Automatisierte Modellkopplung heterogener eingebetteter Systeme

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1 Automatisierte Modellkopplung heterogener eingebetteter Systeme Clemens Reichmann, Philipp Graf, Klaus D. Müller-Glaser Institut für Technik der Informationsverarbeitung Universität Karlsruhe (TH) Prof. Dr. K. D. Müller-Glaser Prof. Dr. J. Becker Institut für Technik der Informationsverarbeitung

2 Gliederung Umfeld Randbedingungen des Softwareentwurfs für eingebettete Systeme Grundlagen Modellierungsdomänen Integration durch Modelltransformation GeneralStore Modellverwaltung Werkzeugkopplung Codeerzeugung Automatisierte Schnittstellengenerierung Betrachtete Schnittstellen UML Vorlagenmechanismus Kopplungsmodellierung und -umsetzung Zusammenfassung und Ausblick Institut für Technik der Informationsverarbeitung

3 Umfeld und Herausforderungen Entwurf Software für eingebettete Systeme Aufgaben: Messen, Steuern, Regeln Software im Kontext der Hardware und der Umgebung (Aktoren, Sensoren) Begrenzte Systemressourcen Anwendungsbereiche: Automotive, Automatisierung, Medizintechnik Entwurfsrandbedingungen Stark steigende Komplexität Gegenläufig: Kostenbegrenzung, kurze Produktzyklen, Variantenreichtum, konstante Qualität und Sicherheit Heterogenes Entwurfsumfeld, verstärkt Software-intensive Probleme Lösungsansatz Graphische Modellierung Verringerung der Entwurfskomplexität durch mächtigere Artefakte Partitionierung des Entwurfs auf unterschiedliche Modellierungsdomänen Institut für Technik der Informationsverarbeitung

4 Modellierungsdomänen für Eingebettete Elektronische Systeme Ereignisdiskret Modellbildung mit Statecharts Signalflussorientiert Modellbildung mit Blockdiagrammen Rhapsody in C++ (i-logix) Statemate (i-logix) Stateflow (The MathWorks) MATLAB/Simulink (The MathWorks) MATRIXx (National Instruments) ASCET-SD (ETAS) Softwarekomponenten Modellbildung mit UML Real-time Studio (ARTiSAN) Rhapsody in C++ (i-logix) ObjectiF (MicroTOOL) Rose (Rational Software, IBM) Together (Borland) Poseidon (Gentleware) MagicDraw (NoMagic) Ameos (Aonix) TAU2 (Telelogic) Institut für Technik der Informationsverarbeitung

5 Unified Modeling Language als zentrale Notation Unified Modelling Language (UML) Industriestandard der Object Management Group (OMG), Version 2.0 Wohldefinierte Sprache durch: Abstrakte Syntax (MOF Metamodell) ObjectConstraint Language (OCL) Prosabeschreibung der Semantik Trennung zwischen Modell und Ansicht Beschreibung statischer und dynamischer Aspekte Unabhängig von der Zielsprache (Action Language) Modell des Gesamtsystems in einer Notation Modellverwaltung auf Basis des UML-Metamodells.5 Systemteile werden problemspezifisch in passender Notation beschrieben und mit bestmöglichen Werkzeugen bearbeitet Bidirektionale Transformation in die Gesamtnotation Institut für Technik der Informationsverarbeitung

6 Transformation zwischen Simulink und UML Regler für Roboterarm (signalflussgetrieben) Matlab Simulink Specification Elements ID : BlockDefaults ID3 : LineDefaults Realization Elements ID2 : AnnotationDefaults robot arm controller robot arm controller : System Xposition : Constant Institut für Technik der Informationsverarbeitung

7 Übersicht: GeneralStore Nutzerverwaltung Concurrent Engineering Austausch von Modelldaten mit UML Werkzeugen Versionierung der Modellartefakte Datenhaltung des Gesamtmodells in Datenbank Modellaustausch Transformation von und nach MATLAB/Simulink/ Stateflow Austausch von Modelldaten mit Statemate Generischer Codegenerator für JAVA/C++ aus UML Codegenerierung Anstossen von Codegeneratoren (z.b. Embedded Coder) Automatisierte Erzeugung von Codeschnittstellen Institut für Technik der Informationsverarbeitung

8 GeneralStore - Architektur und Codeerzeugung ARTiSAN Together Poseidon Statemate MATLAB Simulink MATLAB Stateflow AONIX MagicDraw Rhapsody Rose Modelldaten MDL MDL XMI.0, XMI., XMI.2 SQL GeneralStore CASE-Tool Integration Platform XMI Template UML Coder JAVA Matlab Matlab /Wrapper Generator Automation DCOM Matlab Embedded Coder JAVA Rhapsody in MicroC automation XMI MicroC C C JAVA/C++ Compiler / Linker / Make Zielplattform (RTOS) Institut für Technik der Informationsverarbeitung

9 Codeerzeugung FwContainer (rtfw) +LookUp( key : FwString, rvalue : FwElement*& ) : FwBool Analyse GetError <<import>> <<import>> Message -command : FwString -commandline : FwString +getarguments() : FwASamplerContainer +getcommand() : FwString +getcommandline() : FwString +Message() +setcommand( thecommand : FwString ) +setcommandline( thecommandline : FwString ) +tostring() : FwString -arguments FwASamplerContainer (rtfw) +LookUp( key : FwString ) : FwElement -commands -oelements -run : FwBoolean #sendstring : FwString -ielements CommandProzessor -index2steps +CommandProzessor( messageprozessor : MessageProzessor* ) +Execute() : FwBoolean +GetCommand( name : FwString ) : Command +GetIElement( name : FwString ) : FwIElement +GetOElement( name : FwString ) : FwOElement +Init() : void +SendAnswer( answer : FwString ) : void +~CommandProzessor() Code erzeugbar aus Klassendiagrammen Verhaltensbeschreibung mit MeDeLa Derzeit in Entwicklung: Sequenzdiagramme Statecharts fcntl <<import>> <<import>> MessageProzessor +Execute() : FwBoolean +GetNextMessage() : Message* +Init() : void +MessageProzessor() +Parse( messagestr : FwString* ) : Message +SendAnswer( answer : FwString ) : void MeDeLa: +~MessageProzessor() if (mdatalength == 00){ GetStatus int t:=0; +Execute() : FwBoolean +GetKindOfTray() : FwInt +GetStatus( } commandprozessor : CommandProzessor ) +GetTrayCoordinate( x : FwInt, y : FwInt ) : TrayPosition* +Init() : voidif (mdata!= NULL){ +IsValidCommand( m : Message* ) : FwBoolean glcolor3f(.0f, 0.0f, 0.0f ); double prevx := mmin.getx(); double prevy := mmin.gety(); double step := (abs(mmin.getx())+abs(mmax.getx()))/mdatalength; int count := 0; for (double x := mmin.getx(); x < mmax.getx(); x += step){ double y := mdata[count]; drawline(prevx,prevy,x,y); prevx := x; prevy := y; count++; } } Institut für Technik der Informationsverarbeitung

10 Codeerzeugung Message -command : FwString -commandline : FwString +getarguments() : FwASamplerContainer +getcommand() : FwString +getcommandline() : FwString +Message() +setcommand( thecommand : FwString ) +setcommandline( thecommandline : FwString ) +tostring() : FwString FwContainer (rtfw) +LookUp( key : FwString, rvalue : FwElement*& ) : FwBool -arguments FwASamplerContainer (rtfw) +LookUp( key : FwString ) : FwElement -commands -oelements -run : FwBoolean #sendstring : FwString -ielements CommandProzessor -index2steps +CommandProzessor( messageprozessor : MessageProzessor* ) +Execute() : FwBoolean +GetCommand( name : FwString ) : Command +GetIElement( name : FwString ) : FwIElement +GetOElement( name : FwString ) : FwOElement +Init() : void +SendAnswer( answer : FwString ) : void +~CommandProzessor() fcntl <<import>> Analyse GetError <<import>> <<import>> Velocity Template: ## Class, Parents, and Interfaces // class declaration class $class.name## <<import>> MessageProzessor +Execute() : FwBoolean +GetNextMessage() : Message* +Init() : void : +MessageProzessor() +Parse( messagestr : FwString* ) : Message +SendAnswer( answer : FwString ) : void +~MessageProzessor() #if($class.parents.size()+$class.interfaces.size() > 0)## GetStatus +Execute() : FwBoolean +GetKindOfTray() : FwInt +GetStatus( commandprozessor : CommandProzessor ) +GetTrayCoordinate( x : FwInt, y : FwInt ) : TrayPosition* +Init() : void +IsValidCommand( m : Message* ) : FwBoolean #end##if #foreach($parent in $class.parents)## #if($velocitycount > )##, #end##if public $parent.name## #end##foreach #foreach($interface in $class.interfaces)## #if($class.parents.size()+$velocitycount > )##, #end##if public $interface.name## #end##foreach // associations JAVA/C++ Quellcode: // class declaration class FwAsamplerConainer : public FwContainer { // associations Institut für Technik der Informationsverarbeitung

11 GeneralStore - Architektur und Codeerzeugung ARTiSAN Together Poseidon Statemate MATLAB Simulink MATLAB Stateflow AONIX MagicDraw Rhapsody Rose Modelldaten MDL MDL XMI.0, XMI., XMI.2 SQL GeneralStore CASE-Tool Integration Platform XMI Template UML Coder JAVA Matlab Matlab /Wrapper Generator Automation DCOM Matlab Embedded Coder JAVA Rhapsody in MicroC automation XMI MicroC C C JAVA/C++ Compiler / Linker / Make Zielplattform (RTOS) Institut für Technik der Informationsverarbeitung

12 MATLAB Simulink/Stateflow Schnittstellen Parameter Daten (Stateflow) Events(Stateflow) Signale Benötigte Schnittstellen müssen im Matlabmodell als solche gekennzeichnet werden Schnittstellen werden im generierten Code als globale Variablen, Arrays oder Funktionen definiert Sie können über extern C statements in eigene Applikationen integriert werden; spätestens beim Binden muss die Definition verfügbar sein Institut für Technik der Informationsverarbeitung

13 Wrapper Konzept Parametrisierbares UML Modell beschreibt Wrapper (WrapperTemplate) Gibt Struktur und Umfang des MdlWrappers vor Parametrisierung durch Template-Klassen Methoden mit MeDeLa beschrieben Kann durch ein UML-CASE-Tool vom Entwickler angepasst und verändert werden WrapperTool generiert den Wrapper Das Matlab Modell wird nach benötigten Informationen untersucht Das WrapperTemplate-Modell wird gelesen Aus diesen Informationen wird der MdlWrapper erstellt Struktur wird erstellt MeDeLawird ergänzt WrapperTool WrapperTemplate amdlwrapper Institut für Technik der Informationsverarbeitung

14 Workflow bei der Kopplung UML Kopplungs-Vorlage-Modell Vorlage mit Parameterdefinition Datenerfassung Parametermodell XML, XMI Datei Kopplungsdaten MATLAB/Simulink Modell Reglungstechnischer Systemteil Quellcode- Generierung Generator UML Modell Kopplungsmodell Modelltransformation Quellcode- Generierung UML Modell Softwareintensiver Systemteil Quellcode- Generierung Zielplattform Compile, link, make Komplett modellbasiert Vorlage des Kopplungsmechanismus ( WrapperTemplate ) ist ein UML Modell Zur Generierung der Kopplung werden nur Modellelemente benötigt Ergebnis der Generierung ist ein UML Modell Institut für Technik der Informationsverarbeitung

15 UML Template Mechanismus kopieren Template Parameter parametrisieren Institut für Technik der Informationsverarbeitung

16 UML Template Mechanismus - Konventionen Erweiterung des Templatemechanismus Typ array mit Dimension n Für Klassennamen: ergibt n Klassen Für Attribute/Operationen: ergibt n Attribute/Operationen _ClassName_ : array _ClassName attribute_ : array Car +get_attibute_() : String +set_attribute_( thevalue : String ) Max Tom Car +getx() : String +gety() : String +setx( thevalue : String ) +sety( thevalue : String ) Institut für Technik der Informationsverarbeitung

17 UML Template Mechanismus - Konventionen Erweiterung des Templatemechanismus (Fortsetzung) MeDeLa enthält spezielle Befehle, welche bei Parametrisierung aufgelöst werden: Iterationen Bedingungen _ParameterClassName_ : array _ParameterName_ : array _ParameterDataType_ : array _ParameterArraySizeX_ : array _ParameterArraySizeY_ : array _Dimension_ : array ParameterController (MdlWrapper.WrapperTemplate) <<extern>> +_ParameterName_[9999] : _ParameterDataType_ <<create>> +ParameterController() <<destroy>> +~ParameterController() <<required>> +getparameter( theparametername : String ) : MdlParameterWrapper _parameter := new Vector(); MdlParameterWrapper aparam := null; //#{ aparam := new _ParameterClassName_( _ParameterName_, String("_ParameterName_"), _ParameterArraySizeX_, _ParameterArraySizeY_ ); _parameter.add(aparam); //#} Institut für Technik der Informationsverarbeitung

18 Anwendungsbeispiel Softwarekomponenten Modellbildung mit UML Signalflussorientiert Modellbildung mit Blockdiagrammen Generator Feedback result Scope Signal wird ausgelesen und Parameter kann verändert werden UML Modell Kommuniziert mit MATLAB/Simulink Scheduling des MATLAB Modells Verstärkerfaktor zur Laufzeit verändern Auslesen des Signals Initialisierung/Herunterfahren Nutzerinterface (Eingabe, OpenGL) Institut für Technik der Informationsverarbeitung

19 Architektur des Kopplungsmodells Amplifier Specification Elements Realization Elements "PT".System: System MdlClasses Gain.Block System "feedback".gain.block: Gain.Block <<implicit>> Wrapper uses <<implicit>> WrapperTemplate modelname : String ModelController WrapperAccessor -mdlamplifier Application AmplifierWrapper <Amplifier> <<binding>> MdlAmplifierAccessor MdlDataController ModelController <<import>> <<import>> Institut für Technik der Informationsverarbeitung

20 Wrapper Anbindung MDLDataController +finish() : void +getgain() : MdlParameterWrapper +getnextdoublevalue() : double +init() : void +MDLDataController() +~MDLDataController() -mresult 0.. MdlSignalWrapper 0.. -mgain MdlParameterWrapper <<import>> <<import>> <<import>> <<implicit>> -mwrapper 0.. MdlWrapperAccessor +broadcastsfevent( theeventname : String ) : wrpbool +getparameter( thefullparametername : String ) : MdlParameterWrapper +getsfdata( thesfdataname : String ) : MdlSFDataWrapper +getsignal( thefullsignalname : String ) : MdlSignalWrapper +init() : void +step() : void +terminate() : void _ModelName_ : String ModelController Institut für Technik der Informationsverarbeitung

21 Implementierung als Plug-In von GeneralStore Zur Wrapper-Generierung benötigte Parameter Im Matlab Modell gefundene Schnittstellen Schnittstellen im MATLAB- Modell suchen Templatemodell in Kopplungsmodell transformieren Institut für Technik der Informationsverarbeitung

22 Zusammenfassung Heterogene Modellierung in unterschiedlichen Notationen nötig zur adäquaten Behandlung des Entwurfs eingebetteter Systeme Integrationsplattform GeneralStore Modellverwaltung auf Basis des UML.5 Metamodells Transformation aus anderen Notationen Erzeugung eines lauffähigen Systems durch Codeerzeugung Werkzeugkopplung Kopplung auf Modellebene Modellierung der Kopplungsvorlage mit UML Templates Automatische Umsetzung in eine UML-Kopplungsmodell, aus dem Code erzeugt werden kann Implementiert in GeneralStore Institut für Technik der Informationsverarbeitung

23 Ausblick GeneralStore Erweiterung der Codegenerierung auf C Codegenerierung aus Sequenzdiagrammen und Statecharts ETAS ASCET-SD Anbindung UML 2.0 als zentrales Metamodell Skalierung der Datenbank bei großen Modellen Institut für Technik der Informationsverarbeitung

24 Institut für Technik der Informationsverarbeitung