eingebetteter Systeme

Transkript

1 im WiSe 2010/11 Entwicklung verteilter eingebetteter Systeme Prof. Dr. Joachim Fischer Dipl.-Inf. Ingmar Eveslage Dipl.-Inf. Frank Kühnlenz fischer eveslage 6.1

2 4. UML-Überblick 1. Historie von UML 2. Modellierungselemente von UML im Überblick 3. UML-Diagrammarten 4. Diagrammrepräsentationen in UML 5. Zum UML-Standard 6. Beispiel: UML-Klassendiagramm

3 Erste Anwendung instanziierbar «system» SOSEWIN «model» SOSEWIN 20 «subsystem» SOSEWIN-SensorNode Prozessor OpenWRT AP x y alert error 6.3

4 Systemarchitekturmodell eines Systems unter Verwendung von UML Struktur (Modellelemente, Beziehungen) Systemaufbau Konfigurationsverwaltung Entwurfssicht Implementationssicht Klassen-, Objektdiagramme Aktivitäts-, Sequenz-, Kooperations-, Zustandsdiagramme Nutzersicht Anwendungsfalldiagramme Komponentendiagramme Verteilungs-/ Konfigurationsdiagramme Leistung Skalierbarkeit Durchsatz Verhaltenssicht Umgebungssicht Systemtopologie Verteilung Auslieferung Installation 6.4

5 Struktur des Standards grundlegende g Sprachkonstrukte in abstrakter Syntax (Klasse, Assoziation, ) Modellierungskonzepte Sprachdefinitions -konzepte Transformations- konzepte Infrastr ructure SuperstructureLibrary Superstructure MOF OCL XMI Classes Composite Structures Common Behaviours State Components Activities Interactions UseCases Machines Deployments Actions 6.5

6 Die UML-Spracharchitektur Infrastructure- Klasse M3 Class Meta-Metamodell OO- Urkonzepte (MOF) M3- Klassen M2 UML-Metamodell UML- Konzepte Attribute Class type Operation InstanceSpecification M2- Klassen M1 Bordkarte +flugnummer:string «snapshot» b: Bordkarte +flugnummer= LH801 Modell Modellkonzepte M1- Klassen +gültig():boolean M0 Abstraktion (Realisierung in z.b. C++) VMT- Bordkarte Fkt-Eintrittspunkt Fkt.Code b flugnummer [Adr] Zeiger LH801 M0- Klassen 6.6

7 UML-Modifikationen (Aufbau eigener Sprachen) im Prinzip kann unter Verwendung von UML ein eigenes Metamodell (für eine DSL) aufgebaut werden Wege, UML zu erweitern a) direkte Erweiterung des UML-Metamodells: Einführung weiterer Metaklassen, die von UML-Metaklassen erben b) Profil-Mechanismus Achtung: beide Ansätze erlauben es aber nicht, Teile der UML auszublenden das komplette UML-Metamodell M steht im Hintergrund, das nur mit OCL in der Instanziierung eingeschränkt werden kann 6.7

8 a) direkte Erweiterung des UML-Metamodells Resultat: ein erweitertes UML-Metamodell führt zu einer erweiterten UML-Sprache (UML*) in einem UML*-Modell lässt sich nun MyMetaClass benutzen UML::Class Interface «instanceof» MOF::Classifier generalisize MyMetaClass «instanceof» «instanceof» A «MyMetaClass» Beispiel «Interface» Beispiel Achtung: Ansatz funktioniert für jede MOF-basierte Sprache (z.b. UML, ) aber ohne Tool-Unterstützung (da neue Sprache!!!) 6.8

9 b) Profile und Stereotype Definition einer Stereotype als Extension (nur für UML erlaubt) im Kontext eines Profils Name des Profils (restriktives UML) bei Hinzunahme von OCL-Constraints «metaclass» UML::Class «stereotype» MyDSL::NewConcept transactional: boolean «MyDSL::NewConcept» ProfilName::Beispiel {transactional= true} Einschränkung in der Erweiterung: Reduktion auf Attribute (Tagged Values) ) Vorteil: kann Erweiterung mit UML-Tool vornehmen und Profil über spezielle Pakete benutzen bleibendes Problem: Grafik für spezielle Symbole 6.9

10 b) Profile und Stereotype Beispiel: SDL als UML-Profil context <zugehöriges UML-Konzept> {active= true} «metaclass» UML::Class Boolean active «stereotype» SDL::Process... «SDL::Process» ProfilName::Beispiel {...} Vorteil: kann UML-Tool zur Beschreibung und Analyse von SDL-Modellen benutzen (falls SDL als Einschränkung des UML-Metamodells beschreibbar ist) 6.10

11 4. UML-Überblick 1. Historie von UML 2. Modellierungselemente von UML im Überblick 3. UML-Diagrammarten 4. Diagrammrepräsentationen in UML 5. Zum UML- und OCL-Standard 6. Beispiel: UML-Klassendiagramm

12 Einordnung von OCL im UML-Standard UML-Vollsprache (Meta-Modell) UML-Kernsprache (Meta-Modell) M Superstruktur Infrastruktur OCL Diagramm - austausch OCL ist eine textuelle Sprache Empfehlung der OMG zur Formulierung von 1. Randbedingungen/Einschränkungen 2. Anfragen 3. Aktionen 4. Navigationen in Form von Annotationen OCL basiert auf Prädikatenlogik (1.Stufe) und Mengentheorie in einer (weitgehend) intuitiven Syntax prinzipiell ist aber jede andere Sprache als Alternative in UML zulässig (inkl. natürliche Sprachen) 6.12

13 OCL- Einsätzfälle Definition von - Invarianten für Klassen u. Typen - Invarianten für Stereo-Typen - Vor- und Nachbedingungen für Operationen - Wächterbedingungen - Ziele (Zielmengen) von Nachrichten und Aktionen - Constraints von Operationen - Ableitungsregeln von Attributen Navigationsbeschreibung g (im Objektmodell) - Anfragesprache ab UML 1.3: Built-In-Nutzung zur - Definition von Well-Formedness Rules für - Invarianten und - Metaklassen in der Abstrakten Syntax der Sprache Präzisierung von UML-Modellen Präzisierung der UML-Sprach- definition 6.13

14 OCL als funktionale Spezifikationssprache OCL wurde ursprünglich als eigene Technik entwickelt - inzwischen Teil des OMG-Standards für UML OCL als Spezifikationssprache erlaubt, UML-Modelle - näher zu erläutern, durch Bedingungen einzuschränken - Regeln für Ausprägungen und Ausführung zu formulieren u. deren Konsistenz überprüfbar zu machen OCL ist eine funktionale Sprache zur Bildung von Ausdrücken über - sowohl OCL- als auch - UML-Daten OCL-Ausdrücke mit Kunst/Tricks der Zusammenführung - lassen keine Seiteneffekte zu (Konsequenz: auch nur Query-UML-Operationen erlaubt) - sind Prädikate, logische Bedingungen/Vergleiche - werden einzeln gebildet und ausgewertet und nicht als Gesamtprogramm, (auch nicht die, die nur für ein Diagramm gelten sollen) 6.14

15 Ausdrucksberechnung Operanden Werte von Container- und Standard-Typen Objekte eines Typs Ausführungsreihenfolge von links nach rechts Ergebnis nach ausgeführter Berechnung ist ein Wert oder Objekt eines Typs Bestimmung von Nachfolgern des resultierenden Objektes mittels Attribut oder Member-Funktion oder Navigation über bestehende Assoziationen 6.15

16 Mächtigkeit von OCL-Ausdrücken Anwendung vordefinierter Operationen (Standardbibliothek) insbesondere für Kollektionen Teilmengen- und Projektionsbildungen, Zusammenfassungen, All- und Existenz-Quantoren für Iterationen mit Möglichkeit einer kombinierten und rekursiven Anwendung dazu mehr 6.16

17 Zusammenfassung: OCL-UML-Zusammenhang (1) OCL-Ausdrücke sind getypt wichtige Eigenschaft der Typkonformität Typ legt fest, welche Operationen der zugeordneten Werte/Objekte erlaubt sind Typhierarchie legt fest, welche polymorphen Ersetzungen erlaubt sind und welche nicht aus: OCL-Standard OCL ist eine getypte Sprache Zusammenhang zu UML: jeder UML-Classifier entspricht dem OCL-Typ OclAny (Supertyp) OclAny-Operationen sind anwendbar auf alle entspr. UML-Objekte Paradoxon Die Metaklasse von OclAny (AnyType) ist aber eine Spezialisierung von UML-Classifier (also entgegengesetzt!) auf ein OclAny-Ausdruck dürfen nun auch Operationen von Classifier angewendet werden 6.17

18 Zusammenfassung: OCL-UML-Zusammenhang (2) OCL-Standard instanceof OclVoid konform zu allen Typen UML-Standard OclInvalid konform zu allen Typen nur eine Instanz: null OclType liefert Eigenschaften eines UML-Typs OclElement in Form Templatevon Strings Parameter (interpretierbar in OCL) OclAny konform zu OCL- Typen ohne Collection und UML-Typen (bietet allg. Operationen) OclMessage liefert Eigenschaften von UML-Signalen und Operationen in Form von Strings (interpretierbar in OCL) 6.18

19 OCL-Kollektor-Typen Set = union intersection - including excluding symmetricdifference flatten asset asorderedset asbag assequence select reject collectnested ested sortedby T Bag = union intersection including excluding flatten asset asorderedset asbag assequence select reject collectnested sortedby T ~ z.b. UML-Typ T select reject, exists forall iterate isunique any one collect Collection size includes excludes count includesall exludesall isempty sum product OrderedSet append prepend insert suborderedset at??? first last select reject collectnested t sortedby T T Sequence = union flatten append prepend insert subsequence at index first last including excluding asset asorderedset asbag assequence select reject collectnested sortedby 6.19 T

20 UML-Kernsprache UML-Vollsprache (UML-Meta-Modell) UML-Kernsprache Superstruktur Infrastruktur OCL Diagramm - austausch Kernsprache (mit konkreter Syntax) definiert Class als (Klasse) Generalisierung (Vererbung) Assoziationen mit Rollen, Multiplizitäten Verbindung von UML-Classifier mit OCL-Typ-Konzept p Zusammenhang zu UML: jeder UML-Classifier entspricht einem OCL-Typ OclAny als abstrakter Basistyp Mit der Kernsprache ist man in der Lage, die Sprache UML in Form eines Metamodells zu definieren 6.20

21 Aufbau und Einordnung der UML-Sprachdefinition EMF (ECLIPSE) MOF-Standard UML-Meta-Metamodell UML-Standard UML-Metamodell (Superstructure) ECORE Essential MOF Complete MOF Infrastructure Superstructure OC L Diagra ammusch austau Allgemeine Vorteile der Bausteinstruktur r Erhöhung der Modularität Parallelisierung der Arbeit an den Sprachkonzepten (mit gewissen Integrationsaufwand) weitere Unterstrukturen (Pakete) zum Abgleich mit anderen Standards Metamodell-basierte UML-Sprachdefinition MOF-orientiert (4-Ebenen, objektorientiert: Klasse mit Attributen und Operationen, Referenz, Assoziation, Paket) Meta-Metamodelle (für UML, OCL, CWM, ) ist MOF MOF hat keine Notation, ti bedient sich deshalb einer UML-Kernsprache (Infrastructure) t ECORE ist das Meta-Metmodell von EMF und identisch mit EMOF (Essential MOF) Infrastructure (interpretiert Projekt auf Erdbebenfrühwarnung M2-Ebene) ist u.a. das Meta-Metamodell von UML 6.21

22 Die UML-Spracharchitektur Infrastructure- Klasse M3 Class Meta- Meta- modell Urmodell (MOF) M3- Klassen M2 Attribute Class type Operation InstanceSpecification UML- Metamodell M2- Klassen M1 Modell Bordkarte +flugnummer:string «snapshot» b: Bordkarte +flugnummer= LH801 M1- Klassen +gültig():boolean M0 System (in C++) VMT- Bordkarte Fkt-Eintrittspunkt Fkt.Code b flugnummer [Adr] Zeiger LH801 M0- Klassen 6.22

23 Modell, Metamodell, Metamodellhierarchie Definition: Ein Modell (model) ist eine Sammlung von Objekten und Links (Modellelemente), die ein reales oder abstraktes System beschreiben. Ein Metamodell (metamodel) ist ein Modell, das zur Beschreibung anderer Modelle verwendet wird. Die Modelle, die durch das Metamodell beschrieben werden, sind ihre Instanzen und das Metamodell ist ihr Typ. Eine Metamodellhierarchie ist ein Baum von Modellen, die über InstanzVon- Beziehungen verknüpft sind. Eine Modellschicht (model layer) beschreibt alle (Meta-)Modelle mit dem gleichen Abstand zu dem Wurzel-Metamodell in der Metamodell-Hierarchie. Jede Schicht wird mit Namen und Nummer bezeichnet. Bezeichnung M mit Nummern 0..3 wird von MOF vorgegeben und in UML verwendet (M0 wird durch Modellierungsframeworks nicht unterstützt) MOF-Instanziierungsemantik Eine M1-Element-Instanz ist ein Wert, dessen Typ durch ein M2-Element-Instanz einer M3-Klasse beschrieben ist. 6.23

24 UML-MetamodellMetamodell (Kernkonzepte der Superstructure) Konkrete Metaklassen 6.24

25 Allgemeine Vorteile von Metamodellen prägnanter, präziser als natürliche Sprache (entsprechend der abstrakten Syntax textueller Sprachen) Basis zur Überprüfung der semantischen Korrektheit Grundlage zur Verwaltung von Modellen in Repositories diagrammübergreifend lebenszyklusübergreifend zielsprachenunabhängig werkzeugunabhängig einheitliches itli h Austauschformat t da alle auszutauschenden Modelle Instanzen des einen Metamodells sind objektorientierte Metamodelle können nachträglich leicht erweitert werden durch Spezialisierung und Re-definition UML macht davon Gebrauch (Kern Vollsprache Profile DSLs) 6.25

26 4. UML-Überblick 1. Historie von UML 2. Modellierungselemente von UML im Überblick 3. UML-Diagrammarten 4. Diagrammrepräsentationen in UML 5. Zum UML- und OCL-Standard 6. Beispiel: UML-Klassendiagramm

27 partner ProgrammPartner kundenanzahl: Integer {ordered} BonusProgramm aufnehmen(k: Kunde) ServiceStufe aktuellergrad programm Mitgliedschaft 0..1 BonusKonto karte Kunde name: String titel: String geburtstag: Datum geschlecht: Geschlecht alter(): Integer besitzer karten KundenKarte punkte:integer gültig: Boolean name: String angebot gültigab: Datum plus(i:integer) minus(i:integer) gültigbis: Datum Service * istleer(): Boolean farbe: enum {silber, gold} bedingung: Boolean verfügbar druckname: String pluspunkte: Integer transaktionen karte minuspunkte: Integer beschreibung: String Transaktion punkte: Integer datum: Datum transaktionen transaktionen programm(): Datum BonusProrgramm now programm(): liegtvor(d: Datum):Boolean BonusProrgramm liegtnach(d: Datum):Boolean Minus Plus =(d: Datum): Boolean 6.27

28 partner ProgrammPartner kundenanzahl: Integer {ordered} BonusProgramm aufnehmen(k: Kunde) ServiceStufe aktuellergrad programm Mitgliedschaft 0..1 BonusKonto karte Kunde name: String titel: String geburtstag: Datum geschlecht: Geschlecht alter(): Integer besitzer karten KundenKarte punkte:integer gültig: Boolean name: String angebot gültigab: Datum plus(i:integer) minus(i:integer) gültigbis: Datum Service * istleer(): Boolean farbe: enum {silber, gold} bedingung: Boolean verfügbar druckname: String pluspunkte: Integer transaktionen karte minuspunkte: Integer Transaktion beschreibung: String punkte: Integer datum: Datum transaktionen programm(): transaktionen Datum BonusProrgramm now programm(): liegtvor(d: Datum):Boolean BonusProrgramm liegtnach(d: Datum):Boolean =(d: Datum): Boolean Minus Plus 11 konkrete Klassen 1 abstrakte Klasse 1 Generalisierung 6.28

29 partner BonusProgramm aufnehmen(k: Kunde) Navigation jedes ProgrammPartner Kunde-Objekt hat mit karten Zugriff auf KundenKarte-Objekt(e) kundenanzahl: Integer aktuellergrad jedes KundenKarte-Objekt {ordered} hat mit besitzer Zugriff auf Kunde-Objekt(e) ServiceStufe angebot Service bedingung: Boolean pluspunkte: Integer minuspunkte: Integer beschreibung: String Datum name: String now programm(): liegtvor(d: Datum):Boolean BonusProrgramm liegtnach(d: Datum):Boolean =(d: Datum): Boolean * verfügbar transaktionen Minus programm Mitgliedschaft 0..1 BonusKonto punkte:integer plus(i:integer) minus(i:integer) istleer(): Boolean transaktionen Transaktion punkte: Integer datum: Datum programm(): BonusProrgramm karte Kunde name: String titel: String geburtstag: Datum geschlecht: Geschlecht alter(): Integer besitzer karten KundenKarte gültig: Boolean gültigab: Datum gültigbis: Datum farbe: enum {silber, gold} druckname: String transaktionen Plus karte 6.29

30 partner BonusProgramm aufnehmen(k: Kunde) Navigation jedes ProgrammPartner Kunde-Objekt hat mit karten Zugriff auf KundenKarte-Objekt(e) kundenanzahl: Integer aktuellergrad programm jedes KundenKarte-Objekt {ordered} hat mit besitzer Zugriff auf KundenKarte-Objekt(e) ServiceStufe BonusKonto angebot name: String Mitgliedschaft 0..1 punkte:integer plus(i:integer) minus(i:integer) istleer(): Boolean Objektmengenkardinalität ein Kunde-Objekt Service * kann bedingung: gleichzeitig Boolean 0 oder verfügbar beliebig viele Karten besitzen (karten pluspunkte: ist damit Integer eine Referenz auf eine transaktionen Menge/Feld/ minuspunkte: Integer Transaktion Ein KundenKarte-Objekt beschreibung: String hat genau ein Kunde-Objekt punkte: Integer als besitzer datum: Datum Standardannahme! transaktionen programm(): Datum now programm(): liegtvor(d: Datum):Boolean BonusProrgramm liegtnach(d: Datum):Boolean =(d: Datum): Boolean Minus karte Kunde name: String titel: String geburtstag: Datum geschlecht: Geschlecht alter(): Integer besitzer karten KundenKarte gültig: Boolean gültigab: Datum gültigbis: Datum farbe: enum {silber, gold} druckname: String karte (1) UML benutzt Collection als Template über einen Basistyp (hier KundenKarte) als transaktionen BonusProrgramm Typkonstruktor (2) Collection besitzt eine Menge vordefinierter Operationen Plus 6.30

31 partner ProgrammPartner kundenanzahl: Integer BonusProgramm aufnehmen(k: Kunde) programm Navigation aktuellergrad jedes Objekt von Kunde {ordered} hat mit programm Zugriff auf BonusProgramm-Objekt(e) ServiceStufe BonusKonto punkte:integer jedes name: String angebot BonusProgramm-Objekt plus(i:integer) hat mit kunde Zugriff auf Kunden-Objekt(e) minus(i:integer) Service * bedingung: Boolean pluspunkte: Integer minuspunkte: Integer beschreibung: String Objektmengenkardinalität Datum now programm(): liegtvor(d: Datum):Boolean BonusProrgramm liegtnach(d: Datum):Boolean =(d: Datum): Boolean verfügbar transaktionen Minus Mitgliedschaft 0..1 istleer(): Boolean transaktionen Transaktion punkte: Integer datum: Datum programm(): BonusProrgramm karte Kunde name: String titel: String geburtstag: Datum geschlecht: Geschlecht alter(): Integer besitzer karten KundenKarte gültig: Boolean gültigab: Datum gültigbis: Datum farbe: enum {silber, gold} druckname: String karte Standardannahme: transaktionen kleingeschriebener i Klassenname, falls expliziter Rollenname fehlt Plus 6.31

32 partner ProgrammPartner kundenanzahl: Integer BonusProgramm aufnehmen(k: Kunde) programm Mitgliedschaft Assoziationsklasse aktuellergrad 0..1 karte Mitgliedschaft beschreibt {ordered} die Beziehung zwischen BonusProgramm und Kunde näher (aber abstrakt) ServiceStufe BonusKonto punkte:integer jede name: String angebot konkrete Beziehung zwischen BonusProgramm-Objekt und Kunde- plus(i:integer) Objekt minus(i:integer) wird durch Service ein Objekt von Mitgliedschaft * charakterisiert istleer(): Boolean (kann als Klasse Attribute und Operationen besitzen!) bedingung: Boolean pluspunkte: Integer minuspunkte: Integer beschreibung: String Datum now programm(): liegtvor(d: Datum):Boolean BonusProrgramm liegtnach(d: Datum):Boolean =(d: Datum): Boolean verfügbar transaktionen Minus transaktionen Transaktion punkte: Integer datum: Datum programm(): BonusProrgramm Kunde name: String titel: String geburtstag: Datum geschlecht: Geschlecht alter(): Integer besitzer karten KundenKarte gültig: Boolean gültigab: Datum gültigbis: Datum farbe: enum {silber, gold} druckname: String transaktionen Plus karte 6.32

33 partner ProgrammPartner kundenanzahl: Integer {ordered} BonusProgramm aufnehmen(k: Kunde) ServiceStufe aktuellergrad programm Mitgliedschaft 0..1 BonusKonto karte Kunde name: String titel: String geburtstag: Datum geschlecht: Geschlecht alter(): Integer besitzer karten KundenKarte punkte:integer gültig: Boolean name: String angebot gültigab: Datum plus(i:integer) minus(i:integer) gültigbis: Datum Service * istleer(): Boolean farbe: enum {silber, gold} bedingung: Boolean verfügbar druckname: String pluspunkte: Integer transaktionen Assoziationsklasse karte minuspunkte: Integer Transaktion jede beschreibung: konkrete Beziehung String zwischen BonusProgramm-Objekt punkte: Integer und Kunde-Objekt wird durch ein Objekt von Mitgliedschaft charakterisiert datum: Datum jede konkrete transaktionen transaktionen DatumMitgliedschaft wird durch programm(): BonusProrgramm - now (genau) eine KundenKarte-Objekt (karte), programm(): liegtvor(d: - null oder Datum):Boolean ein BonusKonto-Objekt (bonuskonto), BonusProrgramm liegtnach(d: - genau ein Datum):Boolean ServiceStufe-Objekt (aktuellergrad) =(d: bestimmt Datum): Boolean Minus Plus 6.33