Autoren: Arne Noyer, Padma Iyenghar, Elke Pulverm\u00fcller, Universit\u00e4t Osnabr\u00fcck; Joachim Engelhardt, J\u00fcrgen Krey\u00dfig, Ostfalia Hochschule; Jonas Diemer, Symtavision; Michael Uelschen, Hochschule Osnabr\u00fcck<\/p>\n
Beim Embedded Software Engineering geh\u00f6ren Zeitanforderungen zu den wichtigsten nicht-funktionalen Anforderungen. Deshalb sind spezialisierte Werkzeuge erforderlich, die das Zeitverhalten eines realisierten Embedded Software-Systems analysieren und validieren k\u00f6nnen. Unabh\u00e4ngig davon nimmt die modellbasierte Softwareentwicklung weiter an Bedeutung zu, um die steigende Komplexit\u00e4t der Embedded Software zu beherrschen. Etabliert haben sich als Modellierungssprachen u.a. die Unified Modeling Language (UML) und Matlab\/Simulink. Es ist auch m\u00f6glich, Zeitverhalten f\u00fcr Modell-Elemente zu definieren. Dar\u00fcber hinaus ist es immer noch von Vorteil, Anforderungen in spezialisierten Werkzeugen f\u00fcr das Anforderungsmanagement zu verwalten. Es wird ein Workflow zur Integration von Zeitanforderungen von der Spezifikation bis zur Validierung pr\u00e4sentiert. Dieser schlie\u00dft die L\u00fccken zwischen den unterschiedlichen Entwurfsdom\u00e4nen.<\/strong><\/p>\n Eingebettete Systeme werden zunehmend f\u00fcr unterschiedliche Einsatzzwecke verwendet. Dabei m\u00fcssen diese immer mehr Funktionen \u00fcbernehmen, die oft auch voneinander abh\u00e4ngen. Dies resultiert in einer steigenden Komplexit\u00e4t der Softwareentwicklung f\u00fcr solche Systeme. Eine h\u00e4ufig verwendete Herangehensweise zur Beherrschung der Komplexit\u00e4t 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.<\/p>\n F\u00fcr das Anforderungsmanagement werden zumeist spezielle Werkzeuge wie DOORS [2] und Polarion [3] eingesetzt. Anforderungen an das Zeitverhalten k\u00f6nnen hier ebenfalls bereits textuell und\/oder durch selbst definierte Attribute erfasst werden. Um entlang des gesamten Softwareentwicklungsprozesses sicherstellen zu k\u00f6nnen, dass die Anforderungen ber\u00fccksichtigt werden, ist die Verfolgbarkeit von Anforderungen essenziell. Nur so kann gew\u00e4hrleistet werden, dass s\u00e4mtliche Anforderungen umgesetzt werden und bei deren \u00c4nderungen analysiert wird, welche zugeh\u00f6rigen Modellelemente angepasst werden m\u00fcssen (Impact Analyse).<\/p>\n \u00dcber das textuelle Erfassen von Zeitanforderungen hinaus k\u00f6nnen diese jedoch auch in Modellen weiter spezifiziert werden, indem z.B. direkt f\u00fcr eine modellierte Operation hinterlegt wird, wie lang ihre maximale Ausf\u00fchrungszeit sein darf. Dar\u00fcber hinaus lassen sich \u00fcber Modelle weitere Aspekte wie Tasks mit ihrer Periode, Priorit\u00e4t und Ausf\u00fchrungszeiten 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 l\u00e4sst. Zeiteigenschaften k\u00f6nnen 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 gro\u00dfer Bedeutung. Auch die Synchronisierung von Daten spielt hier eine wichtige Rolle.<\/p>\n Im Folgenden wird anhand eines Beispiels vorgestellt, wie Anforderungen an das Zeitverhalten mit UML-Modellen synchronisiert und wie Zeiteigenschaften in UML weiter beschrieben und anschlie\u00dfend mit einem Analysewerkzeug validiert werden.<\/p>\n In Abbildung 1 (siehe\u00a0PDF<\/a>) sind Anforderungen an ein Teilsystem f\u00fcr einen Akkuschrauber in einem Anforderungsmanagement-Werkzeug dargestellt. Dabei wurden Zeitanforderungen nicht nur textuell erfasst, sondern in dem zus\u00e4tzlich definierten Attribut\u00a0Boundary<\/em>\u00a0konkrete Werte f\u00fcr Zeitschranken beschrieben.<\/p>\n 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 Ans\u00e4tze, wie z.B. das Gateway f\u00fcr Rational Rhapsody [5]. Da vorhandene L\u00f6sungen oft propriet\u00e4r f\u00fcr 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\u00a0PDF<\/a>) visualisiert.<\/p>\n Im Anforderungsmanagement-Werkzeug wurden sowohl ein Lastenheft als auch ein Pflichtenheft erfasst. Das Pflichtenheft wurde anschlie\u00dfend nach ReqIF exportiert und daraufhin mittels eines daf\u00fcr eigens entwickelten Mechanismus in das UML-Format konvertiert und importiert. Beim Import in UML wird f\u00fcr jedes Anforderungsdokument aus ReqIF jeweils ein UML-Package erstellt, welches die im Dokument enthaltenen Anforderungen enth\u00e4lt. Die verschiedenen Arten dieser Anforderungen werden \u00fcber UML-Stereotypen dargestellt, die Inhalte\/Eigenschaften \u00fcber Tagged Values erfassen (siehe Abbildung 3,\u00a0PDF<\/a>). Diese\u00a0Repr\u00e4sentation<\/em>\u00a0der Anforderungen aus ReqIF in UML erm\u00f6glicht nun, dass Beziehungen zwischen UML-Elementen und Anforderungen erstellt werden k\u00f6nnen. Zum Erstellen von Beziehungen werden im UML-Werkzeug UML-Dependencys verwendet.<\/p>\n Abbildung 4 (siehe\u00a0PDF<\/a>) zeigt diese Beziehungen zwischen UML-Elementen und Anforderungen. Dar\u00fcber hinaus wurden hier schon Zeiteigenschaften weiter spezifiziert, was durch verschiedene Stereotypen und TaggedValues zu sehen ist.<\/p>\n 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 zur\u00fcck ins ReqIF \u00fcberf\u00fchrt. Die ReqIF-Datei kann anschlie\u00dfend zur\u00fcck ins Anforderungsmanagement-Werkzeug importiert werden. Abbildung 5 (siehe\u00a0PDF<\/a>) zeigt, wie Repr\u00e4sentationen f\u00fcr UML-Elemente und deren Beziehungen im Anforderungsmanagement-Werkzeug dargestellt werden. Dieser Prozess erm\u00f6glicht eine vollst\u00e4ndige Verfolgbarkeit zwischen Anforderungen und UML-Elementen in beiden Richtungen.<\/p>\n In Abbildung 4 (siehe\u00a0PDF<\/a>) ist bereits zu sehen, dass das Zeitverhalten in UML n\u00e4her spezifiziert wurde. Hierzu wurde das UML-Profil zum\u00a0Modeling and Analysis of Realtime and Embedded Systems (MARTE) [7]\u00a0<\/em>verwendet. Durch den Stereotyp\u00a0SaStep<\/em>\u00a0des Profils werden u.a. Ausf\u00fchrungszeiten f\u00fcr Operationen erfasst. Dar\u00fcber hinaus wurden Details f\u00fcr die Ziel-Plattform modelliert, wie in Abbildung 6 (siehe\u00a0PDF<\/a>) zu sehen ist. Die Ziel-Plattform enth\u00e4lt hier drei Tasks (Stereotyp: SchedulableResource), die mit unterschiedlicher Periodizit\u00e4t ausgef\u00fchrt werden und verschiedene Ausf\u00fchrungszeiten besitzen. Die Operationen sind diesen Tasks zugeordnet, und die Tasks wiederum sind einem CPU-Core (Stereotyp: SaExecHost) zugeordnet, der ebenfalls modelliert und f\u00fcr den ein Scheduling-Mechanismus definiert wurde.<\/p>\n Zus\u00e4tzlich zur Plattform wurden mit UML\/MARTE ebenfalls Ausf\u00fchrungspfade modelliert, wie in Abbildung 7 (siehe\u00a0PDF<\/a>) dargestellt ist. Der Ausf\u00fchrungspfad gibt an, welche Operationen (Runnables) in welcher Reihenfolge in einem Szenario ausgef\u00fchrt werden, f\u00fcr das sp\u00e4ter das Zeitverhalten gepr\u00fcft werden soll. Au\u00dferdem sind hier ebenfalls die Ausf\u00fchrungszeiten f\u00fcr die Operationen zu sehen. \u00dcber den Stereotyp\u00a0SaEndToEndFlow<\/em>\u00a0wurde die maximal erlaubte Ausf\u00fchrungszeit f\u00fcr den gesamten Pfad definiert.<\/p>\n Um das modellierte Zeitverhalten analysieren zu k\u00f6nnen, wurden Modelltransformationen zwischen dem UML-Format und dem Analysewerkzeug SymTA\/S [4] durchgef\u00fchrt. Die Vorgehensweise hierzu zeigt Abbildung 8 (siehe\u00a0PDF<\/a>). Dabei ist es von Vorteil, wenn auch Analyseergebnisse zur\u00fcck ins UML-Modell \u00fcbertragen werden, damit ein UML-Entwickler dort direkt an betreffenden Elementen \u00fcberpr\u00fcfen kann, ob das Zeitverhalten g\u00fcltig ist.<\/p>\n Neben weiteren Analyse-Methoden unterst\u00fctzt SymTA\/S die Durchf\u00fchrung von Scheduling-Analysen. Das Ergebnis solch einer Analyse kann zur \u00dcbersicht wie in Abbildung 9 (siehe\u00a0PDF<\/a>) visualisiert werden.<\/p>\n Ein Tortendiagramm zeigt die Auslastung einer CPU (siehe Abbildung 10,\u00a0PDF<\/a>). Im Beispiel betr\u00e4gt die Gesamt-Auslastung der CPU 84%, so dass die Zeiteigenschaften von den modellierten Tasks eingehalten werden k\u00f6nnen. Das Analyseergebnis kann in UML erneut \u00fcber Stereotypen und Tagged Values sichtbar gemacht werden. Beim modellierten Core im UML-Modell wurde der hierf\u00fcr speziell geeignete Stereotyp\u00a0SaExecHost<\/em>\u00a0verwendet.<\/p>\n 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. F\u00fcr eine Machbarkeitsstudie zum Umgang dieses Problems wurde zun\u00e4chst eine einfache Zeitanalyse eines Matlab\/Simulink-Modells durch das Zeitanalyse-Werkzeug SymTA\/S angestrebt. Dazu sollten\u00a0Runnables<\/em>\u00a0und\u00a0Tasks<\/em>\u00a0in Simulink angegeben werden k\u00f6nnen sowie\u00a0Periode<\/em>\u00a0und\u00a0Core Execution Time (CET)<\/em>\u00a0einer Runnable als Zeitanforderungen f\u00fcr eine Analyse. Zur Eingabe dieser Daten in das Simulink-Modell wurde eine benutzerdefinierte Maske mit den Werten\u00a0Period<\/em>\u00a0und\u00a0CET(min, max)<\/em>\u00a0erstellt, die auf Matlab Sub-System-Bl\u00f6cke angewendet werden kann.<\/p>\n Abbildung 11 (siehe\u00a0PDF<\/a>) zeigt die Steuerung eines Akkuschraubers. Operationen werden in Subsystem-Bl\u00f6cke gruppiert, die hier als\u00a0runnable 1<\/em>\u00a0und\u00a0runnable 2\u00a0<\/em>zu sehen sind. F\u00fcr die Zeitanalyse werden diese Bl\u00f6cke dann als\u00a0Runnable<\/em>\u00a0interpretiert, die darin enthaltenen Operationen als\u00a0Tasks<\/em>. Mit der Eingabemaske k\u00f6nnen\u00a0Period\u00a0<\/em>und\u00a0CET<\/em>\u00a0f\u00fcr das jeweilige Runnable spezifiziert werden.<\/p>\n Zeiteigenschaften k\u00f6nnen also in ReqIF, UML und Matlab Simulink hinterlegt werden. In realen Projekten sind diese Informationen tats\u00e4chlich oft in mehreren Modellen vorzufinden. Um die Verfolgbarkeit in jeder Dom\u00e4ne f\u00fcr sich zu gew\u00e4hrleisten, erfordern die bisher vorgestellten Mechanismen redundante Informationen. Automatische Modelltransformationen erleichtern dabei zwar die \u00dcbertragung der Information zwischen den Dom\u00e4nen, es liegt jedoch das Problem nahe, dass \u00c4nderungen an diesen Informationen in andere Dom\u00e4nen propagiert werden m\u00fcssen.<\/p>\n Derzeit wird in einem Forschungsprojekt ein Verfahren entwickelt, wie Zeiteigenschaften \u00fcber verschiedene Dom\u00e4nen hinweg synchronisiert, verfeinert und bereits auf Modellebene validiert werden k\u00f6nnen. Dazu werden die vorgestellten Mechanismen zur Verfolgbarkeit genutzt und erweitert, um die Datenwerte werkzeug\u00fcbergreifend korrekt abzugleichen. Wie am Beispiel von Simulink zu sehen ist, kann nicht jede Dom\u00e4ne die Verfolgbarkeits-Beziehungen direkt erfassen. Dazu soll ein zentrales Repository die Abh\u00e4ngigkeiten zwischen den verschiedenen Zeiteigenschaften speichern. \u00dcber definierte Schnittstellen sollen dann werkzeugspezifische Erweiterungen diese Informationen sowie weitere Hinweise wie Analyseergebnisse aus diesem Repository abrufen k\u00f6nnen.<\/p>\n Es wurde anhand eines Beispiel-Projektes gezeigt, wie (Zeit-)Anforderungen \u00fcber das standardisierte Requirements Interchange Format (ReqIF) zwischen Anforderungsmanagementwerkzeugen und UML synchronisiert werden k\u00f6nnen. Anschlie\u00dfend wurde das Zeitverhalten mittels dem MARTE-Profil in UML n\u00e4her beschrieben. Informationen aus dem UML-Modell wurden daraufhin per Modelltransformation in ein Analysewerkzeug\u00a0 \u00fcberf\u00fchrt, so dass dort Analysen f\u00fcr das Zeitverhalten durchgef\u00fchrt werden konnten. Der Prozess erm\u00f6glicht, dass fr\u00fchzeitig w\u00e4hrend der Entwicklung Zeiteigenschaften beschrieben und validiert werden k\u00f6nnen. Ein iteratives Anwenden des Ablaufes ist dabei empfehlenswert.<\/p>\n Es wurde gezeigt, dass die Anbindung weiterer Werkzeuge teilweise aufw\u00e4ndiger ist. Ein aktuelles Forschungsprojekt zielt auf noch engere Kollaboration von verschiedenen Dom\u00e4nen bei der Bew\u00e4ltigung von komplexen Zeitanforderungen.<\/p>\n [1]\u00a0Object Management Group, „UML Spezifikation 2.5“ 2015<\/a>\u00a0[Online] Beitrag als PDF-Datei herunterladen<\/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 Embedded- und Echtzeit-Softwareentwicklung.<\/p>\n Training & Coaching zu den weiteren Themen unseren Portfolios finden Sie hier<\/a>.<\/strong><\/p>\n Wertvolles Fachwissen zum Thema\u00a0Architektur \/Embedded- und Echtzeit-Softwareentwicklung steht\u00a0hier<\/strong><\/a>\u00a0f\u00fcr Sie zum kostenfreien Download bereit.<\/p>\nEinleitung<\/h2>\n
Verfolgen von Zeitanforderungen<\/h2>\n
Modellbasiertes Spezifizieren von Zeitverhalten<\/h2>\n
Validierung von Zeitanforderungen<\/h2>\n
Synchronisierung von Zeiteigenschaften zwischen unterschiedlichen Modellierungsdom\u00e4nen<\/h2>\n
Zusammenfassung<\/h2>\n
Literaturverzeichnis<\/h2>\n
\n[2]\u00a0IBM, „IBM Rational DOORS“ 2014<\/a>\u00a0[Online]
\n[3]\u00a0Polarion Software, „Polarion“ 2014<\/a>\u00a0[Online]
\n[4]\u00a0Symtavision GmbH, „SymTA\/S and Traceanalyzer“<\/a>\u00a0[Online]
\n[5]\u00a0IBM, „Managing requirements with Rhapsody Gateway and DOORS“<\/a>\u00a0[Online]
\n[6]\u00a0Object Management Group, „Requirements Interchange Format (ReqIF)“<\/a>\u00a02013 [Online]
\n[7]\u00a0Object Management Group, „UML Profile For MARTE: Modeling And Analysis Of Real-Time Embedded Systems“ 2011<\/a>\u00a0[Online]
\n[8]\u00a0MathWorks, „Matlab\/Simulink“ 2015<\/a>\u00a0[Online]<\/p>\n
\nEchtzeit – MicroConsult Trainings & Coachings<\/h2>\n
\nEchtzeit – Fachwissen<\/h2>\n