zuerst stoppt nach einiger Zeit danach

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1 Vorbemerkungen Reaktive Systeme sind wichtiges Gebiet in der Informatik (ca. 95% aller Softwaresysteme sind eingebettete Systeme). Wir befassen uns mit Spezifikation, Modellierung, Entwurf, Implementierung und Testen (hier nur ansatzweise), Analyse (Voraussetzung: präzise Semantik des Modellierungsmittels). Schwerpunkt hier nicht Implementierung: Die am meisten relevanten Fehler entstehen in der Anforderungs- und Entwurfsphase. Die Behebung von Entwurfsfehlern ist extrem teuer und zeitaufwendig. Reaktive Systeme Der Begriff reaktive Systeme wurde in [Harel/Pnueli 85], [Manna/Pnueli 92] geprägt. Transformationelle Systeme z.b. die Monatsabrechnung einer Buchhaltung Eingabe zuerst Software- System stoppt nach einiger Zeit Ausgabe danach 2

2 Reaktive Systeme i.a. unbeschränkte Laufzeit Kommunikation während des Ablaufs inhärente Parallelität (i.a. zusammengesetzt aus Teilsystemen) evtl. zeitkritisch, sicherheitskritisch hohe Komplexität Hardware/Software 3 Reaktive Systeme Weitere Charakteristika eines reaktiven Systems: Ein-/Ausgaben können diskret oder kontinuierlich über die Zeit sein. Ein-/Ausgaben oft asynchron, d.h. zeitlich nicht vorhersagbar. Das System muss auf Interrupts reagieren können (Ereignisse höherer Priorität), auch wenn es gerade beschäftigt ist. Es müssen oft harte Zeitanforderungen erfüllt werden. Es weist oft viele unterschiedliche mögliche Verhalten auf, abhängig vom aktuellen Modus, den aktuellen Eingaben, dem bisherigen Verhalten. 4

3 Schwächen der derzeitigen Praxis On 4 September 993, a Lufthansa Airbus A320 landed at Warsaw airport in a thunderstorm. Upon landing, none of the braking systems (air brakes, thrust reverse, wheel brakes) functioned for about nine seconds: the wheel brakes only started to function after about thirteen seconds. The aircraft ran off the end of the runway, collided with an earth bank and started to burn.... It became clear that the logic of the braking systems was indeed a reason why the braking systems hadn't functioned as expected. Quoted from Peter Ladkin 5 Schwächen der derzeitigen Praxis Strahlungsquelle Therac 25 zur Krebsbehandlung ( ): Fehler im Steuerungsprogramm erzeugt schwere Verbrennungen und Todesfälle Volvo V40 (9.6.98): Fahrzeug schießt nach Einlegen von R wie eine Rakete nach hinten Volvo 460 GLE (5.6.98): R einlegen... worauf der Wagen unversehens mit durchdrehenden Rädern losrast, obwohl der Fahrer verzweifelt auf die Bremse tritt BMW E39 (2004): Das System erkennt bei einer Bremskraft von mehr als 20 Kilopond eine Implausibilität und schaltet ABS und DSC vorübergehend ab. Weitere Beispiele: 6

4 Elektronik im Auto 970 Zündung Uhr Radio 7 Elektronik im Auto zur Zeit Komfort: Navigation Unterhaltung Kommunikation Zentralverschluss Kontrollierte Innenbeleuchtung Alarmanlage Einparkhilfe Sicherheit: Airbag ABS Lenkhilfe Bremshilfe Motorsteuerung Abgaskontrolle Katalysator 8

5 Elektronik im Auto in der Zukunft Neue Formen der Navigation Unterhaltung Kommunikation Komfort, Sicherheit: Diebstahlschutz Intelligente Schlüssel Pre-Crash Sensing Integriertes Kraftübertragungsmanagement Bremse und Lenkung by wire 9 SW - Anteile in Technischen Systemen Beispiel: Automobiltechnik Heute Steuerungssysteme im PKW Stark wachsende Zahl von Steuerungssystemen Kostenanteil in Oberklassefahrzeugen 35% Durchschnittsauto 2% - 20% Steuerungssysteme verhelfen zu wettbewerbsentscheidenden Vorteilen Zunehmender sicherheitskritischer Anteil 0

6 VW Phaeton 6 vernetzte Steuergeräte 3 Bussysteme + optischer Bus + Sub-Busse 2500 Signale in 250 CAN-Botschaften Mehr als 50 MByte Speicher Mehr als 2000 Einzelleitungen Mehr als 3800m Kabel Software in der zivilen Luftfahrt Software within aircraft (words) 00M 0M M A30 A330/A340 A320 A300FF 00K A300B 0K INS K Year of introduction nach Neil Storey 2

7 Systementwurf für reaktive Systeme Beim Entwurf reaktiver Systeme ähnliche Prinzipien wie beim klassischen Software Engineering. Hauptunterschiede: Halbformale/formale Methoden wichtig, Bedeutung von Analyse/Verifikation Beschreibung des dynamischen Systemablaufs Anforderungsanalyse und Entwurfsphase überragende Bedeutung 3 Wasserfallmodell Was System Feasibility Validation Feasibility Report Requirementsanalysis and Project Planning Validation Wie System Design Requirements Document and Project Plan Verification System Design Document Detailed Design Verification Detailed Design Document Implementierung/ Wartung Coding Verification Installation Test Plan, Test Programs Installation Report Report and Manual Testing and Integration Operations and Maintenance 4

8 V-Modell V-Model 97 5 Systementwurf für Reaktive Systeme Wie im klassischen Software Engineering neuere Ansätze: Prototyping Modelle Inkrementelle Entwicklung Wiederverwendung Automatische Synthese, Codegenerierung Softwarearchitektur, Strukturierung: Objekt-orientierter Ansatz 6

9 SE Methodologie Notationen für die Systemmodellierung Prozessmodel, z.b. V-Modell Welche Aktivitäten in welcher Reihenfolge im Entwicklungsablauf? Was sind die Zwischenprodukte? Tools zur Unterstützung 7 UML (Unified Modelling Language) Modelle für Statische Systemstruktur, z.b. Klassendiagramme Komponentendiagramme Verteilungsdiagramme Dynamisches Systemverhalten, z.b. Interaktionsdiagramme (z.b. Sequenz- und Kommunikationsdiagramme) Zustandsdiagramme Aktivitätsdiagramme Use-Case-Diagramme Probleme Semantik der graphischen Notationen und deren Umsetzung in Tools Konsistenz zwischen Systemsichten Behandlung der Parallelität im Gesamtsystem Hier: Behandlung der grundlegenden Modelle (Statecharts, Message Sequence Charts) mit präziser Semantik 8

10 Sichten der UML Entwurfssicht Implementierungssicht K K2 Anwendungsfallsicht K3 Prozesssicht Verteilungssicht K K2 K3 9 Modellbasierte Softwareentwicklung (Graphische) Modelle in allen Phasen des Software-Lebenszyklus, von den Anforderungen bis zur Implementierung auf der Zielplatform und beim Testen Simulation durch ausführbare Modelle, bereits in frühen Phasen wenn möglich automatische Codegenerierung Testen: Hardware in the loop (bei eingebetteten Systemen), Software in the loop (Umgebung der zu testenden Komponente wird durch ausführbare Modelle dargestellt.) 20

11 Modellgetriebene Softwareentwicklung (MDD) UML-orientiert Methoden für Modelltransformationen Fokus auf Automatisierung von Transformationen/Codegenerierung domänenspezifische Ansätze 2 In dieser Vorlesung Grundlegende Modelle für das dynamische Verhalten reaktiver Systeme: Transitionssysteme, Petrinetze Grundlagen für kompositionale und hierarchische Systembeschreibungssprachen: Prozeßalgebren, Statecharts Grundlegendes Modell zur Beschreibung der Interaktion zwischen Systemkomponenten: Message Sequence Charts Behandlung von Zeitanforderungen: Timed Automata Für alle Modellierungsansätze: Präzise Semantik, Fallstudien, Grundlagen für den kritischen Umgang mit Tools Grundlagen über das Testen eingebetteter Systeme In der Übung: Praxis im Modellieren, Einsatz von Tools 22

12 Literatur () David Harel und Amir Pnueli. On the Development of Reactive Systems. In K. R. Apt, Herausgeber, Logistics and Models of Concurent Systems, NATO, ASI Series, Band 3, S Springer-Verlag, New York, 985. (2) Pankaj Jalote. An Integrated Approach to Software Engineering. Springer-Verlag New York, NY, 2. Auflage, 997 (3) Zohar Manna und Amir Pnueli. The Temporal Logic of Reactive and Concurrent Systems. Springer, New York, 992. (4) Grady Booch, James Rumbaugh und Ivar Jacobson. The Unified Modeling Language User Guide. Addison-Wesley, Reading Harlow Menlo Park,