Eine Methode zur Spezifikation eingebetteter Systeme unter Verwendung von Semantikerweiterungen

Patricia Sagmeister
ISBN 978-3-89722-407-0
318 Seiten, Erscheinungsjahr: 2000
Preis: 40.50 €
Eine Methode zur Spezifikation eingebetteter Systeme unter Verwendung von Semantikerweiterungen

Komplexe heterogene Systeme, wie Flugzeuge oder Kernkraftwerke, bestimmen das Leben der Menschen in der industrialisierten Welt von heute. Die immens hohe Aufgabenkomplexität dieser Systeme stellt für die Entwickler eine Herausforderung dar. Die Verteilung der Aufgaben eines Systems auf unterschiedliche Teilsysteme ist die konsequente Folge. Diese Teilsysteme, sogenannte eingebettete Systeme, bestehen wiederum aus unterschiedlichsten Teilsystemen und erfüllen komplizierte Aufgaben. Jedes eingebettete System ist zudem bestimmten Anforderungen unterworfen, die von seiner Umgebung definiert werden. Beziehen sich diese Randbedingungen auf die Einhaltung zeitlicher Aspekte wird auch von "eingebetteten Echtzeitsystemen" gesprochen. Um solche Systeme entwickeln zu können, sind neue Konzepte und Werkzeuge notwendig, die ihren Entwurf erleichtern und den Umgang mit der beschriebenen hohen Aufgabendichte ermöglichen.

Die hier vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit diesem Problembereich. Dabei wird der Schwerpunkt auf die Spezifikation eingebetteter Systeme und nicht auf die Unterstützung des gesamten Entwurfsprozesses gelegt. Insbesondere die Heterogenität der Systemkomponenten und deren komplizierte Funktionalität erschweren den Entwurf. Da es keinen standardisierten Aufbau eingebetteter Systeme gibt und sie in den unterschiedlichsten Anwendungsgebieten zu finden sind, ist eine Verallgemeinerung ihrer Systemrandbedingungen unmöglich. Das erschwert ihre Spezifikation erheblich. Innerhalb der vorliegenden Arbeit werden die auftretenden Probleme erläutert und existierende Methoden und Werkzeuge auf ihre Einsatztauglichkeit überprüft. Hierbei wird ersichtlich, dass es bisher keinen optimalen Spezifikationsmechanismus für komplexe heterogene Systeme gibt. Die bisher eingesetzten Spezifikationssprachen sind entweder aufgrund ihres großen Abstraktheitsgrades oder wegen ihrer starken Anwendungsbezogenheit nur bedingt für die Beschreibung eingebetteter Systeme und ihrer Systemanforderungen geeignet. Entsprechendes gilt für die betrachteten Entwurfswerkzeuge, da diese stets auf eine bestimmte Spezifikationssprache abgestimmt sind.

Daher ist es notwendig den Wortschatz und die Modellvielfalt von Spezifikationssprachen zu erweitern. Bisher verwendete Spracherweiterungskonzepte sehen meist nur die Einführung neuer syntaktischer Sprachkonstrukte vor. Sollen semantische Modelle hinzugefügt werden, entsteht zwangsweise eine neue Sprache, die wiederum neue Entwicklungswerkzeuge und Entwurfsumgebungen notwendig macht. Zudem wird die Sprachdefinition strikt von der Systemspezifikation getrennt. Dies verhindert, dass dringend für die Spezifikation des aktuellen Systems notwendige Konstrukte und Modelle an Ort und Stelle durch die Systementwickler eingeführt werden können.

Um diese Probleme zu beheben, wird in der vorliegenden Arbeit ein eigenes Konzept zur Spezifikation komplexer heterogener Systeme vorgestellt, das als "eingebettetes Spracherweiterungsmodell" bezeichnet wird. Der Mechanismus basiert auf einer minimalen Basissprache, die mit Hilfe benutzerdefinierter Spracherweiterungen an das zu spezifizierende System angepasst werden kann. Es können nicht nur neue syntaktische Konstrukte, sondern auch semantische Modelle, die bisher nicht in der Basissprache enthalten sind, hinzugefügt werden. Durch die Möglichkeit, benutzerdefinierte Erweiterungen innerhalb der Systemspezifikation einzuführen, ist eine Anpassung an die zu beschreibende Systemfunktionalität und die gestellten Systemanforderungen möglich. Systemspezifikation und Spracherweiterungen stellen keine getrennten Abläufe mehr dar, sondern werden ineinander integriert. Durch die Möglichkeit, den Beschreibungsmechanismus direkt für das aktuelle Projekt maßzuschneidern, und durch die Anpassungsfähigkeit des Formalismus an die individuellen Bedürfnisse der Systementwickler wird eine höhere Effektivität und damit verbunden eine wesentliche Verkürzung der Entwicklungszeiten erreicht.

Zur Überprüfung des eingeführten Konzepts auf Praktikabilität und Einsatzfähigkeit wurde innerhalb dieser Arbeit eine neue Spezifikationssprache, genannt SEaL, entwickelt. Diese stellt eine Realisierung des Konzepts der "eingebetteten Spracherweiterung" dar. Basierend auf einer minimalen Kernsprache ist die Strukturierung eines Systems und die Spracherweiterung innerhalb einer Systemspezifikation möglich. Um die universelle Einsatzfähigkeit dieses Beschreibungsmechanismus zu zeigen, werden exemplarisch in Form von Erweiterungen semantische Modelle aus Spezifikationssprachen mit SEaL nachgebildet, die bisher zur Spezifikation von Systemteilen eingebetteter Systeme verwendet wurden. Während bisher eine Spezifikationssprache lediglich eine bestimmte vorgegebene Menge semantischer Modelle unterstützte, ist es mit SEaL möglich, diverse semantische Modelle einzuführen und unabhängig von ihren Einsatzbereichen zu vermischen. So ist es beispielsweise möglich, den Mechanismus der Nebenläufigkeit aus VHDL mit dem Konzept der Darstellung von Echtzeit aus Pearl mit Hilfe von SEaL innerhalb einer Systemspezifikation zu vereinen. Die Verwendung von SEaL und des Konzepts der eingebetteten Spracherweiterung wird an einer Fallstudie gezeigt. Abschließend geschieht die Vorstellung einiger Entwurfswerkzeuge, die die Verarbeitung von Systemspezifikationen unterstützen, die mit SEaL erstellt wurden.