Modellbasierte Software- Entwicklung eingebetteter Systeme

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

2 Folie 2 Wer wird Modelionär? Was sind keine Anforderungsartefakte: Ziele Szenarien Strategien Algorithmen? Was sind keine Qualitätskriterien für Zielformulierungen: Prägnant und aktiv Überprüfbar und verfeinerbar Wertschöpfend und begründbar Deklarativ und objektorientiert Welche Mittel sind nicht zur Strukturierung von Zielen geeignet: Schablonen Und/Oder-Bäume SysML-Diagramme Poesiealben Wie viele SysML-Diagrammarten gibt es: Was sind keine SysML-Diagramme: Requirements- und Zusicherungsdiagramme Blockdefinitions- und interne Blockdiagramme Klassen- und Objektdiagramme Zustandsund Aktivitätsdiagramme Wodurch werden Szenarien nicht beschrieben: Sequenzdiagramme Aktivitätsdiagramme Schablonen Romane

3 Folie 3 SysML Diagrammarten

4 Die vier Säulen der SysML H. Schlingloff, SS2014 modellbasierte Software-Entwicklung eingebetteter Systeme Folie 4

5 Folie 5 Blockdefinitionsdiagramme (bdd) ersetzt UML Klassen- und Objektdiagramme Blöcke und Abhängigkeiten Blöcke können Eigenschaften haben: Teile, Werte, Verweise Abhängigkeiten sind Assoziationen (Aggregation und Komposition) und Generalisierungen/Spezialisierungen (C) für alle Bilder: Fabrice Kordon, Jerome Hugues, Agusti Canals, Alain Dohet: Embedded Systems - Analysis and Modeling with SysML, UML and AADL. ISBN: Wiley-ISTE, 320 pages(april 2013)

6 Folie 6

7 Folie 7 Interne Blockdiagramme (ibd) beschreiben die innere Struktur von Blöcken Teile (Parts) eines Blocks werden wieder als Blöcke notiert Ports sind Interaktionspunkte (Ein/Ausgänge) von Blöcken - Standard Ports (leere Quadrätchen): Operationen und Signale, Typ Interface, - Flow Ports (Quadrätchen mit Pfeilchen): Material- oder Informations-Flüsse, ggf. mit Typ (Liter, Gramm, Integer,...) - aggregierte Flow-Ports (Symbol <>): Fluss-Spezifikation in bdd gegeben Konnektoren symbolisieren Verbindungen zwischen Blöcken Interfaces eines Blocks werden mit Lollipop-Notation gezeichnet

8 Folie 8 Pacemaker ibd

9 Folie 9 Zusicherungsdiagramme (par) Parametric Diagrams Spezielle ibds zur Notation von Constraints Parameter Regeln (<<constraint>>) Integration von Ingenieur- Mathematik in Design-Modelle

10 Folie 10

11 Folie 11 Weitere SysML-Diagramme Anwendungsfall-Diagramme: Wer macht was? Use cases Stakeholder und Funktionen des Systems Abhängigkeiten zwischen Funktionen, z.b. include, extend Paketdiagramme: Struktur des Systems verschachtelte Namensräume

12 Folie 12 Verhaltensdiagramme Aktivitätsdiagramme UML-Variante von Petrinetzen Kontrollfluss (paralleler) Aktivitäten Sequenzdiagramme sequentielles Verhalten und Interaktionen der Akteure Schwimmbahnen Zustandsdiagramme endliche Automaten Parallelität und Hierarchie

13 Folie 13 Strategien (Lösungsorientierte Anforderungen) Def.: (Wikipedia) Eine Strategie ist ein längerfristig ausgerichtetes planvolles Anstreben einer vorteilhaften Lage oder eines Ziels. Formal mathematisch ist eine Strategie eine Folge von Funktionen von einer Zustandsmenge (zum Beispiel die Menge der denkbaren Spielsituationen eines Spielers) in eine Menge von Aktionen (die entsprechend dem Spieler vorschreibt, was er tun soll). Strategien operationalisieren Ziele und Szenarien Ziel: Warum soll etwas passieren? Szenario: Was soll passieren? Strategie: Wie soll es passieren?

14 Folie 14 Drei Perspektiven von Strategien Struktur Art und Zusammensetzung von Teilen, Daten, Attributen, Relationen typisch: Blockdiagramme, Objekt- und Klassendiagramme Funktion Transformation durch das System typisch: Material- und Datenflussdiagramme Verhalten Zustände und Zustandsänderungen des Systems; Reaktionen auf Stimuli typisch: Zustandsübergangsdiagramme

15 Folie 15 Integration von Modellsichten

16 Folie 16 From Requirements to Models Requirements are informal, models are semi-formal, code is formal I.e., software development can be seen as continuous formalization Usually: many design choices Not one best practice established State of the art: Object-Oriented Modeling

17 Folie 17 Recap: Development Process Models Waterfall Model V-Model Analysis Product definition Analysis Test cases Acceptance test Design Design specification Architecture Test cases System test Implementation Code Techn. Design Test cases Integration test Test, Integration validated Code Implementation Unit test Changes Maintenance Evolutionary/Incremental Model Rational Unified Process (RUP) Time Requirements Analysis Inception Elaboration Construction Transition Prototypes Analysis Design Validation Design Test Implementation Implementation Configuration management Extreme Programming Project management Activity

18 Abstraction Layers H. Schlingloff, SS2014 modellbasierte Software-Entwicklung eingebetteter Systeme Folie 18 A Modeling Framework abstract Viewpoints Requirements Functional Logical Technical concrete

19 User SensorSignal UserInput Env ironment SensorSignal UserInput Zylinderkopffertigungsanlage DeliveryBand (extern) Crane2 (extern) Crane1 (extern) SystemOutput SupplyBand (extern) Crane1ActionSignal Crane2ActionSignal DeliveryBandSignal SupplyBandSignal DeliveryBandSignal SupplyBandSignal SystemOutput Crane1ActionSignal Crane2ActionSignal << hardgoal >> Zeitgleiche bearbeitung () -- «Contribution» << hardgoal >> Vermessen von Produktionsstoffen () + «Contribution» H. Schlingloff, SS2014 modellbasierte Software-Entwicklung eingebetteter Systeme << softgoal >> Kollilsionen vermeiden () ++ «Contribution» << hardgoal >> Transport von Werkstücken gewährleisten () << hardgoal >> Werkstücke erkennen () << hardgoal >> Produktionsstofftransport gewährleisten () << hardgoal >> Rohstoff transportieren () << hardgoal >> Werkstück transportieren () UserInteraction UserInteraction loop SupplyBand ansteuern [OperationOn] loop SupplyBand ansteuern [OperationOn] [!OperationOn] [!OperationOn] UserInteraction (from (from Ziele / Szenarien Ziele / Szenarien "UserInteraction") "UserInteraction") OperationOn() loop SupplyBand ansteuern [OperationOn] [!OperationOn] OperationOn()!OperationOn()!OperationOn() (from Ziele / Szenarien "UserInteraction") OperationOn() SupplyBand eingeschaltet SupplyBand eingeschaltet Ansteuerung berechnen Ansteuerung eingeschaltet berechnen ausgeschaltet!operationon() ausgeschaltet SupplyBand Ansteuerung berechnen ausgeschaltet Sensor() SupplyBand() Sensor() SupplyBand() Sensor() SupplyBand() IOAdapter IOAdapter IOAdapter (from Ziele (from / Szenarien Ziele "IOAdapter") / Szenarien "IOAdapter") (from Ziele / Szenarien "IOAdapter") Initial Final Initial AutoMode Anlage eingeschaltet [UserInput =!AutoMode] [UserInput: terminieren] [UserInput: einschalten] [UserInput = AutoMode] [UserInput: einschalten] Anlage ausgeschaltet AutoMode Sensor OperationOn ManualMode AutoMode Sensor Bewegungsauftrag Crane1 Sensordaten v erarbeiten Funktionen des TransportationController OperationOn Bewegungsauftrag Crane1 Bewegungsauftrag Crane2 OperationOn Crane1Action Crane1Sensor Wegpunkte für Crane1 berechnen Wegpunkte für Crane2 berechnen Bewegungsauftrag Crane2 Förderbandbewegungen berechnen Crane2Action Crane2Sensor Action Sensor Crane1Action Crane2Action SupplyBandAction SupplyBand DeliveryBand +Bus-conformant Data SupplyBandSensor Deliv erybandaction +Displayed data Crane1Action Crane2Action SupplyBand DeliveryBand Representation SystemOuput Deliv erybandsensor translated by IOAdapter Determination Crane1ActionSignal Crane1SensorSignal +Raw Signal +represented Information +determined Crane2ActionSignal OperationOn +determins +Raw Data translated by IOAdapter +Translated Signal ActionSignal UserInput SensorSignal Crane2SensorSignal SupplyBandActionSignal AutoMode SupplyBandSensorSignal Deliv erybandactionsignal Deliv erybandsensorsignal Folie 19 Requirements Viewpoint modeling goals documentation of the operational system environment (nonfunctional req.) documentation of the system goals and associated scenarios (functional req.) documentation of the necessary domain-specific properties (domain req.) Models context goals scenarios goal-oriented requirements System Level L n R1 environment model system goals system scenarios RN solution-oriented system requirements System Level L n supported activities systematic requirements elicitation continuous documentation / specification validation of requirements

20 User SensorSignal UserInput Env ironment SensorSignal UserInput Zylinderkopffertigungsanlage DeliveryBand (extern) Crane2 (extern) SystemOutput SupplyBand (extern) Crane1 (extern) Crane1ActionSignal Crane2ActionSignal DeliveryBandSignal SupplyBandSignal DeliveryBandSignal SupplyBandSignal SystemOutput Crane1ActionSignal Crane2ActionSignal H. Schlingloff, SS2014 modellbasierte Software-Entwicklung eingebetteter Systeme Folie 20 Functional Viewpoint modeling goals integration of functional requirements into a comprehensive system specification precise modeling of the black box behaviour of a system modeling of dependencies between functional requirements Models Black Box View (from VP RE) System Functions functional hierarchy Projektion supported activities validation of requirements generation of test cases and verification conditions functional prototypes

21 Folie 21 Logical Viewpoint modeling goals logical description of the solution via decomposition into subsystems platform independence of the described solution reusability of logical subsystems models subsystem interface subsystem behaviour subsystem architecture supported activities verification of system behaviour simulation

22 Folie 22 Technical Viewpoint Modeling goals Description of the target-hardware (ECUs, busses, memory, ) Definition of (software-)tasks and scheduling Description of deployment-specific communication Platform specific description of the specification Logical Subsystem target-hardware Logical Perspective Technical Perspective Task and Scheduling communication <<allocate>> temp Capture Task temp Data control airtemp CtrlTask ProcessingResource :Concurrency Resource :Concurrency Resource :Concurrency Resource ComputingResource app-task1:task Signal1 Message1 com:task Frame1 bus-drv:task temp Capture Temp Data AirTempControl control tempval Var1 Scheduler Var2 tempsel :SchedulerSlot :SchedulerSlot :Scheduler :SchedulerSlot app-task2:task Signal1 Signal2 Signal2 :SchedulerSlot header payload Message1 ECU :Scheduler header payload Frame1 Mapping supported activities Verification (timing analysis, schedulability, ) (Platform specific) distribution of logical subsystems Deployment