiten möglich. Die Funktionalität beschränkt sich auf die einfache Durchführung und Auswertung von Unit-Tests. - Testfälle müssen vom Tester selbst implementiert werden. - Informationen zu einzelnen Testfällen werden bei der Fehleranalyse aus dem Code entnommen. Kosten $3.500 p.a. (Einzelplatzlizenz) frei verfügbar Bei der Entwicklung neuartiger Softwaremuster konnten umfangreiche Erfahrungen bei der Verallgemeinerung und Beschreibung von Software gesammelt werden. Durch die Beschäftigung mit Testwerkzeugen wurden theoretische und praktische Kenntnisse in den verschiedenen Arten von Tests (statisch / dynamisch, Black-Box / White-Box, Regressionstests) er Vergleich von C++Test und CppUnit Erfahrungen bei Entwicklung und Forschung 67

4 langt. Nebenbei wurde das Bewusstsein für die Bedeutung des Softwaretests als Instrument der Qualitätssicherung sensibilisiert. Im Lernprojekt Hausmodell war es möglich, die organisatorischen und softwaretechnischen Herausforderungen, die ein größeres Softwaresystem mit sich bringt, zu erfahren und die Komplexität beherrschen zu lernen. An einer durchgängigen praktischen Aufgabe wurden sämtliche Phasen des Softwareentwicklungsprozesses von der Planung bis zur Abnahme durchgeführt und die vorhandenen Kenntnisse in diesen Bereichen vertieft. Des Weiteren wurden Tätigkeiten des Projekt- und Konfigurations-Managements und der Qualitätssicherung gefördert. Das System eignete sich auch hervorragend zur Umsetzung von bekannten Softwaremustern wie Model- View-Controller, Remote Proxy, Control Loop oder Singleton. Bei größeren Softwareprojekten sind die Kenntnisse im Konfigurationsmanagement und der zugehörigen Werkzeuge von großer Bedeutung. Man denkt dabei an Releasemanagement, Versions- und Variantenmanagement, Change-Management sowie Anforderungs- und Fehlermanagement. Es ist geplant, die gängigen Softwarewerkzeuge zu erproben und in der Ausbildung von angehenden Software-Ingenieuren praktisch einzuführen. Projekterfahrungen Weiterführende Arbeiten Die Grenzen des Einsatzes von Softwaremustern für prozessorientierte Anwendungen liegen im Mangel vertrauenswürdiger Musterkataloge. Neben Beschreibungen sind lauffähige Implementierungen einschließlich Zeitverhalten, der Zuverlässigkeits- und Sicherheitsaspekte in üblichen Umgebungen erforderlich. Der Aufbau eines kleinen Musterkatalogs für verteilte Echtzeitsysteme mit Erprobung in den Bereichen Transportsysteme und Automatisierung ist geplant. Ergebnisse sollen auch in den Fächern Echtzeitsysteme und Verteilte Systeme gelehrt werden [9, 10, 11]. Literatur [1] Broschüre des Labors für Softwaretechnik und Echtzeitsysteme, FH Albstadt-Sigmaringen, 5. Ausgabe August 2003, 20 Seiten, [2] JOVALEKIC, S.: Project-Oriented Approach to Software Engineering Education in a Multidisciplinary Environment: Objectives, Realization, Evaluation; 1996 Frontiers in Education Conference, Salt Lake City, Utah, USA, Nov. 6-9, 1996, ISBN , S [3] IKHWANI, I.; BOISSARD, O.; JOVALEKIC, S.: Bereitstellung einer Software-, Hardware- und Kommunikationsinfrastruktur für das Erlernen von modernen Softwaretechniken am Modellprozess Internetfähige Heizungsautomatisierung Softwareentwurf und -konstruktion, Laborbericht Februar 2002, [4] BOISSARD, O.: Musterorientierte Softwareentwicklung einer internetfähigen Heizungsautomatisierung, Diplomarbeit März [5] SCHULZ, W.: Entwicklung und Bewertung von Softwaremustern für nebenläufige Echtzeitsysteme, Diplomarbeit März [6] SCHULZ, W.; HALLER, M.; KOCH, M.; JOVALEKIC, S.: Bereitstellung einer Software-, Hardware- und Kommunikationsinfrastruktur für das Erlernen von modernen Softwaretechniken am Modellprozess Internetfähige Heizungsautomatisierung Softwaretest, Laborbericht, Januar [7] Parasoft: C++Test, Jtest, [8] BECK, K; GAMMA, E.: JUnit Open-Source Testing Framework, 68

5 [9] JOVALEKIC, S.; IKHWANI, I.; BOISSARD, O.: Software Design by Patterns for Process-Oriented Applications, Proceedings of the 6th IASTED International Conference Software Engineering and Applications, pp , Nov. 4-6, 2002, Cambridge, USA, ISBN , [10] JOVALEKIC, S.; SCHULZ, W.: Systematischer Entwurf und Konstruktion von Software für Echtzeitsysteme im Bereich der Automatisierung, 20. internationales Kolloquium Wissenschaft für die Praxis, , Osijek, Kroatien, [11] DOUGLASS, B. P.: Real-Time Design Patterns: Robust Scalable Architecture for Real-Time Systems, Addison-Wesley 2002, ISBN Prof. Dr.-Ing. Silvije Jovalekic (Projektleitung) Michael Haller Wjatscheslaw Schulz Fachhochschule Albstadt-Sigmaringen Labor für Softwaretechnik und Echtzeitsysteme jovalekic@fh-albsig.de Autoren 69