SPI-Workbench - Modellierung, Analyse und Optimierung eingebetteter Systeme

Das SPI-Modell dient zur Repräsentation von heterogenen eingebetteten Systemen. Basierend auf diesem Modell wurde in einem Forschungsverbund zwischen der TU Braunschweig, der Universität Erlangen-Nürnberg und der ETH Zürich die systemweite Analyse und Optimierung eingebetteter Systeme untersucht und in der SPI-Workbench integriert. Besonderes Augenmerk wurde auf die domänenübergreifende Integration von Systemteilen gelegt. Dieser Beitrag wird die Ergebnisse dieses erfolgreichen Projektes zusammenfassen: Zunächst wird die SPI-Workbench sowie die Idee von SPI eingeführt. Anschließend wird die Analyse des Zeitverhaltens diskutiert. Zum Abschluss werden neue Ansätze zur Entwurfsraumexploration basierend auf dem SPI-Modell vorgestellt. Die in dem SPI-Projekt entstandenen Ergebnisse stellen über den Projektzeitraum hinaus eine wesentliche Grundlage für State-of-the-Art Forschung im Bereich Entwurf heterogener eingebetteter Systeme dar. 1 Einleitung Komplexe eingebettete Systeme wie mobile Kommunikationsgeräte, Industriesteuerungen, Medizintechnik, etc. sind von Natur aus meist heterogen. Ein Aspekt der Heterogenität liegt in den unterschiedlichen Berechnungsmodellen, die diese Systeme oder Teile hieraus beschreiben. So beschreibt ein Modell eines Audiosystems überwiegend die Transformation von Eingangsströmen in Ausgangsströme, während eine Industriesteuerung auf Eingangsereignisse reagiert. Ein Beispiel für ein System, das sowohl reaktive als auch transformative Komponenten enthält, ist das Mobiltelefon. Im Zusammenhang mit gemischt reaktiven/transformativen Systemen liegen Probleme in den Bereichen der Analyse, Synthese, Optimierung und Verifikation. Die hier vorgestellten Ergebnisse sind in einer Kooperation der TU Braunschweig (Prof. Ernst), der Universität Erlangen-Nürnberg (Prof. Teich) und der ETH Zürich (Prof. Thiele) entstanden. Innerhalb dieser Kooperation wurden Modelle und Methoden zum Entwurf gemischt reaktiv/transformativer eingebetteter Systeme entwickelt. Das Ergebnis ist das SPI-Modell (System Property Intervals), das in der Lage ist, von vielen bekannten Modellen zu abstrahieren. Für dieses Modell wurden Methoden entwickelt, die entweder direkt aus bekannten Methoden abgeleitet oder gänzlich neu entwickelt wurden. Die Philosophie besteht also darin, sowohl domänenspezifische Modelle und Analyseverfahren zu integrieren als auch neue Modelle einfach in das resultierende Entwurfssystem einbringen zu können (siehe 693 Subsystem n (Sprache n) Subsystem 2 (Sprache 2) (Sprache 1) Subsystem 1 Subsystem 2 (Sprache 2) (Sprache 1) Subsystem 1 Subsystem n (Sprache n) Validierung Entwurf & Optimierung Analyse Synthese Verifikation Abbildung 1: Domänenspezifischen Spezifikationen werden in dem SPI-Modell gekapselt. Anschließend kann eine globale Analyse, Synthese, Optimierung oder Verifikation des Modells erfolgen. Abbildung 1). Die Ergebnisse der durchgeführten theoretischen Untersuchungen wurden implementiert und prototypisch in der SPI-Workbench integriert. 2 Das SPI-Modell Zu Beginn des SPI-Projektes wurde das SPI-Modell (System Property Intervals) definiert [ZRE02, STG01, Str00, Zie02]. Die Besonderheit des SPI-Modells liegt vor allem in den Bereichen a) Modellierung von Kontrollund Datenfluss und b) Modellierung von unsicherem Verhalten durch Intervalle. Ein einfaches SPI-Modell, bestehend aus drei Prozessen (P1, P2 und P3) welche über zwei Kanäle (C1 und C2) miteinander kommunizieren, ist in Abbildung 2 gegeben. Sowohl den Kanälen Ci als auch den Prozessen Pi sind Latenzzeiten latCi bzw. latPi zugeordnet, welche die Bearbeitungszeit eines Kanals bzw. Prozesses darstellen. Weiterhin sind Parameter sCi und rCi den Kanälen Ci zugeordnet. Diese geben die Anzahl der produzierten bzw. konsumierten Daten bei Ausführung des jeweiligen Prozesses an. Die Anzahl der Marken, die in einem Kanal Ci gespeichert sind, werden durch den Parameter dCi modelliert. P1 1 C C2 P3 P2 lat P2 lat C1 lat P1 lat C2 lat P3 C1 s C1 r sC2 r C2 C1 d dC2 P2 a a P1 P2 a Abbildung 2: Einfaches Beispiel eines SPI-Prozessgraphen. Die Prozesse P1, P2, und P3 kommunizieren über Kanäle C1, C2. Die Parameter lat, s, r, und d sind durch Intervalle spezifiziert. Die Aktivierungsfunktionen aPi beeinflussen die Ausführung eines Prozesses Pi.