Erweiterung und formale Verifikation von dynamischen objektorientierten Modellierungsansätze auf Basis höherer Petri-Netze

Short Summary The design of complex distributed embedded computer systems is often a big challenge because they are large and contain many parallel working components under real time conditions. The dynamic diagrams like Sequence Diagrams, State Charts and Activity Diagrams are often not sufficient to model the high complexity of these computer systems. There is no transformation possibility from one description type into another. There are no or only limited possibilities for formal analysis of system properties. Coloured dynamic Sequence Diagrams, State Charts and Activity Diagrams will be developed in this work to integrate the well-known object oriented modelling techniques into the design process of complex distributed real time systems. Coloured diagrams derive from folding several simple diagrams which are executed autonomously or influence each other in some parts. The coloured diagram types have sufficient means for the clear and unique description of the composition of several simple diagrams and some additional mechanisms for description of the dependencies and connections between the separate objects. A transformation of these diagrams into one another which allows a parallel use of similar description means will be developed. The colours which essentially model the different similar components will be kept up the transformation of these diagram types into Coloured Petri Nets as a temporary notation and will be kept up the transformation in other diagram types. They are responsible for the clear assignment and the identification of the several components of a model during the whole design process. The transformation via Coloured Petri Nets is effective because they also use the colour concept and they integrate the basic concepts of the initial diagrams. The verification method for Coloured Time Interval Petri Nets designed in this work allows assertions about the fulfilment of time restrictions and about reachability of markings, liveness, about absence of conflicts, boundedness and dynamic conflicts. The usability of these extensions will be demonstrated with a real modelling example.Der Entwurf von komplexen verteilten eingebetteten Rechnersystemen ist aufgrund der Größe und Vielzahl von parallel unter Echtzeitbedingungen arbeitenden Komponenten häufig eine große Herausforderung. Die dynamischen Diagramme, wie Message Sequence Charts (Sequenzdiagramme), State Charts (Zustandsdiagramme) und Activity Diagrams (Aktivitätsdiagramme) können häufig nicht die hohe Komplexität der zu modellierenden verteilten eingebetteten Rechnersysteme bewältigen und dabei die Übersichtlichkeit der Entwurfsmodelle gewährleisten. Es existiert auch keine Überführungsmöglichkeit von einem Beschreibungstyp in einen anderen. Die Möglichkeiten zur formalen Analyse der Systemeigenschaften nicht oder nur eingeschränkt gegeben. Für die Einbindung der bekannten objektorientierten Modellierungstechniken in den Entwurfsprozess von komplexen verteilten Echtzeitsystemen sind die in dieser Arbeit entwickelten gefärbten dynamischen Sequenzdiagramme, Zustandsdiagramme und Aktivitätsdiagramme für die Modellierung von komplexen verteilten Echtzeitsystemen effektiv einsetzbar. Gefärbte Diagramme entstehen durch Faltung von mehreren einfachen Diagrammen, die voneinander unabhängig ausgeführt werden, oder sich in einigen Teilen beeinflussen. Die gefärbten Diagrammtypen verfügen über ausreichende Mittel für die übersichtliche und eindeutige Darstellung der Komposition von mehreren einfachen Diagrammen und einige zusätzliche Mechanismen für die Abbildung der Abhängigkeiten und Beziehungen zwischen den einzelnen Objekten. Die Transformation dieser Diagrammtypen ineinander erlaubt es, ähnliche Beschreibungsmittel parallel nutzbar zu machen. Die Farben, die im wesentlichen verschiedene ähnliche Teilkomponenten modellieren, werden bei der Umwandlung in Gefärbte Petri-Netze, die bei der Transformation dieser Diagrammtypen ineinander als Zwischennotation genutzt werden, und weiterhin bei der Transformation in andere Diagrammtypen beibehalten und dienen der übersichtlichen Zuordnung und Identifizierung der einzelnen Komponenten eines Modells während des gesamten Entwurfsprozesses. Die Transformation über Gefärbte Petri-Netze ist effektiv, da diese auch das Farbkonzept unterstützen und die Grundkonzepte der Ausgangsdiagramme als Teilmenge implizit besitzen. Die entwickelte Verifikationsmethode für Gefärbte Zeitintervall-Petri-Netze ermöglicht sowohl Aussagen über die Erfüllung von zeitlichen Restriktionen als auch über die Erreichbarkeit von Markierungen, Lebendigkeit, Konfliktfreiheit, Beschränktheit und dynamische Konflikte. Die Anwendbarkeit dieser Erweiterungen lässt sich an einem realen Modellierungsbeispiel nachweisen

Zertifizierbarer Entwicklungsprozess für komplexe Informationsverarbeitungssysteme in der Wägetechnik

The dissertation is about principles, methods and techniques during the systematic development of embedded systems in the domain of measurement techniques. The considered domain contains fields of application with challenging and specific requirements of the information processing system. E.g. the dynamic weighing systems need solutions with very high resolution and lowest achievable measurement uncertainty in order to perform high-speed-measurements in a mechanically disturbed environment. In particular, the abilities for official calibration and metrologic reliability are considered. The complex and high-performance functions are required to guarantee measurement results. FPGA-based systems are used for the implementation of these functions.The especially designed certifiable development process (ZEfIRA) provides a procedural method for the development of complex embedded systems. The metrologic reliability, the legal requirements like calibratability, the validation and the verification are included as a general criteria in the entire development process. ZEfIRA is based on the 3W-model and is designed in an evolutionary manner. This process starts with the analysis of a predecessor system followed by the model-based development of a prototype, which leads into an optimized and application-specific product solution.The study emphasizes the influence of challenging requirements on the measurement system. It will be presented, how these can be integrated into the modelling level during the design and the implementation on a FPGA-based target platform. The stages of the functional and technical design of the system are analysed, whereas the realization of the partitions “FPGA logic” and “FPGA softcore solutions” are discussed in detail.Based on the preliminary design of the information processing in an electromagnetic force compensation (EMC) scale, the applicability of the process ZEfIRA and its developed methods and principles are proved. On the one hand, the optimal system-specific algorithms of signal processing, control and safety and on the other hand whose technical implementation are essential. This was realized with different performance parameters. In addition, the prototype allows the possible comprehensive analysis for embedding system. In the conclusion, the performance of ZEfIRA based on the prototype development is evaluated.Die Dissertation befasst sich mit Prinzipien, Methoden und Techniken der systematischen Entwicklung von komplexen Eingebetteten Systemen. Die betrachtete Domäne besitzt Anwendungsbereiche mit anspruchsvollen und besonderen Anforderungen an die Informationsverarbeitung. In der dynamischen Wägetechnik sind z.B. Lösungen mit sehr hohen Auflösungen und kleiner Messunsicherheit bei schnellen Messungen in einem mechanisch gestörten Umfeld notwendig. Die Anforderungen an die Eichfähigkeit und die Metrologische Sicherheit sind Besonderheiten. Es werden komplexe und hochleistungsfähige Funktionen zur Erzeugung der Messergebnisse verlangt. In der Arbeit werden dafür vorwiegend FPGA-basierte Eingebettete Systeme verwendet. Der entworfene zertifizierbare Prozess (ZEfIRA) bietet eine Vorgehensweise für die Entwicklung von Eingebetteten Systemen. Die Metrologische Sicherheit, die Eichfähigkeit, die Validier- und der Verifizierbarkeit werden als Kriterien im gesamten Entwurfsprozess berücksichtigt. ZEfIRA basiert auf einem 3W-Modell und ist evolutionär angelegt. Innerhalb des Prozesses werden die Analyse eines eventuellen Vorläufersystems sowie die modellbasierte prototypische Entwicklung bis hin zu einer produzierbaren Lösung (Produkt) durchgeführt. Die Arbeit verdeutlicht den großen Einfluss der spezifischen Anforderungen an das Messsystem. Es wird gezeigt, wie diese bereits zu der Entwurfszeit auf Modellebene und im Weiteren bei der Implementierung in einer FPGA-basierten Zielplattform berücksichtigt werden. Es werden verschiedene Schritte des funktionalen und technischen Systementwurfs untersucht und ausführlich die Realisierungspartitionen „FPGA-Logik“ und „FPGA-Softcore-Lösungen“ betrachtet. Als Beispiel zum Nachweis der Anwendbarkeit des Prozesses ZEfIRA dient die prototypische Entwicklung des Informationsverarbeitungssystems einer elektromagnetischen Kraftkompensationswaage (EMKW). Ausschlaggebend sind die optimal an das Gesamtsystem angepassten Signalverarbeitungs-, Regelungs- und Sicherheitsalgorithmen und deren technische Umsetzung. Dieses wurde mit verschiedenen Leistungsparametern, wie z.B. Latenz, Verarbeitungskomplexität und Genauigkeit realisiert. Ergänzend ermöglicht der Prototyp umfassende Analysemöglichkeiten für das Messsystem. Die abschließende Wertung ist eine Abschätzung der Leistungsfähigkeit von ZEfIRA auf Basis dieser prototypischen Entwicklung

Co-Konfiguration von Hardware- und Systemsoftware-Produktlinien

Hardwarearchitekturen im Kontext von Eingebetteten Systemen werden immer komplexer und bewegen sich zukünftig immer häufiger in Richtung von Multi- oder Manycore-Systemen. Damit diese Systeme ihre optimale Leistungsfähigkeit – für die oftmals speziellen Aufgaben im Kontext von Eingebetteten Systemen – ausspielen können, beschäftigen sich ganze Forschungszweige mit der anwendungsspezifischen Maßschneiderung dieser Systeme. Insbesondere die Popularität von Hardwarebeschreibungssprachen trägt dazu ihren Teil bei. Jedoch ist die Entwicklung von solchen Systemen, selbst bei der Verwendung von Hardwarebeschreibungssprachen und der damit verbundenen höheren Abstraktionsebene, aufwendig und fehleranfällig. Die Verwendung von Hardwarebeschreibungssprachen lässt allerdings die Grenze zwischen Hard- und Software verschwimmen, denn Hardware kann nun – ähnlich wie auch Software – in textueller Form beschrieben werden. Dies eröffnet Möglichkeiten zur Übertragung von Konzepten aus der Software- auf die Hardwareentwicklung. Ein Konzept um der wachsenden Komplexität im Bereich der Softwareentwicklung zu begegnen, ist die organisierte Wiederverwendung von Komponenten, wie sie in der Produktlinienentwicklung zum Einsatz kommt. Inwieweit sich Produktlinienkonzepte auf Hardwarearchitekturen übertragen lassen und wie Hardware-Produktlinien entworfen werden können, soll in dieser Arbeit detailliert untersucht werden. Die Vorteile der Produktlinientechniken, wie die Möglichkeit zur Wiederverwendung von erprobten und zuverlässigen Komponenten, könnten so auch für Hardwarearchitekturen genutzt werden, um die Entwicklungskomplexität zu reduzieren und so mit erheblich geringerem Aufwand spezifische Hardwarearchitekturen entwickeln zu können. Zudem kann durch die gemeinsame Codebasis einer Produktlinie eine schnellere Markteinführungszeit unter geringeren Entwicklungskosten realisiert werden. Auf Basis dieser neuen Konzepte beschäftigt sich diese Arbeit zudem mit der Fragestellung, wie zukünftig solche parallelen Systeme programmiert und automatisiert optimiert werden können, um den Entwickler von der Anwendung über die Systemsoftware bis hin zur Hardware mit einer automatisierten Werkzeugkette bei der Umsetzung zu unterstützen. Im Fokus stehen dabei die in dieser Arbeit entworfenen Techniken zur durchgängigen Konfigurierung von Hardware und Systemsoftware. Diese Techniken beruhen im Wesentlichen auf den Programmierschnittstellen zwischen den Schichten, deren Zugriffsmuster sich statisch analysieren lassen. Die so gewonnenen Konfigurationsinformationen lassen sich dann zur automatisierten Maßschneiderung der Systemsoftware- und Hardware-Produktlinie für ein spezifisches Anwendungsszenario nutzen. Die anwendungsspezifische Optimierung der Systeme wird in dieser Arbeit mittels einer Entwurfsraumexploration durchgeführt. Der Fokus der Entwurfsraumexploration liegt allerdings nicht allein auf der Hardwarearchitektur, sondern umfasst ebenso die Softwareebene. Denn neben der Maßschneiderung der Systemsoftware, wird auch die auf einer parallelen Programmierschnittstelle aufsetzende Anwendung innerhalb der Entwurfsraumexploration automatisch skaliert, um die Leistungsfähigkeit von Manycore-Systemen ausschöpfen zu können

Pattern-Oriented Transformations between Analysis and Design Models (POTAD)

One answer to many current challenges in the electronic domain of automotive development, is a continuous model-based engineering process that integrates models of system and software development. A system model describes by the use of the logical system architecture the func-tions of a vehicle and through the technical system architecture the realising electronics, such as control units, sensors/actuators and data busses. During software development, a software design model for selected functions of the logical system architecture must be constructed with consideration of the technical architecture and further requirements. Current model-based development approaches claim to automate the transition between different development phases by the concept of model transformations. This concept lends itself to generate a skele-ton of the software design model from the system architecture model, thereby automating a part of the software engineering activities. The analysis of this work shows that the collected domain specific requirements, which must be made on a model transformation mechanism for such a scenario, are not fulfilled by current approaches. The approach taken in this work, the Pattern-Oriented Transformations between Analysis and Designmodels (POTAD) uses the system architecture as an analysis model within software development and systemizes the connection with the design model on the basis of analysis and design patterns. By means of this systematisation, a POTAD transformation rule instantiates for an analysis pattern different design patterns under consideration of non-functional requirements and the technical system architecture. At the same time, links between an analysis and design pattern are created, which are used to trace design decision later. The feasibility of the solution is shown by a prototype, which follows the POTAD development process and executes the transformation rules formulated in the POTAD transformation lan-guage.POTAD was verified by several student works based on a case study, which covers typical characteristics of the examined domain. The results of these works showed the suitability and improved the methodology as well as the transformation language and pointed out the limits of the approach taken.Eine Antwort auf viele aktuelle Anforderungen im Elektrik/Elektronik-Bereich der Fahrzeugent-wicklung ist ein durchgängig modellbasierter Entwicklungsprozess, der Modelle der System- und Softwareentwicklung integriert. Ein Systemmodell beschreibt mit der logischen System-architektur die Funktionen eines Fahrzeugs und mit der technischen Systemarchitektur die realisierende Elektrik/Elektronik, wie z. B. Steuergeräte, Sensoren/Aktoren und Bussysteme. Im Rahmen der Softwareentwicklung muss für einzelne Funktionen aus der logischen System-architektur unter Berücksichtigung der technischen Systemarchitektur und weiterer An-forderungen ein Softwaredesignmodell erstellt werden. Aktuelle modellbasierte Entwicklungs-ansätze versprechen mit Hilfe des Konzepts der Modelltransformation den Übergang zwischen Modellen unterschiedlicher Entwicklungsphasen automatisieren zu können. Dieses Konzept bietet sich dazu an, aus einem Systemarchitekturmodell ein Grundgerüst eines Softwaredesign-modells zu erzeugen und damit einen Teil der Softwareentwicklungsaktivitäten zu auto-matisieren.Die Analyse dieser Arbeit zeigt, dass die erarbeiteten domänenspezifischen Anforderungen, die für solch ein Szenario an einen Modelltransformationsmechanismus gestellt werden müssen, durch aktuelle Ansätze nicht vollständig erfüllt werden. Der eigene Ansatz Pattern-Oriented Transformations between Analysis and Designmodels (POTAD) verwendet die logische Systemarchitektur im Rahmen der Softwareentwicklung als Analysemodell und systematisiert dessen Zusammenhang mit dem Designmodell auf der Basis von Analyse- und Designmustern. Für ein im Analysemodell gefundenes Analysemuster instanziiert eine POTAD-Transformationsregel mit Hilfe dieser Systematik in Abhängigkeit nichtfunktionaler An-forderungen und der technischen Systemarchitektur unterschiedliche Designmuster im Design-modell. Gleichzeitig werden Verknüpfungen zwischen den Analyse- und Designmustern angelegt, die zur späteren Verfolgung von Designentscheidungen genutzt werden. Anhand eines dem POTAD-Entwicklungsprozess folgenden Prototyps, der die in der POTAD-Transformationssprache formulierten Regeln ausführen kann und die Verfolgbarkeit werkzeug-seitig unterstützt, wird die Realisierbarkeit des Lösungsansatzes gezeigt. POTAD wurde durch studentische Arbeiten anhand einer Fallstudie überprüft, die typische Eigenschaften der betrachteten Domäne abdeckt. Die Ergebnisse dieser Arbeiten haben die Tauglichkeit von POTAD gezeigt, die Methodik und die Transformationssprache verbessert und Grenzen aufgezeigt

Entwurf eingebetteter Systeme: Ausführbare Modelle und Fehlersuche

Graphische Modelle können mit Hilfe modellgetriebener Ansätze als Programmiersprachen für eingebettete Systeme genutzt werden. Die Arbeit schließt vorhandene Lücken und liefert einen Beitrag zur Zustandsvisualisierung während der Laufzeit zum Zweck der Fehlersuche in solchen Modellen. Dieser resultiert in der flexiblen Debugging-Architektur ModelScope. Die Leistungsfähigkeit von ModelScope wird durch Anbindung unterschiedlicher Modellierungsparadigmen und Ausführungsplattformen validiert

Basisdefinition einer gemeinsamen Sprache der Produktentwicklung im Kontext der Modellbildung technischer Systeme und einer Modellierungstechnik für Zielsystem und Objektsystem technischer Systeme in SysML auf Grundlage des ZHO-Prinzips = Basis definition of a common language of product engineering in the context of modeling of technical systems and a modeling technique for the systems of objectives and objects of technical systems on the basis of the ZHO-principle

Die Arbeit begegnet den Herausforderungen einer erfolgreichen Kommunikation in der fachdisziplinübergreifenden Zusammenarbeit durch eine Basisdefinition einer gemeinsamen Sprache der Produktentwicklung für den Kontext der Modellbildung technischer Systeme. Darauf basierend wird eine Modellierungstechnik als zentrales Werkzeug zur Handhabung der umfangreichen und heterogenen Daten und Informationen vorgestellt

Annual Report 1999 / Department for Computer Science

Selbstdarstellung des Instituts für Informatik der BTU Cottbus und Berichte der Lehrstühle für das Jahr 1999.Presentation of the Department for Computer Science of the BTU Cottbus and reports of the chairs at the department for the year 1999

Zuverlässigkeitsbewertung von vernetzten eingebetteten Systemen mittels Fehlereffektsimulation

Die Bedeutsamkeit von eingebetteten Systemen steigt kontinuierlich. Dies zeigt sich bereits anhand ihrer hohen Verbreitung. Neben der reinen Anzahl steigt zusätzlich die Komplexität der einzelnen Systeme. Dies resultiert nicht nur in einem steigenden Entwurfsaufwand, sondern betrifft zusätzlich den Analyseaufwand. Hierbei ist zu beachten, dass die Systeme vermehrt sicherheitsrelevante Aufgaben übernehmen. Ein anschauliches Beispiel stellen Systeme zur Fahrerassistenz bzw. Fahrzeugautomatisierung dar. Durch den rasanten Fortschritt in den letzten Jahren, wird erwartet, dass diese Systeme in den nächsten Jahren bereits hochautomatisiertes Fahren ermöglichen. Für solche Systeme bedeutet ein Ausfall bzw. falsch erbrachter Dienst schwerwiegende Folgen für die Umwelt und Personen im Umfeld. Eine Sicherheitsbewertung ist zwingend vorgeschrieben. Die hohe Vernetzung der einzelnen Systeme bedingt, dass eine isolierte Betrachtung nicht mehr ausreichend ist. Deshalb muss die Analyse neben der gestiegenen Komplexität der einzelnen Systeme zusätzlich die Interaktionen mit weiteren Systemen beachten. Aktuelle Standards empfehlen zur Sicherheitsbewertung häufig Verfahren wie Brainstorming, Fehlermöglichkeits- und Fehlereinflussanalysen oder Fehlerbaumanalysen. Der Erfolg dieser Verfahren ist meist sehr stark von den beteiligten Personen geprägt und fordert ein umfassendes Systemwissen. Die beteiligten Personen müssen die zuvor beschriebene erhöhte Komplexität und Vernetzung beachten und analysieren. Diese Arbeit stellt einen Ansatz zur Unterstützung der Sicherheitsbewertung vor. Ziel ist, das benötigte Systemwissen von den beteiligten Personen, auf ein Simulationsmodell zu übertragen. Der Anwender ermittelt anhand des Simulationsmodells die systemweiten Fehlereffekte. Die Analyse der Fehlerpropagierung bildet die Grundlage der traditionellen Sicherheitsanalysen. Da das Simulationsmodell die Systemkomplexität und die Systemabhängigkeiten beinhaltet, reduzieren sich die Anforderungen an die beteiligten Personen und folglich der Analyseaufwand. Um solch ein Vorgehen zu ermöglichen, wird eine Methode zur Fehlerinjektion in Simulationsmodelle vorgestellt. Hierbei ist vor allem die Unterstützung unterschiedlicher Abstraktionsgrade, insbesondere von sehr abstrakten System-Level-Modellen, wichtig. Des Weiteren wird ein Ansatz zur umfassenden Fehlerspezifikation vorgestellt. Der Ansatz ermöglicht die Spezifikation von Fehlerursachen auf unterschiedlichen Abstraktionsebenen sowie die automatisierte Einbringung der Fehler in die Simulation. Neben der Einbringung der Fehler bildet die Beobachtung und Analyse der Fehlereffekte weitere wichtige Aspekte. Eine modellbasierte Spezifikation rundet den Ansatz ab und vereinfacht die Integration in einen modellgetriebenen Entwurf