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19.5.2009 Eingebettete Systeme Qualität und Produktivität Prof. Dr. Holger Schlingloff Institut für Informatik der Humboldt Universität und Fraunhofer.

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Präsentation zum Thema: "19.5.2009 Eingebettete Systeme Qualität und Produktivität Prof. Dr. Holger Schlingloff Institut für Informatik der Humboldt Universität und Fraunhofer."—  Präsentation transkript:

1 19.5.2009 Eingebettete Systeme Qualität und Produktivität Prof. Dr. Holger Schlingloff Institut für Informatik der Humboldt Universität und Fraunhofer Institut für Rechnerarchitektur und Softwaretechnik

2 Folie 2 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme 19.5.2009 War wir bislang hatten 1. Einführungsbeispiel (Mars Polar Lander) 2. Automotive Software Engineering Domänen-Engineering Modellbasierte Entwicklung 3. Anforderungsdefinition und -artefakte Lastenheft TSG Ziele und Szenarien Strategien 4. Modellierung physikalische Modellierung Anwendungs- und Verhaltensmodellierung Berechnungsmodelle

3 Folie 3 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme 19.5.2009 physikalische Modellierung 1. Identifikation der relevanten Umgebungsgrößen 2. Repräsentation durch mathematische Variablen 3. Eigenschaften / Relationen der Variablen festlegen 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)

4 Folie 4 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme 19.5.2009 Beispiel Sitzkontrolle im TSG Bewegung des Sitzes in einer Achse soll über einen Sitztaster mit drei Tasterstellungen gesteuert werden in einer Achse soll über einen Sitztaster mit drei Tasterstellungen gesteuert werden wird der Taster betätigt, soll der Sitz in die entsprechende Richtung bewegt werden; bei Erreichen der jeweiligen Endposition soll die Bewegung unterbrochen werden eine weitere Bewegung in diese Richtung soll erst wieder möglich sein, nachdem der Sitz per Taster in die entgegen gesetzte Richtung zurückgefahren wurde Modellierung Taster: {vorwärts, losgelassen, rückwärts} Sitzmotor: {enger, aus, weiter} Positionssensor: {minimum, normal, maximum} Fahrer, Sitz Steuerung

5 Folie 5 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme 19.5.2009 UML Zustandsdiagramme parallele, hierarchische Automaten mit gemeinsamen Variablen synchrone Kommunikation über Ereignisse Transitionsbeschriftungen: (Ereignis, Bedingung, Aktion) s´s event [condition] / reaction

6 Folie 6 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme 19.5.2009

7 Folie 7 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme 19.5.2009 Physikalisches Umgebungsmodell Benutzer kann Taster vorwärts oder rückwärts betätigen (ev_vor, ev_rueck) Taster loslassen (ev_los) Sitz wenn der Sitz genügend lange enger gestellt wird, erreicht er irgendwann die Minimalposition wenn der Sitz genügend lange weiter gestellt wird, erreicht er irgendwann die Maximalposition Sitzposition ist Funktion von Zeit und Motor in reelle Werte mit Zustandsdiagrammen nur unzureichend modellierbar! (nichtdeterministischer Übergang oder globale Variable)

8 Folie 8 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme 19.5.2009 Modell der Steuerung (später!) überwacht: ev_t_vor, ev_t_rueck, ev_t_los; ev_p_min, ev_p_max gesteuert: ev_weiter, ev_enger, ev_stop;

9 Folie 9 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme 19.5.2009 Beispiel Füllstandsregelung informelle Anforderungen: Wenn f < min, Zulauf einschalten Wenn f > max, Zulauf ausschalten Stellvertretend für Heizungsthermostat, Batterieladegerät, Dämmerungslicht, … Füllstandsanzeiger Zulauf Ablauf max min VariableTypBeschreibung Werteber eichEinheit Bemerku ng fmFüllstand0-100mm zcZulauf0-1 prozentuale Öffnung a Ablauf0-1 nicht zugänglich minkonstantMinimalfüllstand86mm maxkonstantMaximalfüllstand95mm

10 Folie 10 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme 19.5.2009 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

11 Folie 11 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme 19.5.2009 im Beispiel Randbedingungen 0 f(t) h 0 < f(t) < h f´(t)= k 1 *z(t) – k 2 *a(t) Steuerfunktionalität als Klauseln f(t) min z(t) = 1 f(t) max z(t) = 0 als partielle Funktion 1 falls f(t) min z(t) = 0 falls f(t) max undef sonst als Abbildung C ={(f(t), z(t)) | (f(t) min z(t) = 1) (f(t) max z(t) = 0)} Füllstandsanzeiger Zulauf Ablauf max min

12 Folie 12 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme 19.5.2009 Trajektorienbereiche intendierte, erlaubte und verboten t

13 Folie 13 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme 19.5.2009 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 und Ventil ist auf Füllstandsanzeiger Zulauf Ablauf max min

14 Folie 14 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme 19.5.2009 Parnas 4-Variablen-Modell Die Systemspezifikation darf nur die nach außen sichtbaren Größen (überwachte und gesteuerte Variablen) verwenden! interne Variablen der Regelung versteckt, interne Zustände nicht sichtbar Implementierungsfreiheit

15 Folie 15 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme 19.5.2009 Modi 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

16 Folie 16 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme 19.5.2009 diskrete Modellierung statt Zustandsübergängen betrachten wir Übergänge von einem Modus in einen anderen Im Beispiel Umgebungszustand=Füllhöhe f(t) Modalpartitionierung={A:f(t) min, B:min { "@context": "http://schema.org", "@type": "ImageObject", "contentUrl": "http://images.slideplayer.org/215123/1/slides/slide_15.jpg", "name": "Folie 16 H.", "description": "Schlingloff, Eingebettete Systeme 19.5.2009 diskrete Modellierung statt Zustandsübergängen betrachten wir Übergänge von einem Modus in einen anderen Im Beispiel Umgebungszustand=Füllhöhe f(t) Modalpartitionierung={A:f(t) min, B:min

17 Folie 17 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme 19.5.2009 propositionale Modellierung In jedem Modus können gewisse Konditionen (engl. Condition: Aussage, Proposition) zutreffen oder auch nicht Def. Kondition (condition): 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 Steuerfunktionalität als temporale Formeln leer z voll z

18 Folie 18 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme 19.5.2009 Ablaufbeschreibung 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) Überprüfung solcher Abläufe und Vergleich mit der vorgegebenen Soll-Funktionalität

19 Folie 19 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme 19.5.2009 Benutzungs- und Umgebungsmodell Ereignisse werden durch (menschliche) Benutzer oder (natürliche) Umgebung ausgelöst Benutzer drückt Aus-Knopf Widerstandssensor zeigt Maximalwert Verschiedene Arten der Modellierung Benutzungsmodell - Anwendungsfalldiagramme (Use Cases) UML Notation zur Beschreibung von Nutzungsverhalten, spezifiziert (Namen von) Akteure und Aktionen sowie deren Aufrufbeziehung Ablauf der Aktionen wird schablonenartig anhand konkreter Szenarien beschrieben (textuell oder mit Sequenz- oder Aktivitätsdiagrammen) Aktionen Events Methodenaufrufe Umgebungsmodell - verschiedene Berechnungsmodelle

20 Folie 20 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme 19.5.2009 Marwedels Models of Computation http://ptolemy.berkeley.edu/

21 Folie 21 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme 19.5.2009 Your Toy Modelling Language?


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