12.5.2009

Eingebettete SystemeQualität und Produktivität

Prof. Dr. Holger SchlingloffInstitut für Informatik der Humboldt Universität

undFraunhofer Institut für Rechnerarchitektur und Softwaretechnik

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War wir bislang hatten

1. Einführungsbeispiel (Mars Polar Lander)

2. Automotive Software Engineering3. Anforderungsdefinition, Lastenheft TSG4. Modellbasierte Entwicklung Automotive5. Requirements Artefakte: Ziele und

Szenarien Strategien, Physikalische Modellierung

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Anforderungsartefakte

• Pohl klassifiziert drei Arten von Artefakten:

Ziele Szenarien

Lösungsorientierte Anforderungen(Strategien)

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Ziele und Szenarien

• Def.: (Pohl) Ein Ziel ist die intentionale Beschreibung eines charakteristischen Merkmals des zu entwickelnden Systems bzw. des zugehörigen Entwicklungsprozesses Formulierung von Zielen Schablonen und Tools zur Verwaltung

• Def.: Ein Szenario beschreibt ein konkretes Beispiel für die Erfüllung bzw. Nichterfüllung eines oder mehrerer Ziele. Es konkretisiert dadurch eines oder mehrere Ziele. Ein Szenario enthält typischerweise eine Folge von Interaktionsschritten und setzt diese in Bezug zum Systemkontext. Formulierung von Anwendungsfällen mit Sequenz- und

Aktivitätsdiagrammen Modelltransformationen

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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?

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Drei Perspektiven von Strategien

• Struktur Art und Zusammensetzung von Daten, Attributen,

Relationen typisch: ER-Diagramme, Objekt- und Klassendiagramme

• Funktion Transformation der Daten durch das System typisch: Datenflussdiagramme

• Verhalten Zustände und Zustandsänderungen des Systems;

Reaktionen auf Stimuli typisch: Zustandsübergangsdiagramme

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Einschätzung von Strategien

• Diagramme werden später behandelt (Stichwort modellbasierte Entwicklung) Struktur-, Funktions- und Verhaltensdiagramme können

in Programmiersprachencode übersetzt werden• Strategieorientierte Anforderungsdefinitionen

legen einen Lösungsweg nahe (Einschränkung des Lösungsraums) Schritt hin zu einer Implementierung Interaktion Anforderungsteam – Entwicklerteam ungeeignet zur Formulierung von Zielen und Szenarien wichtiger Schritt bei der Lösungsfindung

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Integration von Modellsichten

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Physikalische Modellierung

• Wdh.: Eingebettetes System kennzeichnende Merkmale

- fester Bestandteil eines technischen Systems- Zweckbestimmtheit (im Gegensatz zum Universalrechner)- Interaktion mit Umgebung durch Sensorik und Aktuatorik- Reaktivität, meistens Realzeitabhängigkeit

sekundäre Merkmale- oft für Regelungs- / Steuerungsaufgaben vorgesehen- häufig Massenware, Konsumgut, billig („Kommodität“)- vielfach schlecht bzw. nicht wartbar und nicht erweiterbar- für viele unverzichtbar, manchmal auch sicherheitskritisch- zunehmend auch vernetzt (ubiquitär)

• Wesentlich: Interaktion mit realer Welt (physikalischer Umgebung) Wie wird diese Interaktion beschrieben?

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Systematik: Erstellung des Lastenheftes

1. Identifikation der relevanten Umgebungsgrößen physikalische Eigenschaften: Masse, Druck, Temperatur,

… gewünschte Benutzungsschnittstelle: Schalter, Displays,

Interaktionsformen2. Repräsentation durch mathematische Variablen

wichtig: Verbindung zwischen Variablen und ihrer Bedeutung genau dokumentieren!

(z.B. Länge in m, mm oder in)3. Eigenschaften der Variablen festlegen

mögliche Wertebereiche, Randbedingungen Relationen zwischen den Variablen

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überwachte und geregelte Variablen

• Die relevanten Variablen sind im Allgemeinen zeitabhängig Funktionen über der Zeit! Zustand: Wert aller Funktionen zu einem gegebenen

Zeitpunkt Trajektorie: Veränderung des Zustandes in der Zeit

• Festlegung: überwachte und geregelte Variablen („monitorierte“ und „kontrollierte“ Größen) geregelte Variable: Wert wird von der Regelung

eingestellt überwachte Variable: Wert beeinflusst das

Systemverhalten Achtung: manche Umgebungsgrößen sind beides! Realzeitsystem: Uhrzeit ist überwachte Größe

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Parnas‘ 4-Variablen-Modell• Entstanden um 1990 zur Spezifikation der Anforderungen an das

Flugzeug A-7, des Avionics System des Flugzeugs C-130J, und andere

• Erweitert zur „Consortium Requirements Engineering (CoRE) methodology“

• Vier Arten von Variablen Monitored variables (MON) („überwacht“) Controlled variables (CON) („geregelt“) Input variables (INPUT) Output variables (OUTPUT)

• Vier Arten von Relationen natürliche Umgebungsbedingungen

(NAT) Systemanforderungen (REQ) Relation der Monitored Variablen

zu den Input Variablen (IN) Relation der Output Variablen

zu den Controlled Variablen (OUT)Bildquelle: http://shemesh.larc.nasa.gov/fm/papers/ExtendingTheFourVariableModel.pdf

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das einfachste Beispiel

• informelle Anforderungen: Wenn f < min, Zulauf einschalten Wenn f > max, Zulauf ausschalten

• Stellvertretend für Heizungsthermostat, Batterieladegerät, Dämmerungslicht, …

Füllstandsanzeiger

Zulauf

Ablauf

max

min

Variable Typ BeschreibungWertebereich Einheit

Bemerkung

f m Füllstand 0-100 mm  

z c Zulauf 0-1   prozentuale Öffnung

a   Ablauf 0-1   nicht zugänglich

min konstant Minimalfüllstand 86 mm  

max konstant Maximalfüllstand 95 mm  

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Festlegung in Systemspezifikation

• Randbedingungen von der Natur oder vom Auftraggeber vorgegeben

- z.B. physikalische Beschränkungen- z.B. Altsysteme, zu beachtende Restriktionen etc.

Verantwortlichkeit des Auftraggebers!• Steuerfunktionalität

Abbildung von überwachten in gesteuerte Größen i.A. mehrdeutig, relational; Definitionsbereich von

Randbedingungen eingeschränkt, Wertebereich gibt zulässige Trajektorien an

Verantwortlichkeit des Systemingenieurs

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im Beispiel

• Randbedingungen 0 f(t) h 0 < f(t) < h f´(t)= k1*z(t) – k2*a(t)

• Steuerfunktionalität als Klauseln

f(t) min z(t) = 1f(t) max z(t) = 0

als partielle Funktion 1 falls f(t) min

z(t) = 0 falls f(t) max undef sonst

als AbbildungC ={(f(t), z(t)) | (f(t) min z(t) = 1) (f(t) max z(t) = 0)}

FüllstandsanzeigerZulauf

Ablauf

maxmin

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Trajektorienbereiche

• intendierte, erlaubte und verboten

t

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im Beispiel

• Zulauf sei kontinuierlich regelbar (0 z(t) 1); der Füllstand sollte möglichst nahe an max gehalten werden intendiertes Verhalten: je näher der Füllstand bei

max ist, desto mehr wird der Zulauf geschlossen erlaubtes Verhalten: voller Zulauf bis max erreicht

wird, dann zu (ruiniert auf Dauer das Ventil) verboten: max wird irgendwann überschritten

FüllstandsanzeigerZulauf

Ablauf

maxmin

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Black-Box-Sicht

• Die Systemspezifikation darf nur die nach außen sichtbaren Größen (überwachte und gesteuerte Variablen) verwenden! interne Variablen der Regelung versteckt, interne

Zustände nicht sichtbar Implementierungsfreiheit

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mathematische Verhaltensbeschreibung

• Wdh.: Zustand = Wert aller relevanten Variablen zu einem gegebenen Zeitpunkt Zustand der Umgebung ist für das System (nur)

durch überwachte Variablen gegeben Systemzustand setzt sich aus überwachten,

gesteuerten und internen Variablen zusammen Ein Realzeitsystem (Zeit ist überwachte Größe)

kehrt niemals in den selben Zustand zurück• Modus (engl.: mode)

Menge von „äquivalenten“ Zuständen• Modalpartitionierung (mode class)

Partitionierung der Menge der Zustände in Modi

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• statt Zustandsübergängen betrachten wir Übergänge von einem Modus in einen anderen

• Im Beispiel Umgebungszustand=Füllhöhe f(t) Modalpartitionierung={A:f(t)min,

B:min<f(t)<max, C:f(t)max} mögliche Moduswechsel: AB, BC, CB, BA

• Beschreibung von Modi? In jedem Modus können gewisse Konditionen

(engl. Condition: Aussage, Gegebenheit, Proposition) zutreffen oder auch nicht

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• Def. Kondition: boolesche Funktion über der Zeit, die mit Hilfe von Umgebungsvariablen definiert ist Beispiel: voll(t) = f(t)max, leer(t) = f(t)min

• Def. Ereignis (event): Umschalten einer oder mehrerer Konditionen , : Schalten auf wahr bzw. auf falsch Beispiel: voll(7): max wird zum Zeitpunkt 7 erreicht

• Def. Historie: Folge von Ereignissen Für jeden konkreten Systemablauf gibt es genau eine Historie endliche Variabilität: In jedem endlichen Zeitabschnitt

passieren nur endlich viele Ereignisse (non-Zeno-Eigenschaft)• Der Modus eines Systems wird durch den

Anfangszustand und die Historie eindeutig bestimmt Beispiel: voll(7), voll(9), leer(13), leer(16)