Domänenspezifisch entwickeln mit UML (Vortrag mit Demo)

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1 Gert Bikker, Kevin Barwich, Arne Noyer Domänenspezifisch entwickeln mit UML (Vortrag mit Demo) Die Modellierung mit UML bietet auch für eingebettete Systeme viele Vorteile. Um die Vorteile effizient nutzen zu können, wird ein passendes Entwicklungswerkzeug benötigt. In der Arbeitsgruppe von Prof. Dr.-Ing. Gert Bikker entsteht auf Basis von Eclipse-Technologien ein Werkzeugrahmen, der speziell für die Entwicklung eingebetteter Systeme vorgesehen ist. Das Forschungsprojekt Im Bereich des Software-Engineering haben sich zunehmend die Objektorientierung und die UML etabliert. Obgleich dieses Vorgehen auch für den Entwurf und die Realisierung eingebetteter Systeme anwendbar ist, erfolgt deren Implementierung im großen Maße in klassischer Weise: Codierung in C. Auch für eingebettete Softwaresysteme gibt es UMLbasierte Entwicklungstools auf dem Markt, die jedoch den Ansprüchen der zu entwickelnden Software für eingebettete Systeme nicht vollständig gerecht werden oder in der Anwendung sehr komplex sind (vergleiche [Bik09]). Aus der Erfahrung von der Einführung von UML in der Lehre und der Begleitung einer Vielzahl praxisnaher Projekte, soll die Frage gestellt werden: Was braucht man in der embedded Software-Entwicklung wirklich und inwieweit ist es sogar sinnvoll den UML- Standard zu verletzten? An der Ostfalia Hochschule wird ein Werkzeugrahmen in dieser Philosophie entwickelt. Abbildung 1: Klassendiagramm für einen Fensterheber in der Entwicklungsumgebung

2 In einem dreijährigen Forschungsvorhaben wird eine modellbasierte Entwicklungsumgebung erarbeitet. Dabei sollen nur die Modelle unterstützt werden, die wirklich gebraucht werden. Wenn nur 25% der Funktionalität eines Tools genutzt wird, dann muss man nicht 100% zur Verfügung stellen. Die Entwicklungsumgebung wird die Diagramme der UML bieten, die speziell für die Entwicklung eingebetteter Systeme sinnvoll sind. Dabei wird in den Diagrammen bewusst auf Elemente verzichtet, die nicht für das Entwickeln eingebetteter Systeme relevant sind. Neben UML-Diagrammen sollen auch Diagramme zur Verfügung gestellt werden, die für spezielle Anwendungsbereiche vorgesehen sind. So befindet sich beispielsweise ein Diagramm in Entwicklung, dass das Modellieren von AUTOSAR-Architekturen unterstützt. In Abbildung 1 ist ein aktueller Screenshot zu sehen, der ein Klassendiagramm in der Entwicklungsumgebung darstellt. Das Klassendiagramm zeigt den Fensterheber eines Fahrzeugs. Abbildung 2 zeigt ein zugehöriges Zustandsdiagramm für den Motor des Fensterhebers in der Entwicklungsumgebung. Auf der rechten Seite ist jeweils die Palette zu sehen, in der die zur Verfügung stehenden Diagramm-Elemente ausgewählt werden können. Auf der linken Seite befindet sich ein Project-Explorer, um durch generierten Quellcode und Modelle navigieren zu können. Für ein ausgewähltes Diagramm-Element können sämtliche Eigenschaften in der Properties-View eingestellt werden. Diese ist in Abbildung 2 dargestellt und zeigt die Eigenschaften für einen selektierten Zustand. Zusätzlich werden auch Dialoge implementiert, mit denen die Eigenschaften der Elemente geändert werden können. Abbildung 2: Zustandsdiagramm für einen Fensterheber-Motor in der Entwicklungsumgebung

3 Ziel ist es, die Eclipse basierte Entwicklungsplattform auch anderen Anwendern auf dem Kongress vorzustellen. Es ist vorstellbar, dass der Kern der Anwendung open source gestellt wird, so dass Entwickler eigene Anpassungen vornehmen können. Modellbasierte Entwicklungsumgebungen auf open Source Basis gibt es eine Reihe. Dieses wäre die erste, die als Fokus die Entwicklung von embedded Softwaresystemen hat. Codegenerierung Die Codegenerierung ist direkt für professionelle Zielumgebungen möglich, so wird unter anderem die Laufzeitumgebung von Willert Software Tools unterstützt. Ein Anwendungspartner ist die Sartorius AG, die unter anderem Technologieführer im Bereich Präzisionswägetechnik ist. Je nachdem, welche Programmiersprache während der Projekt-Erstellung ausgewählt wird, wird ein entsprechender Codegenerator verwendet, der aus den Diagrammen den Quellcode erzeugt. Der Codegenerator kann jedoch später zu jeder Zeit geändert werden. Neben den mitgelieferten Codegeneratoren gibt es auch die Möglichkeit, dass externe Entwickler eigene Codegeneratoren erstellen können und diese direkt eingesetzt werden können. Dabei sind die Entwickler nicht darauf beschränkt, ein bestimmtes Framework einsetzen zu müssen. Während des Forschungsprojekts werden konkret die Codegenerierung für Java und C umgesetzt. Der generierte Code kann für Simulationszwecke genutzt werden, um anhand von animierten Diagrammen die Funktionsweise einer Software zu validieren, oder direkt auf eingebetteten Systemen ausgeführt werden. In Abbildung 3 wird dies veranschaulicht. Abbildung 3: Modellieren statt Programmieren von eingebetteten Systemen Es können jedoch auch Generatoren registriert werden, die andere Arten von Model-to-Text Transformationen durchführen. Im Forschungsprojekt wird konkret ein Generator umgesetzt, der XML-Schnittstellenbeschreibungen für AUTOSAR-Diagramme generiert. Weiterhin ist bspw. ein Generator für Berichte (Reports) als PDFs denkbar.

4 Eclipse-Technologien Als Basis für das Forschungsprojekt werden verschiedene Eclipse-Technologien eingesetzt. Wir wollen im Rahmen des Vortrags Erfahrungen austauschen, wie eigene Tools in der Eclipse-Technologie erstellt werden können. Eclipse ist nicht nur eine sehr gute Entwicklungsumgebung, sondern kann aufgrund des Plug- In-Konzepts für vielfältige Arten von Anwendungen verwendet werden. Dabei kann auf ein großes Repertoire an bereits implementierten Funktionen zurückgegriffen werden (vergleiche [Noy09]) und ist damit eine perfekte Grundlage für unser Forschungsprojekt. Im Folgenden werden die von uns verwendeten Kern-Technologien kurz erläutert. Das Eclipse Modeling Framework (EMF) wird zur Definition des Datenmodells verwendet. EMF ist nach [Mer09] als Implementierung der Meta Object Facility (MOF) entwickelt worden. Mit Hilfe von EMF können Metamodelle in Form von Ecore-Modellen erzeugt werden, aus denen anschließend der Code für das Datenmodell generiert wird. Die grafischen Editoren werden mit dem Graphical Modeling Framework (GMF) realisiert. GMF ist nach [Sch06a] ein Framework, um EMF-Modelle mit dem Graphical Editing Framework (GEF) zu verbinden. GEF bietet eine umfangreiche API mit vielen Funktionen, die typischerweise bei grafischen Editoren benötigt werden. Einen solchen Editor von Hand zu implementieren, stellt jedoch eine umfangreiche Aufgabe dar. Um diesen Prozess zu vereinfachen, wurde das Graphical Model Framework entwickelt. Mit diesem kann über Modelle ein grafischer Editor definiert werden, aus denen anschließend der Quellcode für den Editor generiert wird. Dazu werden ein GMFTool-Modell, ein GMFGraph-Modell und ein GMFMap-Modell definiert. Über das GMFTool-Modell wird eingestellt, welche Elemente später im Diagramm erzeugt werden können. In Abbildung 4 ist das Vorgehen mit GMF skizziert. Abbildung 4: Das Vorgehen mit GMF Das GMFGraph-Modell dient dazu, grafische Repräsentationen für Elemente aus dem Ecore- Modell festzulegen. Im GMFMap-Modell werden Elemente aus dem Datenmodell mit der dazugehörigen grafischen Repräsentation und dem Tool zum Erstellen des Diagramm-

5 Elements verbunden. Anschließend können im GMFGen-Modell noch Einstellungen für das Generieren des Editor-Quellcodes gemacht werden. Auch wenn der daraus generierte Quellcode oft noch angepasst werden muss, stellt er eine ausgezeichnete Basis für einen grafischen Editor dar. Die Codegenerierung verwendet verschiedene Frameworks für Model-to-Text Transformation von Eclipse. Der Generator für C-Code setzt auf Java Emitter Templates (JET). JET basiert ebenfalls auf EMF und wird auch bei EMF konkret eingesetzt. So wird beispielsweise der Quellcode für Ecore-Modelle mit JET erzeugt. Das Framework kann alle Formen von Text- Dateien erzeugen. Beispielsweise kann damit also eine C-Datei oder eine Header-Datei erzeugt werden. Einsatz an der Hochschule Das Werkzeug wird in der Zukunft an der Ostfalia Hochschule in Laborveranstaltungen eingesetzt werden. Dadurch kann es sich im praktischen Einsatz bewähren und die Studenten können Erfahrungen mit dem Werkzeug und Wünsche an uns weitergeben. Dadurch können wir das Werkzeug stets noch weiter perfektionieren. Neben dem Einsatz in Lehrveranstaltungen wird es bei uns auch im Ostfalia Cup eingesetzt werden. Der Ostfalia Cup beschäftigt sich mit der Entwicklung autonom fahrender Fahrzeuge. Ein Team von Studenten entwickelt in diesem Rahmen die eingebettete Software für ein Fahrzeug. Das Team des Ostfalia Cups unterstützt mit seinen praktischen Erfahrungen das Team bei der Entwicklung des Werkzeugs. Weiterhin bietet das Forschungsprojekt viele interessante Möglichkeiten für studentische Arbeiten. Dadurch kann das Werkzeug im Rahmen von Bachelor- und Masterarbeiten stets um neue Funktionen erweitert werden. Angaben zu den Autoren: Prof. Dr-Ing. Gert Bikker Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften Gert Bikker ist Professor für Rechnerarchitekturen an der Ostfalia Hochschule in Wolfenbüttel. Der Schwerpunkt seiner fachlichen Arbeiten liegt in der Integration und Kopplung von CASE-Tools für die Systementwicklung. Seine Lehrgebiete sind vor allem das Requirements-Engineering, die System-Modellierung und verteilte Rechnerarchitekturen. Sowohl in Lehr, Forschungs- und Projekttätigkeit führt ihn seine Arbeit immer wieder in das Umfeld "bewegter" eingebetteter Systeme (Automotive, Aerospace, Rail).

6 Co-Autoren: B.Sc. Kevin Barwich Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften Kevin Barwich hat während seines Bachelor-Studiums ein fundiertes Fachwissen im Bereich modellbasierter Softwareentwicklung erworben. Die Kenntnisse wurden konkret in einem Projekt und in seiner Bachelorarbeit angewandt. In der Arbeitsgruppe von Prof. Dr.-Ing. Gert Bikker arbeitet er an Model-to-Text Transformationen mit Eclipse-Technologien, um aus modellierten Diagrammen Quellcode zu generieren. Parallel absolviert er ein Master-Studium im Fach Informatik. B.Sc. Arne Noyer Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften Arne Noyer ist wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr.-Ing. Gert Bikker. Seine Schwerpunkte liegen in den Bereichen modellbasierte Softwareentwicklung, Requirements Engineering und Eclipse-Technologien wie das Eclipse Modeling Framework (EMF) und das Graphical Modeling Framework (GMF). Um seine Kenntnisse zu vertiefen, absolviert er an der Ostfalia Hochschule ein Master-Studium in Informatik mit der Spezialisierungsrichtung Embedded Systems. Quellen: [Bik09] Prof. Dr.-Ing. Gert Bikker: Offenes Tool-Framework zur Entwicklung eingebetteter Systeme (Forschungsprojekt-Beschreibung), 2009 [Noy09] Arne Noyer: Entwurf und Realisierung eines Metamodell-Editors für Anforderungsmanagement (Bachelorarbeit), Ostfalia Hochschule, 2009 [Mer09] Merks, Ed: EMF-Leiter Ed Merks im Gespräch. Interview im Eclipse Magazin Ausgabe 2.09, Software & Support Verlag GmbH, [Sch06a] Schwartz, Alexander: Ein Bild sagt mehr als tausend Worte. Eclipse Magazin, Ausgabe 4.06, Software & Support Verlag GmbH, 2006.

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