Modellbasierte Software- Entwicklung eingebetteter Systeme

Transkript

1 Modellbasierte Software- Entwicklung eingebetteter Systeme Prof. Dr. Holger Schlingloff Institut für Informatik der Humboldt Universität und Fraunhofer Institut für Rechnerarchitektur und Softwaretechnik

2 Folie 2 Intel-Wettbewerb Embedded

3 Folie 3 Codegenerierung aus State Machines Visual State Coder andere Tools verfügbar Codeoptimierung Größe des generierten Codes

4 Folie 4 Codegenerierung für Simulink Drei kommerzielle Produkte verfügbar Embedded Coder (MathWorks) Real Time Workshop (MathWorks) TargetLink (dspace GmbH) Quelle: dspace GmbH

5 Folie 5 Prinzip Physical Model (floating-point) Compiler (Linker) Host PC Code generator C Code Implementation Model (fixed-point) Cross-compiler (Linker / Loader) Target Thanks for the slides: Daniela Weinberg

6 Folie 6 Beispiel Schaltsystem mit Schwellwert 0.5 physikalisches Modell (SimuLink) Implementierungsmodell (TargetLink) Äquivalenz?

7 Folie 7 generierter Code Zweierpotenz-Skalierung; 128 * 2-8 = 0.5 Void switch_system(void) { /* Switchswitch_system/switch_primitive */ if (Sa1_Input2_ >= 128 /* 0.5 */) { /* # combined # Outport: switch_system/outputport */ Sa1_OutputPort_ = Sa1_Input1_; } else { /* # combined # Outport: switch_system/outputport */ Sa1_OutputPort_ = Sa1_Input1_; } }

8 Folie 8 Codeabsicherung Wie kann man sicherstellen, dass der generierte Code das Erwartete leistet? (a) Modell Physical Model (floating - point) (b) Code- Generator (c) generierter Code (d) Code Ausführung Compiler (Linker) Host PC Code generator C Code Implementation Model (fixed - point) Cross-compiler (Linker / Loader) Target Qualitätssicherung auf jeder Ebene notwendig!

9 Folie 9 Modelltransformation Codegenerator = Compiler Grammatik Metamodell Abstrakter Syntaxbaum XML-Repräsentation Attributgrammatik Graphtransformation Realisierung von Modell-Codegeneratoren durch Modelltransformationen verschiedene Standards verfügbar: QVT/M2M, ATL, MOF2Text, Tefkat, XSLT,...

10 Folie 10 QVT Beispiel Geg. Metamodell für Quell- und Zielmodelle A Model-Driven Development Approach to Mapping UML State Diagrams to Synthesizable VHDL Stephen K. Wood, David H. Akehurst, Oleg Uzenkov, W. Gareth J. Howells, and Klaus D. McDonald-Maier

11 Folie 11 VHDL Metamodell

12 Folie 12 QVT Regel

13 Folie 13 Beispiel: Elimination von deep transitions Graphical Composition of State-Dependent Use Case Behavioral Models Jon Whittle, João Araújo, Ana Moreira, Rasheed Rabbi

14 Folie 14 Deployment Wie realisiert man elektrische / elektronische / elektronisch programmierbare Regler? welche Hardware, Software? welche Peripherie (Sensorik, Aktuatorik?) wie kommt die SW auf die HW? Übung mit Lego- und anderen Systemen

15 Folie 15 Eingebettete Systeme: Hardware Spezielle Prozessoren 4-bitter, minimale Kosten, energieoptimiert keine MMU, Coprozessoren, FloatingPoint Microcontroller mit zusätzlichen Steuerungsleitungen Spezialprozessoren (DSP, SoC, Krypto) Trend: FPGAs Spezielle Speicher meist bewegungslos (keine magnetischen/optischen Medien) ROM, PROM, EEPROM; zunehmend: Flash Disks minimaler RAM, auch; dual ported RAM Zusatzhardware Spezielle Platinen, AD/DA-Wandler, ASICs einsatzspezifische Sensoren und Aktuatoren Einfache Kommunikationsbusse und netze CAN, Feldbusse; zunehmend auch Ethernet, Bluetooth etc.

16 Folie 16 Eingebettete Systeme: Aufbau Applikationsschicht Steuerungsalgorithmus Benutzungsschnittstelle Middleware Realzeit-Betriebssystem Netzverbindung Hardware Prozessankopplung Sensorik, Aktuatorik (Funk-) Netzwerk

17 Folie 17 Beispiel: Lego RCX Robotic Command Explorer (1998) Programmable Brick ursprüngliches Design: S. Papert, MIT Media Lab Vorläufer: Code Pilot, Cybermaster, Scout wie programmieren? Nachfolger: NXT (2006) Hitachi Single-Chip-Mikrocontroller Display, 4 Knöpfe, Batteriefach 3 analoge Eingänge, 3 analoge Ausgänge IR-Kommunikation (seriell)

18 Renesas H8/ Microcontroller H8/300-CPU 16 KB ROM 0,5 KB (!) RAM 8 E/A-ports (8-Bit), SCI 16 Register (8-Bit) max. 16 MHz Takt Timer, A/D-Wandler etc. disencouraged H. Schlingloff, SS2011 modellbasierte Software-Entwicklung eingebetteter Systeme Folie 18

19 Folie 19 EA-Ports Sensoreingänge Spannungsmessung, 100=Kurzschluss, 0=kein Kontakt Über U=R.I lässt sich Widerstand messen Schalter, Temperatursensor (passiv) Lichtsensor, Drehsensor (aktiv) - 3 ms Batteriespannung, 0.1 ms Sensorwert Motorausgänge Leistungssteuerung über Pulsweitenmodulation Verschaltungssicher Motoren, Lämpchen

20 Folie 20 NXT Lego Technik Serie Atmel 32-Bit-ARM-Prozessor AT91SAM7S256; 256 kb Flash-Speicher, 64 KB RAM, 48 MHz Koprozessor: Atmel 8-Bit AVR, ATmega48; 4 KB Flash-Speicher, 512 Byte RAM, 8 MHz digitale Sensoren (Ultraschall, Spezialsensoren), 4 Stecker I2C-Bus digital/analog-kabel mit Spezialstecker Motoren mit Drehwinkelsensor Bluetooth-Kommunikation, USB-Anschluss Punktmatrix-Display, 8-bit Sound Firmware mit Dateisystem

21 Folie 21 SILabs MCUniversity C8051F020 mixed-signal MCU 25 MIPS, 64 kb Flash, 12-Bit ADC, 100-Pin

22 Folie 22 Atmel RN-mega 2560 ATmega AVR 8-Bit Microcontroller RISC Architecture, up to 16 MIPS Throughput at 16 MHz, On-Chip 2-cycle Multiplier 100 pin 256 K Flash 8K RAM, 4K EEPROM Timer, PWM-Kanäle 16 analoge Eingänge, 86 programmierbare I/O Leitungen vier TTL UARTS (RX/TX) RS232, USB, I2C, SPI-Bus

23 Folie 23 Aufgabe generierte SW zum Laufen bringen