UML und SysML im Umfeld von eingebetteten Systemen€¦ · 2 Gliederung Mathematik und Informatik,...

UML und SysML im Umfeld von

eingebetteten Systemen Eine Einführung

Oliver Gesch, Betreuer: Dr.-Ing. Edzard Höfig

Fachbereich Mathematik & Informatik

Donnerstag, 12. Januar 2012

Gliederung

Mathematik und Informatik, UML+SysML, 12.01.2012 Oliver Gesch

1. Motivation

2. Grundlagen

3. UML2

4. SysML

5. Zusammenfassung

1. MOTIVATION

Motivation (1/2)

Allgemein

•Vereinfachung von Teamarbeit

•Systematische Vorgehensweise

•Filtern von Sachverhalten

•Zeitersparnis (UML2Code, Code2UML)

•Wiederverwertbarkeit

Eingebettete Systeme

•Erhöhte Komplexität

•Einhaltung von Normen

•Schnittstelle für Hard- und Softwareentwickler

Motivation (2/2)

Ausführbare Spezifikationen/Modelle

Best-Practice-Verfahren für EB

Verhältnis zur UML Sichtweisen

Aufbau Sichtweisen Lücken

Andreas Korff: „Modellierung von eingebetteten Systemen mit UML und SysML“, Spektrum 2008.

2. GRUNDLAGEN

Grundlagen (1/7)

Ressourcenbeschränkung

Platzbeschränkung

Batteriebetrieb

• Geringe Energiereserven

• Geringe Leistung

kabelloser Kommunikation

• Geringe Datenraten

• Geringe Sendeleistung (Reichweite)

Anwendungsbereiche

• Medizin

• Haushalt

• Verkehrsmittel

• Mobiltelefone

Eingebettete Systeme

Arduino

Grundlagen (2/7)

Beispielsystem MSB-A2 (Modular Sensor Board ARM)

Kategorie: Wireless Sensor Node (WSN)

Domäne: Medizin, Militär, Haushalt, Umweltschutz…

Beispielanwendung: Altersheim (betreutes Wohnen)

Einsatz als ständiger Begleiter der Bewohner.

Kontinuierliche Übertragung von Messdaten an eine

zentrale Sammelstelle. Vorort Diagnose durch LCD-

Display.

Grundlagen (3/7)

Eigenschaften des MSB-A2

• Prozessor: LPC2387 von TI

• ARM CPU

• 512kB Flash Memory

• 96kB RAM

• Max. 76 MHz Taktrate

• Funkchip: CC1100

• max. 500 kBaud

• Sensor: SHT11

• Temperatur- und Feuchtigkeitssensor

• LCD-Display: LCD128B

• µkleos Mikro-Kernel (RTOS mit Threads)

Grundlagen (4/7)

Programmierung

• C immer noch sehr dominant

• Codegenerierung/Reverse Engineering für UML

• modellbasierten System-Codegenerierung (MATLAB/Simulink)

Beschreiben (Bootloader)

• Einmalig (oder von Werk aus) Bootloader brennen

• Flash über PC-Schnittstelle (RS232/USB)

Debugging

• JTAG-Schnittstelle und onboard ICE (In-Cirtcuit-Emulator)

• Softwarenachbildung des Mikrocontrollers

• Ausführbare Modelle (Modelchecking)

Grundlagen (5/7) – The Real-Time Perspective

Systems Engineering

Software Engineering Architekturdesign Feindesign

Software Engineering

Systemanforderungen

definieren

Softwareanforderungen

definieren

Initiale

Objektarchitektur

entwickeln

Initiale

Softwarearchitektur

entwickeln

Softwarearchitektur

finalisieren

Anwendungsfälle im

Detail definieren

Anwendungsfälle

implementieren und

testen

Systemintegrationstest

Systemakzeptanztest

Vollständig und korrekt?

Systems Engineering

Software Engineering Architekturdesign Feindesign

Software Engineering

Systemanforderungen

definieren

Softwareanforderungen

definieren

Initiale

Objektarchitektur

entwickeln

Initiale

Softwarearchitektur

entwickeln

Softwarearchitektur

finalisieren

Anwendungsfälle im

Detail definieren

Anwendungsfälle

implementieren und

testen

Systemintegrationstest

Systemakzeptanztest

Vollständig und korrekt?

Systemtest

•Testergebnisse (Integration, System)

•Änderungsvorschläge

•Benutzerdokumentation

Implementierung und Unit-Test

•Source Code

•Komponenten laut Spezifikation

•Technische Dokumentation

•Unit-Testfälle

•(Zielhardware)

Design

•Systemarchitektur (speziell)

•Domänen

•Schnittstellenspezifikation

•Paket und Komponentenspezifikationen

•Datenmodell

Analyse

•Anwendungsfälle

•Anforderungen und Zusicherungen (System und Software)

•Szenarien

•Physikalische Systemdefiniton (allgemein)

•Entwicklungszeitplan

3. UML – ANFORDERUNGSDEFINITION

UML – Anwendungsfalldiagramme

Temperatur

messen

«primär»

Sensorwerte alle 5

Minuten messen

Digitales

Interface

intialisieren

«include»

use case Sensorwerte messen

System

«sekundär»

Temperatursensor

«primär»

Temperatur

messen

Sensorwerte alle 5

Minuten messen

Digitales Interface intialisieren

«include»

System

Zeit Temperatur-sensor

Temperatur

Grafische Stereotypisierung

Sinnvolle Verwendung

• Leistung des Systems definieren (Nutzerperspektive)

• Kommunikation mit fachfremden Personen

• Verknüpfung der schriftlichen Spezifikation mit dem Modell

Ungeeignet für

• Umsetzung des Systems

• Darstellung von System-Anforderungen

• Methoden/Attribute

Analyse

UML – Zustandsdiagramme

Pseudozustand: (tiefe) Historie

Sensorwerte

state Zustandsdiagramm für das Display mit tiefer Historie

Feuchtigkeit

Temperatur

EvNext/EvNext/aus

EvOff/

EvSensoren/

EvMenu/

«create»/

• Sortieren der Anwendungsfälle

• Ordnung der Interaktionen

• Darstellung von Aktionen Reaktionen

• Systemverhalten modellieren

Ungeeignet für

• Betrachtung der Benutzerschnittstelle

• Darstellung von Systemgrenzen

• Primitive Objekte

Analyse

Design

3. UML – SYSTEMMODELLIERUNG

UML – Paketdiagramm

package Domänenmodell des Sensorknotens

(Sammelstelle)

Sensorknoten

Benutzerschnittstelle

Schaltflächen

Display

Hardware-

Abstraktion

Threads

Sensoren

AblaufsteuerungFunkübertragung

UML – Paketdiagramm

• Identifikation von Domänen

• Schaffung von Namensräumen

• Softwareschichten

• Aufgabenverteilung

Ungeeignet für

• Kompakte Systeme

Design

UML – Aktivitätsdiagramme

activity Demodulierung und Dekodierung

Demodulator«stream»

CarrierWave

Demodulierung und Dekodierung

«stream»

analogDaten FEC Decoder

PHY Packet

«stream»

demodDaten

packetData

Streaming Pins

activity Mengenverarbeitung

PHY Pakete empfangen

IP Handling

PHY_Packet

TCP Reassembly

parallel

IP_Pakete

IP_Paket

TCP Packet

TCP Reassembling

Mengenverarbeitung

• iterativ

• streaming

• parallel

activity Timer

Waiting for TCP ACK

Retransmitting Data

[No ACK]

Zeitsignale und unterbrechebare Bereiche

• Kontrollfluss und/oder

• Objektfluss visualisieren

• Übersichtliche Darstellung auch von komplexen Anwendungsfällen

Ungeeignet für

• Visualisierung von Besitzverhältnissen

• Darstellung der Auslöser/Ereignisse

Design

3. UML 2 ANSI-C

UML – ANSI C

activity FOR CONTINUE

Aktion 1

[Bedingung 1]

C Code:

for (Initialisierung; Bedingung 1; Inkrement)

Aktion 1;

if (Bedingung 2)

continue;

Aktion 2;

[else]

Aktion 2Inkrement

[Bedingung 2]

Initialisierung

UML – ANSI C

class Attribute

AnzahlSockets: intStatus : boolean

SocketAPI

read(in arguments) : chargetID() : int

socketID : int

Socket

pSocket

/* File: .\SocketAPI.h*/

#ifndef __SOCKETAPI#define __SOCKETAPI

#include "Socket.h"

struct SocketAPI{int AnzahlSockets;int Status;struct Socket *pSocket;};

#endif

Include

Struct

Pointer

UML – ANSI C

class A und B

+ Operation(in parameter : long) : short

- InstanzAttribut : Attributtyp+ KlassenAttribut : Attributtyp

KlasseA

- AttrInB : long

KlasseB

RolleAufB

/* File: .\KlasseA.h*/

#ifndef __KLASSEA#define __KLASSEA

#include "KlasseB.h"

struct KlasseA{Attributtyp InstanzAttribut;struct KlasseB rRolleAufB[5];};

extern Attributtyp KlassenAttribut;short Operation(struct KlasseA *this, long parameter);

#endif

/* File: .\KlasseA.c*/

#include "KlasseA.h"

Attributtyp KlassenAttribut;

short Operation(struct KlasseA *this, long parameter){Return 1;}

#endif

Dezidiertes struct als Übergabeelement

3. UML TASK MANAGEMENT UND SYNCHRONISIERUNG

UML – Taskmanagement und Synchronisierung

object RTOS Tasks

Task A Task B Task C

Speicher Prozessor Peripherie

no type Intertaskkommunikation stereotypisiert

asynchron synchron

ohne Daten

mit Daten

Event Flag

Message Queue

Signal

Mailbox

Communication Semaphor

SocketAPI Application

write() recv()

TCP-Payload

Signal() Wait()

Semaphorfunktionen: wait()/signal()

UML – Kommunikationsdiagramme

• Kommunikation und Interaktionen darstellen

• Zeitlicher Ablauf

• Nachrichten visualisieren

Ungeeignet für

• Zeitlich und logisch sehr komplexer Austausch von Nachrichten

Analyse

Design

4. SYSML

SysML – Motivation (1/3)

Systemanforderungen modellieren und analysieren

•Keine Softwarezentrierung

•Geringerer Umfang als UML

Nicht funktionale Anforderungen festhalten

Schnittstelle

•Hardwarentwickler

•Elektrotechniker

•weitere Stakeholder

SysMLErweiterungen

pkg Einbettung der SysML und von SysML-Modellen in UML2

«metamodel»MOF

«metamodel»UML

«metamodel»SysML

«model»Nutzermodell

«modelLibrary»SysML Profile

«instanceOf»

«import»

«instanceOf»

«reuse»

«instanceOf»

activity Timer

Waiting for TCP ACK

Retransmitting Data

[No ACK]

Intervall: 2*RTT

Nicht-funktionale Anforderungen

4. SYSML - SYSTEMANFORDERUNGEN

SysML – Systemanforderungen

class TCP Anforderung

Ein ACK für empfangene Daten muss

innerhalb von 500 ms versendet werden.

S-13.2

«requirement»

ACK versenden

tcp_csum() : bool

sendeACK()

piggybackData()

TCPHandler

Anforderungen

• Name

• ID

• Text

req Zurückverfolgbare TCP Anforderung

S-13.2

«requirement»

ACK versenden

«requirement»

RFC2581

«trace»

TracedTo

«requirement» RFC2581

äquivalente

Semantik

S-13.2

«requirement»

ACK versenden

Nachverfolgbarkeit per «trace»

req TCP Verbindungseigenschaften

«requirement»

Verlässliche und integere TCP Verbindung

«requirement»

TCP Active ACK

«requirement»

Checksum

«requirement»

TCP Retransmit

Bestandteile von Anforderungen

req UDP Integrität

«requirement»

UDP Integrität

«requirement»

UDP Checksum

«requirement»

Checksum

«copy»

Wiederverwertbarkeit von Anforderungen

Temperatur

messen

Sensorwerte alle 5

Minuten messen

Digitales Interface intialisieren

«include»

System

Zeit Temperatur-sensor

Temperatur

Refines

«requirement» Umgebungsprofil aktualisieren

Verfeinern von Anforderungen (in unterschiedlichen Diagrammen)

activity Timer

Waiting for TCP ACK

Retransmitting Data

[No ACK]

Handle Retransmit

Satisfies

«requirement» TCP Retransmit

Nicht-funktionale Anforderungen erfüllen

SysML – Anforderungsdiagramme

• Anforderungen modellieren

• Nichtfunktional

• Funktional

• Nachverfolgbarkeit gewährleisten

Ungeeignet für

• Generische Anforderungen

• Spezifische Umsetzung

• Sehr detailreiche Anforderungen

Analyse

4. SYSML: SYSTEMEIGENSCHAFTEN UND –AUFBAU MODELLIEREN

SysML – Blockdiagramme

bdd Transceiver

flowPorts

Daten : FunkDaten

values

Flashspeicher : KByte = 512

RAM : KByte = 98

maxProzessorTakt : MHz = 72

«block»

LPC2387

Blöcke

•Name

•Werte

•Operationen

•Teile (parts)

•Ports (standard/flow)

•Referenzen

bdd CPU Flussspez.

flowPorts

Daten : FunkDaten

values

RAM : KByte = 98

«block»

LPC2387

flowProperties

in empfangeneDaten : char

out gesendeteDaten : char

«FlowSpecification»

FunkDaten

Flussspezifikationen

• Name

• Flusseigenschaften

bdd WSN

«block»

CC1100«block»

«block»

LPC2387

«block»

LCD128B1

«block»

Antenne

bdd WSN

flowPorts

in out analogDaten : V

values

Sendeleistung : dBm = +10

Frequenzband : MHz = 868

maxDatenrate : kBaud = 500

«block»

CC1100

TR : CC1100

CPU : LPC2387

S : SHT11

LCD : LCD128B

A : Antenne

operations

start()

stop()

übertrageFunkDaten() : char

übertrageUSBDaten() : char

flowPorts

in externeEnergie : Elektrische Energie

in out USBDaten : char

in out NutzDaten : char

in Temperatur : int

in Feuchtigkeit : int

«block»

flowPorts

Daten : FunkDaten

values

RAM : KByte = 98

«block»

LPC2387

values

Energieverbrauch : uW = 80

Ansprechzeit : s = 8

maxTemperatur : °C = 125

minTemperatur : °C = -40

«block»

Operations

writeByte(in wert : Byte) : bool

reset() : bool

values

AnzahlPixel =128*64

Versorgung : mA = 205

«block»

LCD128B

«block»

Antenne

• Visualisierung des physischen Systemaufbaus

• Systemeigenschaften festhalten

• Eigenschaften von Element- und Objektflüssen spezifizieren

Ungeeignet für

• Physische Schnittstellen

• Darstellung von Softwarebestandteilen

Analyse

Design

SysML – Internes Blockdiagramm

ibd WSN

«block»

TR : CC1100

A : Antenne CPU : LPC2387carrierWave

analogDaten

externeEnergie

IF_Services

USBDaten

Steuerdaten

UML – Interne Blockdiagramme

• Visualisierung von physischen und softwarespezifischen Schnittstellen

• Darstellung von Objekt- und Elementflüssen

Ungeeignet für

• Zeit- und Ablaufverhalten

• Nachrichten und Signale

Design

5. ZUSAMMENFASSUNG

Zusammenfassung

• Anwendungsfalldiagramme

• Grafische Stereotypisierung

• Zustandsdiagramme

• Mit flacher Historie

• Mit tiefer Historie

• Paketdiagramme

• Domänen

• Namensräumen

• Aktivitätsdiagramme

• Pins (regulär, Streaming, Mengenverarbeitung)

• Unterbrechungen

• Zeitlimit sowie periodische Timer

• Kommunikationsdiagramme

• Taskmanagement

• Synchronisierung: Semaphore

• Anforderungsdiagramm

• Trace, Copy, Refine, Satisfy

• Hierarchie

• Blockdefinitionsdiagramm

• Parts

• Internes Blockdiagramm

• Ports (regulär, atomar, flow Ports)

VIELEN DANK

QUELLEN

Quellen

• Andreas Korff: „Modellierung von eingebetteten Systemen mit UML

und SysML“, Spektrum 2008.

• WILLER: „Der wahre Nutzen der UML“, 2007.

• ScatterWeb: „MSBA2 Hardwaredokumentation“, CST 2011.

• Matthew Hause: „Successfully Managing An Incremental Real-time

Project“, ARTiSAN Software Tools 1999.

• Alan Moore & Niali Cooling: „Real-Time Perspective: Overview“,

ARTiSAN Software Tools 2000.

• Alan Moore & Niali Cooling: „Real-Time Perspective: Foundation“,

ARTiSAN Software Tools 2000.

• Tim Weilkiens: „OMG SysML für eingebettete Systeme“, OOSE 2008.

• Jerome L. Krasner: „UML for C Developers“, Embedded Market

Forecasters 2005.

Sensorwerte

state Zustandsdiagramm für das Display

Feuchtigkeit

Temperatur

EvNext/EvNext/

EvOn/EvOff/

EvSensoren/

EvMenu/

EvOff/«create»/

Sensorwerte

state Zustandsdiagramm für das Display mit flacher Historie

Feuchtigkeit

Temperatur

EvNext/EvNext/

EvOn/EvOff/

EvSensoren/

EvMenu/

EvOff/«create»/

activity Zeige Sensorwerte

Umwandeln der Rohdaten, bestimmen

der Zeichenkettenlänge und blockweise übertragen[raw]

Sensorwert

Display

Sensorwert Anzeigen

Länge Blöcke

{weight = Länge}

{upperbound = 256}

activity Sprungmarken

Aktion X

activity Zeitsignale

TCP Reassembling

Socket API Handling

TCP_Packet

TCP_Payload

Application Layer Handling

Shutdown

Close TCP Connection

Shutdown TCP Connection

activity periodischer Timer

Prepare TCP Keepalive

Send TCP Keepalive

UML – ANSI C

activity IF-THEN-ELSE

Aktion 1

Aktion 2[else]

[Bedingung]

C Code:

if (Bedingung)

Aktion 1;

Aktion 2;

activity SWITCH

Aktion 1

Aktion 2[1]

C Code:

switch (Variable)

Case (0):

Aktion 1;

break;

Case (1):

Aktion 2;

break;

default:

Aktion 3;

}Aktion 3

[else]

«decisionInput» Variable

UML – ANSI C

activity WHILE

Aktion

[Bedingung]C Code:

while (Bedingung)

Aktion;

[else]

UML – ANSI C

class globales Modul

WSensorNode

+ thread_create(in arguments) : int+ thread_sleep() : void+ thread_wakeup(in arguments) : int

Thread

«use»

/* File: .\WSensorNode.c*/

#include "WSensorNode.h"

#include "Thread.h"

/* File: .\Thread.h*/

#ifndef __THREAD#define __THREAD

int thread_create(arguments);void thread_sleep(void);int thread_wakeup(in arguments);

#endif

Communication Event flag

MainController DisplayTask

Display-Beleuchtung

set()read()

Communication Message Queue

SocketAPI Application

write() recv()

TCP-Payload

Communication Signal

IP Transceiver

wait() setSignal()

PHY-Payload

Communication Mailbox

IP Transceiver

post() pend()

PHY-Payload

req Abgeleitete TCP Anforderung

S-13.2

«requirement»

ACK versenden

Empfangene TCP Pakete müssen aktiv

bestätigt werden.

S-13.0

«requirement»

TCP Active ACK

«derive»

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