Model based construction of embedded and real-time software [Elektronische Ressource] : a methodology for small devices / vorgelegt von Alexander Nyßen

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 8
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 11 Mo

Extrait

Aachen
Department of Computer Science
Technical Report
Model-Based Construction of
Embedded & Real-Time Software -
A Methodology for Small Devices
Alexander Nyßen
ISSN 0935–3232 · Aachener Informatik Berichte · AIB-2009-03
RWTH Aachen · Department of Computer Science · February 2009The publications of the Department of Computer Science of RWTH Aachen (Aachen
University of Technology) are in general accessible through the World Wide Web.
http://aib.informatik.rwth-aachen.de/Model-Based Construction of Embedded
& Real-Time Software -
A Methodology for Small Devices
Von der Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften der
RWTH Aachen University zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Dipl.-Inform. Alexander Nyßen
aus Heinsberg (Rhld.)
Berichter: Prof. Dr. rer. nat. Horst Lichter
Prof. Dr.-Ing. Stefan Kowalewski
Tag der mündlichen Prüfung: 28. Januar 2009
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbar.Alexander Nyßen
Research Group Software Construction
[e-mail]
Aachener Informatik Bericht AIB-2009-03
Editor: Department of Computer Science
RWTH Aachen University
Ahornstr. 55
52074 Aachen
GERMANY
ISSN 0935-3232Abstract
While model-based software engineering - due to its increased abstraction and its ad-
vantages in terms of traceability and analyzability - seems to be the adequate means to
deal with the increased complexity of software that one faces today, it does not seem
to have penetrated all domains yet, in particular not the one of small embedded & real-
time systems. Seeing this problem caused by the fact that current model-based ap-
proaches do not pay sufficient attention to the rather special technical, organizational,
and economical constraints in the respective domain, this work presents an approach
that explicitly takes these constraints into account.
MeDUSA, a model-based software construction method for small embedded & real-
time systems, is a principal item of the presented solution. To face the strong technical
constraints it was especially designed as an instance-driven method, not incorporating
any object-oriented concepts, but forcing a class-based design that can be seamlessly
transferred into a procedural implementation, which is still state-of-the-art in the re-
garded domain. To guarantee such a seamless transition MeDUSA was furthermore
designed to be a software construction rather than a mere design method, explicitly also
addressing the implementation activities, and especially the transition from detailed
design into source code. Being organized around the use case concept, the method
excels at being very systematic and - inter alia by facilitating a continuous real-time
analysis - also at being especially aware about the stringent real-time constraints that
have to be faced in the domain of embedded & real-time systems.
ViPER, the supporting tool prototype, forms the second essential part of the solution.
It offers generic support for MeDUSA’s modeling activities by providing a graphi-
cal UML modeling environment, as well as special support for the specification and
simulation of narrative, textual use case details. It furthermore demonstrates dedicated
methodical support by embedding a hypertext documentation of MeDUSA’s definition,
by providing implementations of the MeDUSA UML profiles and model constraints,
and by offering dedicated wizards to support the execution of certain MeDUSA tasks.
Together with their underlying languages, the Unified Modeling Language as well as
the ANSI-C programming language, MeDUSA and ViPER thus form an integrated
methodology, which is founded on shared concepts and principles. Especially devel-
oped to address above quoted constraints, the methodology is applicable to a domain,
which has pretty much been elided so far.Kurzfassung
Obwohl die modellbasierte Erstellung von Software - aufgrund ihrer höheren Abstrak-
tion und ihrer Vorzüge in Bezug auf Nachverfolgbarkeit und Analysierbarkeit - ein
adäquates Mittel zu sein scheint, um die heutige Komplexität von Software zu be-
herrschen, hat sie bislang nicht alle Anwendungsdomänen durchdrungen, insbeson-
dere nicht die kleiner eingebetteter Echtzeitsysteme. Dies zurückführend auf die Tat-
sache, dass heutige modellbasierte Ansätze den besonderen technologischen, organ-
isatorischen und ökonomischen Rahmenbedingungen dieser Domäne nicht in ausrei-
chendem Maße Beachtung schenken, stellt diese Arbeit einen Ansatz vor, der diese
Rahmenbedingungen explizit berücksichtigt.
MeDUSA, eine modellbasierte Software-Konstruktionsmethode für kleine eingebet-
tete Echtzeitsysteme, bildet den ersten zentralen Bestandteil der vorgestellten Lösung.
Um den starken technologischen Einschränkungen gerecht zu werden, wurde sie als
instanzgetriebene Methode konzipiert, die keine objektorientierten Konzepte einsetzt
und so einen klassenbasierten Entwurf forciert, der nahtlos in eine prozedurale Imple-
mentierung, welche in der betrachteten Domäne nach wie vor den Stand der Technik
repräsentiert, überführt werden kann. Um einen solch nahtlosen Übergang gewährleis-
ten zu können wurde MeDUSA als Software-Konstruktionsmethode und nicht als
bloße Designmethode konzipiert, so dass sie auch die Implementierungstätigkeiten
explizit adressiert, und hierbei insbesondere den Übergang vom Entwurf in den Quell-
code. Orientiert am Use Case-Konzept zeichnet sich die Methode durch ihre System-
atik und durch eine stetig durchgeführte Echtzeitanalyse aus, um die harten Echtzeitan-
forderungen, denen die Software-Entwicklung in der Anwendungsdomäne Rechnung
zu tragen hat, explizit zu berücksichtigen.
ViPER, der unterstützende Werkzeugprototyp, bildet den zweiten wesentlichen Be-
standteil der Lösung. Das Werkzeug bietet generische Unterstützung für die Model-
lierungsaktivitäten der MeDUSA-Methode in Form einer graphischen UML-Model-
lierungsumgebung sowie einer spezifischen Unterstützung zur Spezifikation und Sim-
ulation natürlichsprachiger Anwendungsfallbeschreibungen. ViPER beinhaltet zudem
eine spezifische methodische Unterstützung für MeDUSA, in dem es sowohl eine elek-
tronische Dokumentation der Methode zur Verfügung stellt, als auch Implementierun-
gen der von MeDUSA eingesetzten UML-Profile, Prüfungsmöglichkeiten für die im
Rahmen der Methode UML-Modelle, sowie spezifische Assistenten für
bestimmte, im Rahmen der Methode definierte Aufgaben.
Zusammen mit den zugrunde liegenden Sprachen, der Unified Modeling Language
sowie der ANSI-C Programmiersprache, bilden MeDUSA und ViPER somit eine in-
tegrierte Methodologie, die auf gemeinsamen Konzepten und Prinzipien begründet ist.
Ausdrücklich entworfen um den oben genannten Rahmenbedingungen gerecht zu wer-
den, ist diese Methodologie damit in einer Domäne einsetzbar, für die bislang weitge-
hend methodische Ansätze fehlten.Acknowledgments
While its cover sheets only depicts a single author’s name, this thesis is the result of a
process, in which several persons were involved, who should not remain unmentioned.
First and foremost Professor Lichter has to be named, who has given me the chance to
prepare this thesis at the Research Group Software Construction. He has always been
a benevolent adviser and has pretty much contributed to this work with his comments
and thought-provoking impulses. I want to take the opportunity to express my explicit
thanks for that, as well as for his ongoing support and encouragement. I also want to
thank Professor Kowalewski for taking the role of the secondary adviser.
I further want to express my thanks to all involved current and former employees of
the German ABB Corporate Research Center in Ladenburg, our cooperation partner.
First and foremost Jan Suchotzki has to be named in this context, who - as a com-
mitted discussion partner and active contributor - has supported me very much in the
conception of the initial MeDUSA method. I also want to thank Peter Müller, Lukas
Kurmann, Dr. Dirk John and Dr. Detlef Streitferdt for their professional contributions
and the always uncomplicated and friendly collaboration. My thanks are also dedi-
cated to Tilo Merlin and Klaus Pose from the ABB Automation Products GmbH, who
have delivered valuable input for the evaluation of the MeDUSA method.
For their participation in the development of the ViPER tool I also want to thank my
colleagues Veit Hoffmann and Holger Schackmann, as well as all involved student
workers and diploma and master thesis students. Mathias Funk, Andreas Walter, Zahid
Sadal, Tauseef Ikram, Özgür Kevinç, Marcel Hermanns, Lars Grammel, Supaporn
Simcharoen, Huy Do, Philip Ritzkopf, Mark Lehmacher, and Daniel Watermeyer have
to be named in this context. They all have - through their dedication - strongly pushed
the development of the tool.
I also want to explicitly thank my current and former colleagues Dr. Moritz Schnizler,
Dr. Thomas von der Maßen, Thomas Weiler, Holger Schackmann, Veit Hoffmann,
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