ESE Fachwissen
Modellbasiertes Vorgehen bei Echtzeitanforderungen
Autoren: Arne Noyer, Padma Iyenghar, Elke Pulvermüller, Universität Osnabrück; Joachim Engelhardt, Jürgen Kreyßig, Ostfalia Hochschule; Jonas Diemer, Symtavision; Michael Uelschen, Hochschule Osnabrück
Beitrag - Embedded Software Engineering Kongress 2015
Beim Embedded Software Engineering gehören Zeitanforderungen zu den wichtigsten nicht-funktionalen Anforderungen. Deshalb sind spezialisierte Werkzeuge erforderlich, die das Zeitverhalten eines realisierten Embedded Software-Systems analysieren und validieren können. Unabhängig davon nimmt die modellbasierte Softwareentwicklung weiter an Bedeutung zu, um die steigende Komplexität der Embedded Software zu beherrschen. Etabliert haben sich als Modellierungssprachen u.a. die Unified Modeling Language (UML) und Matlab/Simulink. Es ist auch möglich, Zeitverhalten für Modell-Elemente zu definieren. Darüber hinaus ist es immer noch von Vorteil, Anforderungen in spezialisierten Werkzeugen für das Anforderungsmanagement zu verwalten. Es wird ein Workflow zur Integration von Zeitanforderungen von der Spezifikation bis zur Validierung präsentiert. Dieser schließt die Lücken zwischen den unterschiedlichen Entwurfsdomänen.
Einleitung
Eingebettete Systeme werden zunehmend für unterschiedliche Einsatzzwecke verwendet. Dabei müssen diese immer mehr Funktionen übernehmen, die oft auch voneinander abhängen. Dies resultiert in einer steigenden Komplexität der Softwareentwicklung für solche Systeme. Eine häufig verwendete Herangehensweise zur Beherrschung der Komplexität ist der Einsatz von modellbasierter Softwareentwicklung. Neben anderen Sprachen hat sich hier die Unified Modeling Language (UML) [1] als Standard etabliert. Das Spezifizieren von Anforderungen ist dennoch essenziell.
Für das Anforderungsmanagement werden zumeist spezielle Werkzeuge wie DOORS [2] und Polarion [3] eingesetzt. Anforderungen an das Zeitverhalten können hier ebenfalls bereits textuell und/oder durch selbst definierte Attribute erfasst werden. Um entlang des gesamten Softwareentwicklungsprozesses sicherstellen zu können, dass die Anforderungen berücksichtigt werden, ist die Verfolgbarkeit von Anforderungen essenziell. Nur so kann gewährleistet werden, dass sämtliche Anforderungen umgesetzt werden und bei deren Änderungen analysiert wird, welche zugehörigen Modellelemente angepasst werden müssen (Impact Analyse).
Über das textuelle Erfassen von Zeitanforderungen hinaus können diese jedoch auch in Modellen weiter spezifiziert werden, indem z.B. direkt für eine modellierte Operation hinterlegt wird, wie lang ihre maximale Ausführungszeit sein darf. Darüber hinaus lassen sich über Modelle weitere Aspekte wie Tasks mit ihrer Periode, Priorität und Ausführungszeiten modellieren sowie Operationen den Tasks zuordnen. Zur Modellierung solcher Eigenschaften kommen hier spezialisierte Werkzeuge wie SymTA/S [4] zum Einsatz, mit denen sich das Zeitverhalten einer Software analysieren und validieren lässt. Zeiteigenschaften können jedoch auch in anderen Modellierungssprachen wie der UML erfasst werden. Damit solche Modelle konsistent mit denen in Analysewerkzeugen sind, ist auch hier die Verfolgbarkeit von Elementen von großer Bedeutung. Auch die Synchronisierung von Daten spielt hier eine wichtige Rolle.
Im Folgenden wird anhand eines Beispiels vorgestellt, wie Anforderungen an das Zeitverhalten mit UML-Modellen synchronisiert und wie Zeiteigenschaften in UML weiter beschrieben und anschließend mit einem Analysewerkzeug validiert werden.
Verfolgen von Zeitanforderungen
In Abbildung 1 (siehe PDF) sind Anforderungen an ein Teilsystem für einen Akkuschrauber in einem Anforderungsmanagement-Werkzeug dargestellt. Dabei wurden Zeitanforderungen nicht nur textuell erfasst, sondern in dem zusätzlich definierten Attribut Boundary konkrete Werte für Zeitschranken beschrieben.
Die Software, die die Anforderungen realisiert, wurde modellbasiert mit einem UML-Werkzeug entwickelt. Um Anforderungen in Anforderungsmanagement-Werkzeugen mit UML-Elementen zwecks Verfolgbarkeit in Beziehung zu setzen, gibt es verschiedene Ansätze, wie z.B. das Gateway für Rational Rhapsody [5]. Da vorhandene Lösungen oft proprietär für bestimmte Werkzeuge sind, wurden im Projekt die Anforderungen mit dem standardisierten Requirements Interchange Format (ReqIF) [6] zwischen dem Anforderungsmanagement- und dem UML-Werkzeug synchronisiert. Der Ablauf zum Austausch der Anforderungen wird in Abbildung 2 (siehe PDF) visualisiert.
Im Anforderungsmanagement-Werkzeug wurden sowohl ein Lastenheft als auch ein Pflichtenheft erfasst. Das Pflichtenheft wurde anschließend nach ReqIF exportiert und daraufhin mittels eines dafür eigens entwickelten Mechanismus in das UML-Format konvertiert und importiert. Beim Import in UML wird für jedes Anforderungsdokument aus ReqIF jeweils ein UML-Package erstellt, welches die im Dokument enthaltenen Anforderungen enthält. Die verschiedenen Arten dieser Anforderungen werden über UML-Stereotypen dargestellt, die Inhalte/Eigenschaften über Tagged Values erfassen (siehe Abbildung 3, PDF). Diese Repräsentation der Anforderungen aus ReqIF in UML ermöglicht nun, dass Beziehungen zwischen UML-Elementen und Anforderungen erstellt werden können. Zum Erstellen von Beziehungen werden im UML-Werkzeug UML-Dependencys verwendet.
Abbildung 4 (siehe PDF) zeigt diese Beziehungen zwischen UML-Elementen und Anforderungen. Darüber hinaus wurden hier schon Zeiteigenschaften weiter spezifiziert, was durch verschiedene Stereotypen und TaggedValues zu sehen ist.
Um die Beziehungen auch in Anforderungsmanagement-Werkzeugen sichtbar zu machen, wurde ein Verfahren entwickelt, das diese Beziehungen im UML-Modell analysiert und die zu einer Anforderung in Beziehung gesetzten UML-Elemente zurück ins ReqIF überführt. Die ReqIF-Datei kann anschließend zurück ins Anforderungsmanagement-Werkzeug importiert werden. Abbildung 5 (siehe PDF) zeigt, wie Repräsentationen für UML-Elemente und deren Beziehungen im Anforderungsmanagement-Werkzeug dargestellt werden. Dieser Prozess ermöglicht eine vollständige Verfolgbarkeit zwischen Anforderungen und UML-Elementen in beiden Richtungen.
Modellbasiertes Spezifizieren von Zeitverhalten
In Abbildung 4 (siehe PDF) ist bereits zu sehen, dass das Zeitverhalten in UML näher spezifiziert wurde. Hierzu wurde das UML-Profil zum Modeling and Analysis of Realtime and Embedded Systems (MARTE) [7] verwendet. Durch den Stereotyp SaStep des Profils werden u.a. Ausführungszeiten für Operationen erfasst. Darüber hinaus wurden Details für die Ziel-Plattform modelliert, wie in Abbildung 6 (siehe PDF) zu sehen ist. Die Ziel-Plattform enthält hier drei Tasks (Stereotyp: SchedulableResource), die mit unterschiedlicher Periodizität ausgeführt werden und verschiedene Ausführungszeiten besitzen. Die Operationen sind diesen Tasks zugeordnet, und die Tasks wiederum sind einem CPU-Core (Stereotyp: SaExecHost) zugeordnet, der ebenfalls modelliert und für den ein Scheduling-Mechanismus definiert wurde.
Zusätzlich zur Plattform wurden mit UML/MARTE ebenfalls Ausführungspfade modelliert, wie in Abbildung 7 (siehe PDF) dargestellt ist. Der Ausführungspfad gibt an, welche Operationen (Runnables) in welcher Reihenfolge in einem Szenario ausgeführt werden, für das später das Zeitverhalten geprüft werden soll. Außerdem sind hier ebenfalls die Ausführungszeiten für die Operationen zu sehen. Über den Stereotyp SaEndToEndFlow wurde die maximal erlaubte Ausführungszeit für den gesamten Pfad definiert.
Validierung von Zeitanforderungen
Um das modellierte Zeitverhalten analysieren zu können, wurden Modelltransformationen zwischen dem UML-Format und dem Analysewerkzeug SymTA/S [4] durchgeführt. Die Vorgehensweise hierzu zeigt Abbildung 8 (siehe PDF). Dabei ist es von Vorteil, wenn auch Analyseergebnisse zurück ins UML-Modell übertragen werden, damit ein UML-Entwickler dort direkt an betreffenden Elementen überprüfen kann, ob das Zeitverhalten gültig ist.
Neben weiteren Analyse-Methoden unterstützt SymTA/S die Durchführung von Scheduling-Analysen. Das Ergebnis solch einer Analyse kann zur Übersicht wie in Abbildung 9 (siehe PDF) visualisiert werden.
Ein Tortendiagramm zeigt die Auslastung einer CPU (siehe Abbildung 10, PDF). Im Beispiel beträgt die Gesamt-Auslastung der CPU 84%, so dass die Zeiteigenschaften von den modellierten Tasks eingehalten werden können. Das Analyseergebnis kann in UML erneut über Stereotypen und Tagged Values sichtbar gemacht werden. Beim modellierten Core im UML-Modell wurde der hierfür speziell geeignete Stereotyp SaExecHost verwendet.
Synchronisierung von Zeiteigenschaften zwischen unterschiedlichen Modellierungsdomänen
Neben der UML gibt es weitere Modellierungssprachen, die zur Systembeschreibung eingesetzt werden. Gerade im Bereich der eingebetteten Systeme ist Matlab/Simulink [8] weit verbreitet. Zeitanforderungen lassen sich hier jedoch nicht unmittelbar eingeben. Für eine Machbarkeitsstudie zum Umgang dieses Problems wurde zunächst eine einfache Zeitanalyse eines Matlab/Simulink-Modells durch das Zeitanalyse-Werkzeug SymTA/S angestrebt. Dazu sollten Runnables und Tasks in Simulink angegeben werden können sowie Periode und Core Execution Time (CET) einer Runnable als Zeitanforderungen für eine Analyse. Zur Eingabe dieser Daten in das Simulink-Modell wurde eine benutzerdefinierte Maske mit den Werten Period und CET(min, max) erstellt, die auf Matlab Sub-System-Blöcke angewendet werden kann.
Abbildung 11 (siehe PDF) zeigt die Steuerung eines Akkuschraubers. Operationen werden in Subsystem-Blöcke gruppiert, die hier als runnable 1 und runnable 2 zu sehen sind. Für die Zeitanalyse werden diese Blöcke dann als Runnable interpretiert, die darin enthaltenen Operationen als Tasks. Mit der Eingabemaske können Period und CET für das jeweilige Runnable spezifiziert werden.
Zeiteigenschaften können also in ReqIF, UML und Matlab Simulink hinterlegt werden. In realen Projekten sind diese Informationen tatsächlich oft in mehreren Modellen vorzufinden. Um die Verfolgbarkeit in jeder Domäne für sich zu gewährleisten, erfordern die bisher vorgestellten Mechanismen redundante Informationen. Automatische Modelltransformationen erleichtern dabei zwar die Übertragung der Information zwischen den Domänen, es liegt jedoch das Problem nahe, dass Änderungen an diesen Informationen in andere Domänen propagiert werden müssen.
Derzeit wird in einem Forschungsprojekt ein Verfahren entwickelt, wie Zeiteigenschaften über verschiedene Domänen hinweg synchronisiert, verfeinert und bereits auf Modellebene validiert werden können. Dazu werden die vorgestellten Mechanismen zur Verfolgbarkeit genutzt und erweitert, um die Datenwerte werkzeugübergreifend korrekt abzugleichen. Wie am Beispiel von Simulink zu sehen ist, kann nicht jede Domäne die Verfolgbarkeits-Beziehungen direkt erfassen. Dazu soll ein zentrales Repository die Abhängigkeiten zwischen den verschiedenen Zeiteigenschaften speichern. Über definierte Schnittstellen sollen dann werkzeugspezifische Erweiterungen diese Informationen sowie weitere Hinweise wie Analyseergebnisse aus diesem Repository abrufen können.
Zusammenfassung
Es wurde anhand eines Beispiel-Projektes gezeigt, wie (Zeit-)Anforderungen über das standardisierte Requirements Interchange Format (ReqIF) zwischen Anforderungsmanagementwerkzeugen und UML synchronisiert werden können. Anschließend wurde das Zeitverhalten mittels dem MARTE-Profil in UML näher beschrieben. Informationen aus dem UML-Modell wurden daraufhin per Modelltransformation in ein Analysewerkzeug überführt, so dass dort Analysen für das Zeitverhalten durchgeführt werden konnten. Der Prozess ermöglicht, dass frühzeitig während der Entwicklung Zeiteigenschaften beschrieben und validiert werden können. Ein iteratives Anwenden des Ablaufes ist dabei empfehlenswert.
Es wurde gezeigt, dass die Anbindung weiterer Werkzeuge teilweise aufwändiger ist. Ein aktuelles Forschungsprojekt zielt auf noch engere Kollaboration von verschiedenen Domänen bei der Bewältigung von komplexen Zeitanforderungen.
Literaturverzeichnis
[1] Object Management Group, "UML Spezifikation 2.5" 2015 [Online]
[2] IBM, "IBM Rational DOORS" 2014 [Online]
[3] Polarion Software, "Polarion" 2014 [Online]
[4] Symtavision GmbH, "SymTA/S and Traceanalyzer" [Online]
[5] IBM, "Managing requirements with Rhapsody Gateway and DOORS" [Online]
[6] Object Management Group, "Requirements Interchange Format (ReqIF)" 2013 [Online]
[7] Object Management Group, "UML Profile For MARTE: Modeling And Analysis Of Real-Time Embedded Systems" 2011 [Online]
[8] MathWorks, "Matlab/Simulink" 2015 [Online]
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