Tool-Supported Formal Analysis of Real-Time Systems

In dieser Arbeit werden Verfahren zur effizienten, benutzerfreundlichen Analyse von Echtzeitsystemen entwickelt. Ziel ist die Verbesserung der Entwurfsqualität hinsichtlich von dynamischen/zeitlichen Programmabläufen möglichst ohne zusätzlichen Aufwand seitens des Entwicklers. Dieses erfordert ein Aufsetzen auf Spezifikationen, die bei der Entwicklung ohnehin anfallen. Konkret wird daher untersucht, wie sich Modelle der Unified Modeling Language mit formalen Methoden analysieren lassen und wie diese Analyse automatisiert werden kann. Es wird geklärt, welche Teilmenge von Modellen als Ausgangspunkt für eine dynamische Analyse geeignet ist. Dabei werden in dieser Arbeit drei Analyseziele definiert, die jeweils eine eigene Sprachdefinition erfordern. Wichtiger Bestandteil der Arbeit ist die Realisierung einer automatisierten Analyse. Dabei wird auf formale Techniken wie Model-Checking und auf algorithmische Lösungen der Scheduling-Theorie zurückgegriffen. Es wird nachgewiesen, dass sich verschiedene theoretische Lösungsansätze unter dem Dach einer einheitlichen Notation für den Anwender transparent anwenden lassen und in der Summe zu einer deutlichen Verbesserung der Software- Qualität in einem besonders komplexen Anwendungsgebiet beitragen können.In this work, methods for an efficient and user friendly analysis of real-time systems are developed. The intention is an improvement of the quality of the software design regarding the dynamic/temporal execution runs without additional efforts of the developer. This requires the use of specification models, which are common in the developing process, as basis for the analysis. Therefore, formal analysis of the Unified Modeling Language (UML) is investigated and how this analysis can be automated. As precondition, it is investigated, which subset of UML models is well suited for a dynamic analysis. Three domains of an analysis are defined, which requires their own input language definition. An important part of this work is the development of an automated analysis. Therefore, formal methods like model checking and algorithms of the scheduling theory are used. It is shown, that different solution approaches can be hidden behind a well-known notation for improving the quality of software design in a complex application domain

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