Autor: Dr. Klaus Birken, itemis AG<\/p>\n
Die Gretchenfrage des Embedded-Ingenieurs: L\u00e4uft die Software auf der Hardware, ohne diese zu sprengen? Die Software muss alle erforderlichen Funktionen umsetzen und dabei die Hardware optimal ausnutzen. Die Wirtschaftlichkeit des Produkts wird haupts\u00e4chlich von den Hardware-Kosten bestimmt; dies gilt besonders f\u00fcr Produkte, die in hohen St\u00fcckzahlen hergestellt und verkauft werden.<\/strong><\/p>\n In diesem Beitrag werden eine Methode und ein zugeh\u00f6riges Tool vorgestellt, mit denen diese Interaktion von Hardware und Software modelliert und simuliert werden kann. Dies kann im Entwicklungsprozess bereits dann geschehen, wenn es noch keine Prototypen gibt und die Software-Implementierung ebenfalls noch in der Zukunft liegt. Egal, welche \u00c4nderungen der Systemingenieur am Modell seiner Software oder Hardware vornimmt – das Tool zeigt deren Auswirkungen direkt und live. Somit wird eine interaktive, spielerische Art des Systementwurfs m\u00f6glich.<\/strong><\/p>\n Heutige Embedded-Produkte sind reich an Features und Funktionen. Die daf\u00fcr n\u00f6tige System-Architektur, Software-Architektur und auch die eigentliche Implementierung werden dadurch immer komplexer und herausfordernder f\u00fcr Architekten und Entwickler. Bereits zu einem sehr fr\u00fchen Zeitpunkt w\u00e4hrend der Entwicklung ist eine der Kernfragen, ob das geplante Hardware-Design leistungsf\u00e4hig genug ist, um alle Software-Szenarien abzudecken. Wenn man im sp\u00e4teren Verlauf der Entwicklung feststellt, dass die verbaute Hardware nicht ausreicht, um bestimmte Produktfeatures umzusetzen, gibt es im besten Fall nur noch wenige, kostspielige M\u00f6glichkeiten zur Rettung des Projekts. Dazu z\u00e4hlen Streichen von Features, aufwendige Software-Optimierungen oder Aufr\u00fcsten der Hardware.<\/p>\n In M\u00e4rkten, die von hohen St\u00fcckzahlen bestimmt werden, ist die obige Frage umso interessanter und dr\u00e4ngender. Dort h\u00e4ngt der betriebswirtschaftliche Gewinn ma\u00dfgeblich von den Hardwarekosten pro St\u00fcck (sog.\u00a0bill of material<\/em>) ab, was zu der Tendenz f\u00fchrt, das Hardware-Design bereits im Vorfeld sehr knapp auszulegen. Gleichzeitig ist es in diesen M\u00e4rkten meist schwierig, die Hardware kurzfristig zu \u00e4ndern. Somit potenziert sich obiges Problem.<\/p>\n Wie k\u00f6nnen Architekten und Systemingenieure die Sicherheit erh\u00f6hen, dass Software- und Hardware-Design zusammenpassen, bevor das System fertig implementiert ist? Ein sehr \u00fcblicher Ansatz ist es, Erfahrung aus Vorprojekten zu extrapolieren, d.h. das \u00fcber Jahre aufgebaute Know-how intuitiv oder systematisch auf neue Projekte anzuwenden. Dabei kommen meist generische Tools wie Excel-Tabellen zum Einsatz, um Performance, Ressourcenauslastung und Timing f\u00fcr die aufwendigsten Use-Cases des neuen Produkts abzusch\u00e4tzen.<\/p>\n Dieses Vorgehen ist stark abh\u00e4ngig von der F\u00e4higkeit und Erfahrung der beteiligten Ingenieure. Die Betrachtung der statischen Systemstruktur (d.h. Architektur) reicht nicht\u00a0 aus, um den Ressourcenverbrauch bei dynamischen Abl\u00e4ufen zu bewerten. Daher m\u00fcssen bei einer ad-hoc-L\u00f6sung (z.B. mit Excel-Tabellen) die dynamischen Abl\u00e4ufe in eine Tabellenform gebracht werden; der Entwickler erfindet bei jeder Analyse eine neue Methode. In diesem Beitrag wird eine Alternative zu dieser Vorgehensweise vorgeschlagen: Durch die Kombination aus Modellierung von Software und Hardware zu einem fr\u00fchen Zeitpunkt und dem Einsatz eines Simulationstools wird der Ingenieur in die Lage versetzt, ein lauff\u00e4higes Systemmodell zu erstellen und daran die n\u00f6tigen Analysen durchzuf\u00fchren (sog.\u00a0design space exploration<\/em>).<\/p>\n Die hier beschriebene Methodik und das zugeh\u00f6rige Tool er\u00f6ffnen folgende Analyse-M\u00f6glichkeiten:<\/p>\n Die obigen M\u00f6glichkeiten schlie\u00dfen dabei immer die Software-Seite ebenso wie die Hardware-Seite ein.<\/p>\n Abb. 1 (siehe\u00a0PDF<\/a>) zeigt die Interaktion mit einem ausf\u00fchrbaren Modell: Durch die h\u00f6here Abstraktionsebene des Modells (d.h. es wird kein Code simuliert, sondern ein abstraktes modelliertes Verhalten) kann die Simulation bei jeder Modell\u00e4nderung ausgef\u00fchrt werden. Damit werden die Auswirkungen von Designentscheidungen sofort sichtbar, sowohl bei Software- als auch bei Hardware-\u00c4nderungen. Bei der Arbeit mit einem realen Embedded-System dauert es meist mehrere Minuten, bis die Auswirkung einer Software-\u00c4nderung sichtbar wird; Hardware-\u00c4nderungen k\u00f6nnen \u00fcberhaupt nur aufwendig in Form von Prototypen bewertet werden.<\/p>\n Damit ein System bereits in der Analysephase so modelliert werden kann, dass es mit Hilfe eines Simulators ausf\u00fchrbar ist, m\u00fcssen geeignete Abstraktionen eingef\u00fchrt werden. Die Hardware wird dabei auf wenige Modellkonzepte reduziert, die jeweils durch einen m\u00f6glichst kleinen Parametersatz modelliert werden:<\/p>\n Die obigen Angaben lassen sich f\u00fcr ein konkretes Modell entweder definieren, aus Vorprojekten extrapolieren oder \u00fcber einfache Benchmarks ermitteln.<\/p>\n Die Softwarestruktur wird als Hierarchie von kommunizierenden Komponenten modelliert. Jede Komponenteninstanz kann einen oder mehrere Abl\u00e4ufe definieren, die von au\u00dfen getriggert werden. Abb. 2 (siehe\u00a0PDF<\/a>) zeigt als Beispiel die Modellierung des Startup-Verhaltens einer MediaServer-Komponente, z.B. aus einem Entertainment-System. Dabei wird f\u00fcr jeden Ablauf eine Folge von Schritten definiert; bei jedem Schritt wird der Ressourcenverbrauch angegeben.<\/p>\n Die hier beschriebene Methodik unterst\u00fctzt auch die Beschreibung von Produktlinien. D.h. die ausf\u00fchrbaren Modelle beschreiben nicht nur ein einzelnes Projekt, sondern eine komplette Produktfamilie oder einen Satz von Produktvarianten. Durch Featuremodelle (siehe Abb. 3,\u00a0PDF<\/a>) kann die Produktlinie strukturiert werden, um bestimmte Aspekte des Modells abh\u00e4ngig von ausgew\u00e4hlten Features einer bestimmten Produktkonfiguration f\u00fcr die Simulation zu steuern. Abb. 4 (siehe\u00a0PDF<\/a>) zeigt dies am Beispiel eines Modellparameters.<\/p>\n Eine wichtige Eigenschaft f\u00fcr die erfolgreiche Nutzung der Methodik ist, dass das verwendete Tool die Ergebnisse der Simulation unmittelbar wieder im Modi darstellt. Dies kann auf unterschiedlichste Arten passieren.<\/p>\n Abb. 5 (siehe\u00a0PDF<\/a>) zeigt, wie Timing-Ergebnisse aus der Simulation als Teil der modellierten Abl\u00e4ufe eingeblendet werden. Erkennt das Tool Probleme im dynamischen Ablauf (z.B. gro\u00dfe Verz\u00f6gerung entlang des kritischen Pfades), werden diese ebenfalls dargestellt. \u00c4ndert der Nutzer den modellierten Ablauf, l\u00e4uft im Hintergrund die Simulation neu, so dass die Timing-Werte immer den aktuellen Stand des Modells wiedergeben.<\/p>\n Abb. 6 (siehe\u00a0PDF<\/a>) zeigt ein Beispiel f\u00fcr ein Diagramm, mit dem der Ingenieur sich eine \u00dcbersicht zum Ablauf eines Szenarios verschaffen kann. Hier ist die Auslastung aller Ressourcen \u00fcber die Zeit dargestellt.<\/p>\n Sofern die Timing- und Performance-Anforderungen des Systems nicht nur textuell (z.B. in DOORS), sondern semi-formal beschrieben wurden, k\u00f6nnen diese gegen die Simulationsergebnisse automatisch validiert werden. Somit wird es m\u00f6glich, f\u00fcr jede Anforderungen sofot anzuzeigen, ob der aktuelle Stand des ausf\u00fchrbaren Modells die Anforderung erf\u00fcllen w\u00fcrde (siehe Abb. 7,\u00a0PDF<\/a>). Falls eine Anforderung nicht erf\u00fcllt wird, werden Informationen angezeigt, welche die weitere Analyse erm\u00f6glichen.<\/p>\n Die obigen Abbildungen (au\u00dfer Abb. 1, siehe\u00a0PDF<\/a>) sind direkte Darstellungen aus dem innovativen Modellierungstool ISE (Integrated Specification Environment), welches die itemis AG seit Januar 2016 im Rahmen des IETS3-Forschungsprojekts entwickelt. Signifikante Teile dieses Tools sind unter einer Open-Source-Lizenz verf\u00fcgbar. Aus den Abbildungen ist erkennbar, dass im ISE-Tool viele verschiedene Notationen im gleichen Modell kombiniert werden k\u00f6nnen, um die Fachkonzepte optimal auszudr\u00fccken. Dazu geh\u00f6ren textuelle und mathematische Notation, Tabellen, Baumstrukturen (z.B. Entscheidungsb\u00e4ume, Feature-Diagramme) und grafische Elemente (z.B. Komponentenhierarchien).<\/p>\n Daf\u00fcr ist eine Toolplattform notwendig, die es erlaubt, verschiedenste Modellierungsaspekte und Notationen flexibel zu kombinieren. F\u00fcr ISE wird die Language Workbench MPS verwendet. MPS (Meta Programming System) ist eine Tool-Entwicklungs-Plattform, die unter Open-Source-Lizenz von der Firma JetBrains entwickelt wird [1]. Die Besonderheit von MPS ist es, anstatt dem (limitierenden) Einsatz von Parsern projizierende Editoren zu verwenden. Dadurch k\u00f6nnen die zugrundeliegenden Objektmodelle auf unterschiedliche Notationen projiziert werden.<\/p>\n Die hier beschriebene Methodik wurde bereits in 2009\/2010 entwickelt und im Bereich der Automotive-Infotainment-Systeme erfolgreich eingesetzt [2]. Die nun erfolgte neue Umsetzung auf Basis der MPS-Plattform schafft toolseitig m\u00e4chtige M\u00f6glichkeiten, die den Architekten bzw. Entwickler eines Embedded-Systems bef\u00e4higen, bereits zu einem sehr fr\u00fchen Zeitpunkt ein tiefgreifendes Verst\u00e4ndnis f\u00fcr die dynamischen Abl\u00e4ufe des Systems und damit f\u00fcr das Zusammenspiel von Hard- und Software aufzubauen.<\/p>\n [1]\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 MPS (Meta Programming System) Homepage: https:\/\/www.jetbrains.com\/mps.<\/p>\n [2]\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 K. Birken, D. H\u00fcnig, T. Rustemeyer, R. Wittmann:\u00a0Resource analysis of Automotive\/Infotainment systems based on domain-specific models – a real-world example<\/em>. In: Leveraging Applications of Formal Methods, Verification, and Validation, Volume 6416 of Lecture Notes in Computer Science pp 424-433, Springer, Heidelberg, 2010.<\/p>\n Beitrag als PDF downloaden<\/strong><\/a><\/p>\n Wollen Sie sich auf den aktuellen Stand der Technik bringen?<\/strong><\/p>\n Dann informieren Sie sich\u00a0hier<\/strong>\u00a0<\/a>zu Schulungen\/ Seminaren\/ Trainings\/ Workshops und individuellen Coachings von MircoConsult zum Thema Modellierung \/Embedded- und Echtzeit-Softwareentwicklung.<\/p>\n Training & Coaching zu den weiteren Themen unseren Portfolios finden Sie\u00a0hier<\/a>.<\/strong><\/p>\n Wertvolles Fachwissen zum Thema Modellierung \/Embedded- und Echtzeit-Softwareentwicklung steht\u00a0hier<\/strong>\u00a0<\/a>f\u00fcr Sie zum kostenfreien Download bereit.<\/p>\nEntwicklung von Embedded Software und Systemen<\/h2>\n
Ziele der Simulation von Systemmodellen<\/h2>\n
\n
Wie werden ausf\u00fchrbare Modelle in der fr\u00fchen Phase modelliert?<\/h2>\n
\n
Modellierung von Produktlinien<\/h2>\n
Wie werden die Ergebnisse von Simulation und Analyse dargestellt?<\/h2>\n
Hintergr\u00fcnde zur Tool-Plattform<\/h2>\n
Vorteile f\u00fcr die Embedded-Praxis<\/h2>\n
Referenzen<\/h2>\n
\nModellierung – MicroConsult Trainings & Coachings<\/h2>\n
\nModellierung – Fachwissen<\/h2>\n