4.11.2005 Software-Engineering II Eingebettete Systeme, Softwarequalität, Projektmanagement Prof. Dr. Holger Schlingloff Institut für Informatik der Humboldt.

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1 4.11.2005 Software-Engineering II Eingebettete Systeme, Softwarequalität, Projektmanagement Prof. Dr. Holger Schlingloff Institut für Informatik der Humboldt Universität und Fraunhofer Institut für Rechnerarchitektur und Softwaretechnik

2 Folie 2 H. Schlingloff, Software-Engineering II 4.11.2005 Übersicht 0. Einleitungsbeispiel (Mars Polar Lander) 1. Eingebettete Systeme 1.1. Definitionen (eingebettetes System, Realzeit, Prozess, Steuerung, …) 1.2. Anforderungsanalyse - allgemeine Vorgehensweise - Beispiel Türsteuergerät - systematische Ansätze

3 Folie 3 H. Schlingloff, Software-Engineering II 4.11.2005 TSG-Sitz: Verhaltensbeschreibung (1) Generell: Die Sitzeinstellung kann nur verwendet werden, wenn das entsprechende Konfigurationsbit gesetzt ist. Ein Verstellen der Sitzposition über die Sitztaster ist nur möglich, wenn die dem TSG zugeordnete Vordertür geöffnet ist (F_OFFEN = 1). Das Verstellen der Sitzposition über das Benutzermanagement (betrifft nur Fahrerseite) ist auch bei geschlossener Tür möglich. Die Sitzposition wird entweder entsprechend der vom Benutzermanagement gesendeten Positionsangaben oder den Sitztasten eingestellt. Dabei gilt das Prinzip, dass immer die zuletzt benutzte Taste (Benutzermanagement oder Sitztaste) die Bewegung des Sitzes bestimmt. Ist die Batteriespannung BATT während der Sitzverstellung kleiner als 10V, so werden die Sitze nicht bewegt bzw. wird die Sitzbewegung abgebrochen. Statt dessen wird die Meldung B_LOW_SITZ = 1 generiert.

4 Folie 4 H. Schlingloff, Software-Engineering II 4.11.2005 TSG-Sitz: Verhaltensbeschreibung (2) Bewegung des Sitzes: Zur Bewegung des Sitzes werden die in Tabelle 3 (Seite 19) angegebenen Spannungen auf die Sitzmotoren gelegt. Die Bewegung wird solange durchgeführt wie Ist–Wert und Soll–Wert nicht übereinstimmen (bei Anfahren einer Sitzposition über das Benutzermanagement) bzw. die Sitztasten gedrückt werden (bei Verstellen der Sitzposition über die Sitztasten) und der Wert der Sitzposition keine Unterbrechung erkennt. Bewegung über Sitztasten: Bei der Verwendung der Sitztasten können maximal zwei Bewegungsrichtungen gleichzeitig verwendet werden. Wird während der Sitzverstellung über die Sitztasten eine Taste des Benutzermanagements gedrückt, so wird die Sitzverstellung über Tasten abgebrochen und die Sitzverstellung über das Benutzermanagement begonnen. Bewegung über Benutzermanagement: Die Sitzverstellung über das Benutzermanagement ist nur möglich, solange die Fahrzeuggeschwindigkeit (FZG V) kleiner als 5 km/h ist. Überschreitet die Fahrzeuggeschwindigkeit 5 km/h, so wird die Sitzbewegung sofort abgebrochen.

5 Folie 5 H. Schlingloff, Software-Engineering II 4.11.2005 TSG-Sitz: Verhaltensbeschreibung (3) Es sind zwei Fälle zu unterscheiden: Fall 1: (Auswahl einer Einstellung über Benutzermanagementtaste) In diesem Fall ist anzunehmen, dass der Fahrer bereits auf dem Fahrersitz sitzt. Um die Bewegung so angenehm wie möglich zu gestalten, sind folgende Regeln bei der Ansteuerung der Sitzposition zu beachten: Zuerst werden die Bewegungen durchgeführt, die eine Entspannung der Sitzposition zur Folge haben, d.h. das Vergrößern der Entfernung Sitz–Lenkrad, das Flacher–Stellen des Lehnenwinkels, das Absenken der Sitzfläche (vorne und hinten) sowie das Öffnen der Schalung. Anschließend werden die entgegengesetzten Bewegungen durchgeführt. Es dürfen zu einer Zeit maximal zwei Richtungen gleichzeitig bewegt werden. Dabei gilt die Reihenfolge Entfernung Sitz–Lenkrad, Lehnenwinkel, Schalung, Sitzfläche vorne, Sitzfläche hinten.

6 Folie 6 H. Schlingloff, Software-Engineering II 4.11.2005 TSG-Sitz: Verhaltensbeschreibung (4) Fall 2: (Auswahl einer Einstellung über Funksender) In diesem Fall soll die gewünschte Sitzposition so schnell wie möglich eingenommen werden. Dazu werden alle Sitzmotoren gleichzeitig angesteuert. Fehler: Wird während der Ansteuerung eines Sitzmotors über den Zeitraum von 1 sec. keine Änderung des entsprechenden Positionswerts beobachtet, so wird die Ansteuerung des Motors beendet und der Fehlercode 0x31 in den Fehlerspeicher eingetragen. Timeout: Wird ein Timeout der CAN–Botschaft FGZ_V erkannt, so wird der Fehlereintrag 0x14 gesetzt. Für die weitere Arbeitsweise des TSG wird angenommen, dass die Geschwindigkeit 10 km/h beträgt, bis die CAN–Botschaft wieder vorliegt.

7 Folie 7 H. Schlingloff, Software-Engineering II 4.11.2005 TSG: Weitere Bestandteile der Spec Form und Belegung der Stecker Charakteristik (Mechanik und Elektrik) der Taster Beschreibung der Beleuchtungs- elemente und Motoren Bussysteme (CAN-B) und –Signale Elektrische und mechanische Spezifikation Betriebsspannung, Stromverbrauch, Ruhestrom Gehäuseabmessungen, Befestigungspunkte Speicher Daten im Permanentspeicher Fehlerspeicher Prüfroutinen (BIST)

8 Folie 8 H. Schlingloff, Software-Engineering II 4.11.2005 Und jetzt wieder zum Elfenbeinturm In der Praxis werden solche Dokumente aus bereits vorhandenen Vorlagen durch Änderung einzelner Teile erstellt. Unsystematische Vorgehensweise Mischung vieler Belange Möglichkeit von Auslassungsfehlern Requirements-Management-Systeme unterstützen die Aufschreibung und Verfolgung von Anforderungen (Hyperlinks) unterstützen nicht die systematische Erstellung und die formale Semantik von Anforderungen

9 Folie 9 H. Schlingloff, Software-Engineering II 4.11.2005 Systematik: Erstellung des Lastenheftes 1. Identifikation der relevanten Umgebungsgrößen physikalische Eigenschaften: Masse, Druck, Temperatur, … gewünschte Benutzungsschnittstelle: Schalter, Displays, Interaktionsformen 2. 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

10 Folie 10 H. Schlingloff, Software-Engineering II 4.11.2005 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

11 Folie 11 H. Schlingloff, Software-Engineering II 4.11.2005 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 VariableTypBeschreibung Werteber eichEinheit Bemerku ng fmFüllstand0-100mm zcZulauf0-1 prozentuale Öffnung a Ablauf0-1 nicht zugänglich minkonstantMinimalfüllstand86mm maxkonstantMaximalfüllstand95mm

12 Folie 12 H. Schlingloff, Software-Engineering II 4.11.2005 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

13 Folie 13 H. Schlingloff, Software-Engineering II 4.11.2005 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

14 Folie 14 H. Schlingloff, Software-Engineering II 4.11.2005 Trajektorienbereiche intendierte, erlaubte und verboten t

15 Folie 15 H. Schlingloff, Software-Engineering II 4.11.2005 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 Füllstandsanzeiger Zulauf Ablauf max min

16 Folie 16 H. Schlingloff, Software-Engineering II 4.11.2005 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

17 Folie 17 H. Schlingloff, Software-Engineering II 4.11.2005 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

18 Folie 18 H. Schlingloff, Software-Engineering II 4.11.2005 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: A B, B C, C B, B A Beschreibung von Modi? In jedem Modus können gewisse Konditionen (engl. Condition: Aussage, Gegebenheit, Proposition) zutreffen oder auch nicht

19 Folie 19 H. Schlingloff, Software-Engineering II 4.11.2005 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)