Seminar Programmierung Eingebetteter Systeme

Transkript

1 Seminar Programmierung Eingebetteter Systeme Prof. Sabine Glesner Robert Reicherdt Dirk Tetzlaff Daniel Stöhr Paula Herber Marcel Pockrandt Thomas Göthel Franziska Bathelt-Tok Sommersemester 2012

2 Organisation der Veranstaltung Blocktermine: bei Bedarf??? Sprechstunden bei den jeweiligen Betreuern nach Vereinbarung, drei Termine vorgesehen: 1. Vorbesprechung (in der kommenden Woche) 2. Abgabe von Konzept und Gliederung 3. Vorbesprechung des Vortrags (spätestens eine Woche vor dem Blockseminar) Termine per mit dem Betreuer vereinbaren Seminar PES SS2012 2

3 Scheinkriterien Vortrag: 45 min + 15 min Diskussion schriftliche Ausarbeitung: 6 bis 10 Seiten Anwesenheitspflicht bei allen Terminen Seminar PES SS2012 3

4 Hinweise Abgabe der Folien: spätestens eine Woche vor dem Vortrag (in der Sprechstunde des Betreuers) Abgabe der schriftlichen Ausarbeitung: Vorträge werden mit dem Laptop der Arbeitsgruppe gezeigt! Seminar PES SS2012 4

5 And the winner is am Ende des Seminars wählt jeder Seminarteilnehmer seinen Favoriten der beste Vortrag wird prämiert Seminar PES SS2012 5

6 Seminar - Themenübersicht 1. Statische Qualitätssicherung in der modellbasierten Entwicklung Robert 2. Verifikation parametrisierter Systeme Thomas 3. Statische Analyse mittels Maschinellem Lernen Dirk 4. Planen mit Model Checking Daniel 5. Serviceorientierte Integration medizinischer Geräte Franziska 6. Qualitätssicherung für eingebettete Systeme Paula und Marcel Seminar PES SS2012 6

7 Statische Qualitätssicherung in der modellbasierten Entwicklung Robert Reicherdt Seminar PES SS2012 7

8 Statische Qualitätssicherung in Software Engineering der modellbasierten Entwicklung Übertragen von Verfahren für imperative Programmiersprachen Reviews, Model Checking, Abstrakte Interpretation,.. manuelle Reviews verbreitetes Instrument zur QS verbessertes Modellverständnis durch Slicing Programmverifikation Verifikation von Modellen mittels Model Checking oder SMT-Solving Seminar PES SS2012 8

9 Program Slicing entfernen irrelevanter Anweisungen aus einem Program bezüglich eines Programmpunkts & Variablen Abhängigkeitsanalyse Datenabhängigkeiten Kontrollabhängigkeiten Dependence Graphen bestimmen des Slices via Erreichbarkeitsanalyse 1 read(n); 2 i = 1: 3 sum = 0; 4 mul = 1; 5 while( i n) 6 sum = sum + i; 7 mul = mul * i; 8 i = i + 1; 9 write(sum); 10 write(mul); Seminar PES SS2012 9

10 Slicing von endlichen Zustandsautomaten Zustandsautomaten verbreitet bei der Modellierung von eingebetteten Systemen Slicing für Modelle relativ neu Nichtterminierung, Hierarchie, Nebenläufigkeit, Events Slicingverfahren für z.b. UML Statecharts Thema 1: Slicing Hierachical Automata for Model Checking UML Statecharts Thema 2: A Slicer for UML State Machines Extended Finite State Machines Thema 3: Model Projection: Simplifying Models in Response to Restricting the Environment Seminar PES SS

11 Design-by-Contract für Simulink Design-by-Contract für Software: modulare Spezifikation des Programverhaltens: Verträge Spezifikation von Variablen, Vorbedingungen, Nachbedingungen, Invarianten und Seiteneffekten Automatische Prüfung der Verträge z.b. Abbildung auf First Order Logic (Verification Conditions) Suchen von Gegenbeispielen mittels SMT-Solver Thema 4: Contract-Based Verification of Simulink Models Seminar PES SS

12 Verifikation parametrisierter Systeme Thomas Göthel Seminar PES SS

13 Parametrisierte Systeme Systeme sind oftmals für beliebig viele (homogene) Komponenten konzipiert Betriebssystem Datenbus Prozessorarchitekturen Qualitätssicherung muss dem Rechnung tragen Implizit unendlich große Systeme Gewährleistung von Zeitschranken Seminar PES SS

14 Beispielthemen Network Invariants for Real-Time Systems Induktion für zeitbehaftete Automaten Automatische Werkzeuge zum Nachweis von IA und IS Counter Abstraction in the CSP/FDR setting Zählen von Prozessen, die sich in bestimmten Zuständen befinden Schwellwert für obere Grenze des Counters Seminar PES SS

15 Bisimulation on Speed: Software Engineering A Unified Approach Bisimulationen: Vergleich von (zeitbehafteten) Prozessen in einer Prozessalgebra hier: Verallgemeinerung zweier Ansätze zum Vergleich von Prozessen bzgl. Speed 1. Aktionen mit unteren Zeitschranken 2. Aktionen mit oberen Zeitschranken Untersuchung des Zusammenhangs zwischen beiden Ansätzen Seminar PES SS

16 Statische Analyse mittels Maschinellem Lernen Dirk Tetzlaff Seminar PES SS

17 Statische Analyse mittels Maschinellem Lernen (ML) Extraktion Code Features Funktion: Features Verhalten Programme ML Execute Training Phase Profiling Verhalten Compilierungs Phase Programm Extraktion Code Features Verhaltens- Vorhersage Seminar PES SS

18 ML-basierte Optimierung Verhaltensvorhersage von Programmen statische Analysen über-approximieren Profiling teuer und stark datenabhängig Benutzer-Annotation schwer bis unmöglich ML genauer, schnell und automatisch ML-basierte Analysen verwendet z.b. zur Vorhersage von Performanz, Ressourcen-Verbrauch Seminar PES SS

19 Planen mit Model Checking Daniel Stöhr Seminar PES SS

20 Planungstheorie Gegeben: Planungsdomäne (Automat) Planziel (Zielzustand) Gesucht: Aktionsfolge, die vom Start- zum Zielzustand führt Seminar PES SS

21 Planen mit Model Checking Naiver Ansatz: Breiten- oder Tiefensuche Problem: Zustandsexplosion bei großen Systemen Lösung: Anwendung von symbolischem Model Checking Auffaltung der Pfade durch Binary Decision Diagrams (BDDs) Seminar PES SS

22 Serviceorientierte Integration medizinischer Geräte Franziska Bathelt-Tok Seminar PES SS

23 Serviceorientierte Architekturen Plattformunabhängigkeit Service-Komposition Lose Kopplung von Services Seminar PES SS

24 Typische Krankenhaus-IT- Infrastruktur Vielzahl spezialisierter Insellösungen Lokale Datenhaltung Trend hin zu SOAs Seminar PES SS

25 Integration medizinischer Geräte Idee: serviceorientierte Geräteintegration = Kapselung von Geräten in Services Welche Probleme ergeben sich bei der Integration medizinischer Geräte? Kann auf bestehende Verfahren zur Integration von Services zurückgegriffen werden? Welche Standards werden bei der Implementierung von Schnittstellen medizinischer Geräte genutzt? Worin unterscheiden sie sich? Seminar PES SS

26 Qualitätssicherung für eingebettete Systeme Paula Herber Marcel Pockrandt Seminar PES SS

27 Eingebettete Systeme = Steuerung einer (analogen) technischen Umgebung mit digitalen Komponenten Interaktion mit der Hardware oft verteilt und ressourcenbeschränkt, Echtzeitverhalten mϋssen effizient und sicher sein Beim Entwurf eingebetteter Systeme: Flexibilisierung und Optimierung In der Qualitätssicherung: statische Prüfung: Analyse und formale Verifikation dynamische Prüfung: Test und Simulation Seminar PES SS

28 Qualitätssicherung von ES 1. Entspricht die Spezifikation den Anforderungen? liegt das Ergebnis einer Berechnung immer im vorgegebenen Wertebereich? folgt auf Signal a immer irgendwann Signal b? gibt es einen Überlauf? erreicht Signal a Controller C innerhalb von 5 ms? 2. Entspricht die Implementierung der Spezifikation? Ableitung von Testfällen aus der Spezifikation Vergleich des Ausgabeverhaltens ist das System korrekt spezifiziert? ist das System korrekt implementiert? Seminar PES SS

29 Formale Verifikation Ziel: zeigen, dass ein Modell des Systems (Spezifikation) bestimmte Eigenschaften (Anforderungen) erfüllt dreistufiges Vorgehen: 1. Formale Modellierung des Systems 2. Formalisierung gewünschter Eigenschaften 3. Verifikation Anforderungen Anforderungsspezifikation? Formales Systemmodell Seminar PES SS

30 Entscheidungsprozeduren (algorithmische Inferenz) Seminar PES SS

31 Simulation und Testen System unter Test Eingabe- Auswahl spec Ausgabe- Bewertung Seminar PES SS

32 Beispielthemen Entscheidungsprozeduren Theory of equality and uninterpreted functions Theory of bit-vector arithmetics Theory of linear arithmetics Z3: An efficient SMT Solver Real-Time Testing Cope with Complexity of Test Models Test Generation Using Abstract Interpretation Conformance Testing for Timed Systems Seminar PES SS

33 Transformation Seminar PES SS

34 Beispielthemen Formal Memory Models Wie kann man Speicher formalisieren? Welche Einschränkungen muss man dabei in Kauf nehmen? Welche Verifikationstechniken eignen sich für solche Modelle? Sequential Consistency Verhalten sich Programme bei paralleler und sequentieller Ausführung gleich? Wie muss ein System aussehen damit das möglich ist? Wie kann man das verifizieren? Seminar PES SS

35 Seminar - Themenübersicht 1. Statische Qualitätssicherung in der modellbasieren Entwicklung Robert 2. Verifikation parametrisierter Systeme Thomas 3. Statische Analyse mittels Maschinellem Lernen Dirk 4. Planen mit Model Checking Daniel 5. Serviceorientierte Integration medizinischer Geräte Franziska 6. Qualitätssicherung für eingebettete Systeme Paula und Marcel Seminar PES SS