UML e Desenvolvimento guiado por Modelos. CMP 231 Sistemas Embarcados Prof. Flávio R. Wagner Prof. Luigi Carro

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1 UML e Desenvolvimento guiado por Modelos CMP 231 Sistemas Embarcados Prof. Flávio R. Wagner Prof. Luigi Carro 1

2 Introdução ao uso de modelos Formas de dominar a complexidade de projeto Maximizar o reuso Elevar a abstração 2

3 Introdução ao uso de modelos Formas de dominar a complexidade de projeto Maximizar o reuso Elevar a abstração Baseia-se em estratégias meet-in-the-middle Utilização de um repositório de componentes de SW e de HW para montagem rápida do sistema Projeto do sistema é baseado na configuração de componentes reutilizados Reuso de artefatos em diferentes fases de projeto e níveis de abstração 3

4 Introdução ao uso de modelos Formas de dominar a complexidade de projeto Maximizar o reuso Elevar a abstração Decisões tomadas em altos níveis de abstração podem levar a substanciais melhorias no projeto final Aumento de produtividade, projeto simplificado Geração automática da implementação a partir dos modelos de alto nível evitaria erros subseqüentes no projeto e acelera processo de desenvolvimento 4

5 Motivação para o uso de modelos Descrição em SystemC: é fácil ver a arquitetura? SC_MODULE(producer) { sc_outmaster<int> out1; sc_in<bool> start; // kick-start void generate_data () { for(int i =0; i <10; i++) { out1 =i ; //to invoke slave;} } SC_CTOR(producer) { SC_METHOD(generate_data); sensitive << start;}}; SC_MODULE(consumer) { sc_inslave<int> in1; int sum; // state variable void accumulate (){ sum += in1; cout << Sum = << sum << endl;} SC_CTOR(consumer) { SC_SLAVE(accumulate, in1); sum = 0; // initialize }; SC_MODULE(top) // container { producer *A1; consumer *B1; sc_link_mp<int> link1; SC_CTOR(top) { A1 = new producer( A1 ); A1.out1(link1); B1 = new consumer( B1); B1.in1(link1);}}; 5

6 Motivação para o uso de modelos Diagrama em UML: e agora? «sc_ctor» producer «sc_link_mp» link1 start out1 in1 «sc_ctor» consumer 6

7 Motivação para o uso de modelos Modelo permite alcançar múltiplos objetivos: Provê estrutura para a solução do problema Permite a exploração de múltiplas soluções Fornece abstração para gerenciamento da complexidade Reduz o custo de desenvolvimento Gerencia o risco de falhas 7

8 Motivação para o uso de UML Modelo permite alcançar múltiplos objetivos: Provê estrutura para a solução do problema Permite a exploração de múltiplas soluções Fornece abstração para gerenciamento da complexidade Reduz o custo de desenvolvimento Gerencia o risco de falhas Modelagem é o núcleo do desenvolvimento moderno de sistemas. Como toda atividade de engenharia, o desenvolvimento de sistemas deve ser planejado. 8

9 Linguagens de modelagem de alto nível UML: Baseada em orientação a objetos Domínio da Engenharia de SW Simulink e SCADE: Baseados em diagrama de blocos funcionais Domínios de DSP e sistemas de controle 9

10 UML - Unified Model Language Linguagem de modelagem de propósitos gerais reconhecida como padrão pela OMG desde 1997 Sucesso definitivo no projeto de sistemas convencionais O uso inteligente da UML resulta em uma melhoria de 30 a 80% no time-to-market e no reuso de IPs Tornou-se popular também na comunidade de sistemas embarcados 10

11 UML: Principais características Modelo de objetos bem definido para especificação da estrutura do sistema Modelo dinâmico eficiente através da especificação do comportamento colaborativo e individual Suporte a diferentes organizações de modelos Representação clara dos aspectos de concorrência Modelo para especificação da topologia física (implantação) Suporte a padrões de projeto orientado a objetos facilitando o reuso de decisões de projeto 11

12 UML 2.0: Diferentes visões UML 2.0 define visões para lidar com separação de interesses (separation of concerns): Visão estrutural: diagramas de classe, de componentes e de implantação Visão de interações: diagramas de sequência e de interações Visão de atividades: diagrama de atividades Visão de estados: diagrama de estados Total de 13 diagramas!!! 12

13 UML 2.0: Diagramas Estruturais Comportamentais Hierarquia de diagramas UML 13

14 UML 2.0: Diagramas Estruturais - Diagrama de Classes - Diagrama de Estrutura - Diagrama de Componente - Diagrama de Implantação - Diagrama de Objeto - Diagrama de Pacotes Hierarquia de diagramas UML 14

15 UML 2.0: Diagramas Comportamentais: - Diagrama de Atividade - Diagrama de Interações - Diag. de Seqüência - Diag. de Comunicação - Diag. de Temporização - Diagrama de Casos de Uso - Diagrama Máquina de Estados Hierarquia de diagramas UML 15

16 Limitações de modelagem em UML Não há garantias de consistência entre representações nos diversos diagramas UML é voltada à modelagem de sistemas discretos baseados em eventos Dificuldade na representação de outros modelos de computação, como tempo contínuo e dataflow Para a modelagem de domínios específicos, UML prevê mecanismos de extensão Extensões podem não ser compatíveis entre si 16

17 Limitações de modelagem em UML UML 2.0 suporta o conceito de variações semânticas. Por exemplo, não é precisamente definido: Como é realizada a recepção de eventos em máquinas de estado (existe ou não bufferização, por exemplo) A maneira com que sistemas enviam mensagens aos destinatários em uma interação (se é bloqueante ou não, por exemplo) Como especificar pontos de extensão em casos de uso Este conceito pode levar à análise inconsistente de modelos ou a incompatibilidade entre ferramentas 17

18 Estendendo UML UML 2.0 permite a definição de perfis (profiles) Extensão de UML voltada para um contexto específico de modelagem Definição de novas classes, a partir das existentes em UML, para representar conceitos de um domínio específico de aplicação Acréscimo de detalhes e informações não-funcionais estereótipos, restrições, valores tagged Exemplos de perfis padronizados: UML-SPT, MARTE, QoS&FT Não existe uma semântica formal para perfis Assim, na prática usa-se diretamente recursos de metamodelagem (MOF) para a definição de DSMLs Grande diversidade de conceitos torna complexa a extração de informações sobre modelos representados em MOF DSML: Domain Specific Modeling Language 18

19 Estendendo UML: Perfil UML-SPT UML Profile for Schedulability, Performance and Time para sistemas de tempo real Modelagem de Recursos Modelagem de Tempo Prazos de execução e periodicidade de tarefas Modelagem da Concorrência Modelos de Análise de Escalonabilidade Modelagem do Desempenho 19

20 Estendendo UML: Perfil MARTE Substituiu UML-SPT Modelagem explícita de plataformas embarcadas Elementos de processamento e de comunicação Sistemas operacionais de tempo real Modelagem do mapeamento de tarefas a elementos de processamento Especificação de requisitos não-funcionais Modelos de representação do ordenamento temporal de fluxos de comportamento Causal / temporal - relações de precedência e dependência Clocked / síncrono - noção de simultaneidade entre eventos Físico / tempo real - especificação precisa de valores de tempo 20

21 Exemplo de modelagem usando MARTE Carro que anda sobre trilho, com carga suspensa por cabo Controle do ângulo do cabo e da velocidade do carro Controle dos pontos limite do trilho 21

22 Diagrama de casos de uso 22

23 Diagrama de classes VerificadorDeSensor Faz diagnóstico de sensores de posição do carro InterfaceSensorDeÂngulo Lê valor do ângulo do cabo InterfaceSensorDePosição Lê valor da posição do carro 23

24 Estereótipos do perfil MARTE <<SchedulableResource>> Indica que objetos são recursos escalonáveis Num RTOS, são unidades de execução concorrente, como threads ou processos <<SaSharedResource>> Indica objetos que correspondem a recursos compartilhados Dinamicamente alocados aos recursos escalonáveis 24

25 Estereótipos do perfil MARTE <<SchedulableResource>> Indica que objetos são recursos escalonáveis Num RTOS, são unidades de execução concorrente, como threads ou processos <<SaSharedResource>> Indica objetos que correspondem a recursos compartilhados Dinamicamente alocados aos recursos escalonáveis 25

26 Diagrama de comunicação Diagrama para caso de uso Modo de Operação Normal Números indicam ordem das mensagens e mensagens aninhadas 26

27 Estereótipos do perfil MARTE <<TimedEvent>> indica que mensagem run() é periódica Propriedade repetition indica padrão de ativação Controlador está condicionado pelo relógio indicado por <<ClockType>>, com período de 1 ms repetition = 10 indica que run() executa periodicamente a cada 10 ms 27

28 Estereótipos do perfil MARTE <<TimedEvent>> indica que mensagem run() é periódica Propriedade repetition indica padrão de ativação Controlador está condicionado pelo relógio indicado por <<ClockType>>, com período de 1 ms repetition = 10 indica que run() executa periodicamente a cada 10 ms 28

29 Estereótipos do perfil MARTE <<TimedEvent>> indica que mensagem run() é periódica Propriedade repetition indica padrão de ativação Controlador está condicionado pelo relógio indicado por <<ClockType>>, com período de 1 ms repetition = 10 indica que run() executa periodicamente a cada 10 ms 29

30 Diagrama de máquina de estados Diagrama para objeto Controlador 30

31 Diagrama de atividades Permite representação de laços, condições e repetições Exemplo mostra comportamento dataflow do objeto Controlador Computação de equação de controle que calcula tensão de alimentação do motor do carro 31

32 Diagrama de sequência 32

33 Diagrama de sequência Linhas de tempo para objetos ativos e passivos 33

34 Diagrama de sequência Troca de mensagens para ativação de objetos 34

35 Diagrama de sequência Retorno ao objeto chamador 35

36 Diagrama de sequência Referências a outros diagramas 36

37 Diagrama de implantação Especificação da implantação (modelo físico): Diagrama de implantação (Deployment) Exemplo de um diagrama de implantação 37

38 Diagrama de implantação Especificação da implantação (modelo físico): Diagrama de implantação (Deployment) Componentes de SW ou tarefas Elemento de processamento Exemplo de um diagrama de implantação 38

39 Geração de código a partir de UML Geração de código estrutural Somente diagramas estruturais são utilizados Ferramentas geram esqueletos de código Geração de código comportamental Código comportamental gerado a partir de diagramas comportamentais - estados, sequência, colaboração Ferramentas usuais utilizam apenas diagramas de máquinas de estados - Artisan Studio, Rhapsody, UniMod Uso de linguagens para descrever métodos e ações Linguagem da implementação alvo - Java, C Linguagens de ação proprietárias iuml, BridgePoint UML Suite, Telelogic Tau Architect / Developer 39

40 Aplicando UML: Boas práticas Aplicar um sub-conjunto da UML relevante para sua atividade Focar nos artefatos de modelagem mais valiosos Modelar em múltiplos níveis de abstração Selecionar o nível apropriado de detalhes Determinar e utilizar um estilo de modelagem 40

41 Desenvolvimento guiado por Modelos Model-Driven Engineering 41

42 Introdução Desenvolvimento tradicional Problema de produtividade - artefatos iniciais são em geral abandonados Problema de portabilidade - mudanças constantes na tecnologia Manutenção da documentação - desatualizada e má escrita Tentativa de solução: ferramentas CASE (Computer Aided Software Engineering) Representação gráfica para conceitos essenciais Geração automática de código a partir de representações gráficas 42

43 Introdução Fracasso das ferramentas CASE Plataformas eram bastante limitadas e dificultavam a geração de código Representações gráficas genéricas demais não suportavam todos os domínios de aplicação Também não eram facilmente personalizáveis Atualmente, as plataformas são bastante poderosas, mas... São extremamente complexas Existe uma constante (r)evolução das tecnologias Reuso limitado 43

44 Introdução Fracasso das ferramentas CASE Plataformas eram bastante limitadas e dificultavam a geração de código Representações gráficas genéricas demais não suportavam todos os domínios de aplicação Também não eram facilmente personalizáveis Atualmente, Alta complexidade as plataformas e as várias são bastante tecnologias poderosas, existentes mas dificultam o reuso! São extremamente complexas Existe uma constante (r)evolução das tecnologias Reuso limitado 44

45 MDE (Model Driven Engineering) Desenvolvimento guiado por modelos Permite abstração de plataformas complexas Independência de tecnologia de implementação Reuso de artefatos (documentos, modelos e código) em diferentes fases do desenvolvimento 45

46 MDE (Model Driven Engineering) MDE é baseada em dois princípios: Linguagens de Modelagem Específicas para cada Domínio (DSML - Domain Specific Modeling Languages) - uma linguagem adequada para cada domínio de aplicação Mecanismos para transformações (Transformation Engines) - permitem gerar, a partir de modelos, os artefatos necessários para a implementação da aplicação 46

47 MDE (Model Driven Engineering) Expressa eficientemente os conceitos do: Domínio do problema (rodas, direção, transmissão em um sistema automotivo) Domínio da solução (escalonador, tarefas, processadores e objetos em um sistema embarcado) MDE usa modelos para representar Componentes de um sistema Relações entre os componentes do sistema Transformações entre os modelos 47

48 MDE (Model Driven Engineering) Variantes atuais de MDE: MIC (Model Integrated Computing) Diferentes linguagens de modelagem (DSMLs) para cada tipo de aplicação Diferentes mecanismos para transformações entre modelos MDA (Model Driven Architecture) UML como linguagem universal de modelagem QVT como linguagem para transformações Plataformas alvo: EJB (Enterprise Java Beans), CCM (CORBA Component Model), 48

49 MDA- Model Driven Architecture UML meta-model PIM UML Application Model UML Platform Model PM UML meta-model Mapping PSM Implementation Model Implementation: Map PIM to PM => PSM Implementation Meta-model PIM - Platform-independent model PM - Platform model PSM - Platform-specific model

50 Discussão: UML e MDE MDA é fortemente baseado em UML: Pode UML suportar a modelagem de qualquer tipo de aplicação? Transformações entre modelos requer semântica precisa: É possível se dar uma semântica coerente para UML? UML tem se tornado bastante complexa e muitos desejam ambigüidade como recurso para modelagem 50

51 Discussão: UML e MDE Quão detalhado deve ser um Modelo Independente de Plataforma (PIM)? Análise/projeto é bem diferente de programação Se precisar ser muito detalhado, torna-se complexo, voltando ao problema que MDE tenta justamente resolver Este problema é um dos que inviabilizou as ferramentas CASE 51

52 Abordagens baseadas em MDE Algumas não seguem todos os padrões da OMG Algumas das mais recentes GME - Vanderbilt University MILAN - University South California DaRT - INRIA TopCased - comunidade open source MoDES - LSE/UFRGS 52

53 Abordagens baseadas em MDE: GME Ferramenta para desenvolvimento de linguagens visuais de modelagem para domínios específicos de aplicação Diagrama de classes UML para descrever meta-modelos Editor visual automaticamente gerado Editor suporta a criação de diagramas para o domínio, bem como artefatos de projeto Linguagens de modelagem para domínios específicos 53

54 Abordagens baseadas em MDE: GME GME: Generic Modeling Environment 54

55 Abordagens baseadas em MDE: GME ECSL (Embedded Control Systems Language): uma outra DSML Na verdade, um conjunto de linguagens gráficas Modelagem da funcionalidade usando conceitos do Simulink/Stateflow SL/SF Modelagem de componentes de software, que são associados para modelos funcionais no SL/SF Descrição da topologia de hardware, incluindo processadores e as conexões entre eles Modelagem da Implantação (deployment), onde o mapeamento dos componentes de software para os elementos de hardware elementos é indicado DSML - Domain Specific Modeling Languages 55

56 Abordagens baseadas em MDE: MILAN MILAN: Model based Integrated simulation Application (Task Graph) Hardware Resources GME Generic Modeling Environment (GME) Application Model Resource Model Constrains Model Design Design Space Space Design Space Exploration (DESERT, tools based on analytic techniques) RT Simulator Feed-back Cycleaccurate Simulator Offline Estimates ISA Simulator Performance estimator at high-level Identify a set of design candidates Final Design Accuracy Abstraction Level Hierarchy Simulation 57

57 Abordagens baseadas em MDE: MILAN Meta-modelo da Aplicação Captura funcionalidade por meio de um grafo de fluxo de dados (dataflow graph) similar ao Simulink Não representa dependências entre tarefas 58

58 Abordagens baseadas em MDE: MILAN Meta-modelo de Recursos classificação hierárquica de componentes parametrizados pode ser usado na implementação de aplicações 59

59 Abordagens baseadas em MDE: MILAN Meta-modelo de Restrições Captura restrições de projeto (consumo de energia, área, etc.) e restrições semânticas que são específicas para cada domínio. Meta-modelo de Desempenho Funções que relacionam a funcionalidade e parâmetros de um dado componente de hardware com métricas de desempenho da tarefa que é mapeada para o componente. Meta-modelo de Comunicação Ainda por ser definido, deve ser usado como uma representação canônica para a troca de informação entre diferentes simuladores Dentre estes simuladores se destaca o SimpleScalar, desenvolvido na USC. 60

60 Abordagens baseadas em MDE: DaRT DaRT: Data Parallelism to Real Time 61

61 Abordagens baseadas em MDE: DaRT Meta-modelos usam MOF para especificar aplicações, arquiteturas e associações entre hardware e software Não há estratégia para exploração do espaço de projeto baseado em transformação de modelos 62

62 Abordagens baseadas em MDE: TOPCASED TOPCASED: Toolkit in Open source for Critical Application & SystEms Development Execução de Modelos Integração com DSMLs Verificação de Modelos Geração de Software (ex: editores de modelos) topcased.org DSMLs - Domain Specific Modeling Languages 63

63 ModES: Model-based Embedded System ModES (Model-based Embedded System) Framework (método, processo e ferramentas) Metodologia de desenvolvimento guiado por modelos Infra-estrutura de meta-dados e API Maquina de transformação Padrões OMG: MOF, QVT, UML, XMI 64

64 ModES: Model-based Embedded System Meta-modelos definidos através de diagramas de classes UML Provê 4 meta-modelos baseados no Y-chart Internal Application Internal Platform Mapping Implementation 65

65 ModES: Model-based Embedded System Requisitos RT-FRIDA Edison Análise e Projeto Estimativa Exploração SPEU H-Spex Marcio e Lisane Infra-estrutura ModES Assis Geração/Síntese?? Marco e Lisane Fluxo de projeto e pesquisa do ModES 66

66 Referências Bibliográficas [DaRT] BONDÉ, L.; DUMOULIN, C.; DEKEYSER, J.-L. Metamodels and MDA transformations for embedded systems. In FDL04, Lille, France, September [GME] DAVIS, J., GME: The Generic Modeling Environment. Proc. OOPSLA-18, Anaheim, CA, USA, October [MDA] MDA Guide Version 1.0.1, OMG, document number: omg/ , June 2003 [MDDa] BALASUBRAMANIAN, K. et al. Developing Applications Using Model Driven Design Environments. IEEE Computer, v.23, n.25-31, p , Feb [MDDb] MELLOR, S.; CLARK, A. N.; FUTAGAMI, T. Model Driven Development. IEEE Software, p , Sept./Oct [MDE] SCHMIDT, Douglas C. Model Driven Engineering. IEEE Computer, v.23, n.25-31, p , Feb [MoDES] NASCIMENTO, F. A. do; OLIVEIRA, M. F. S. ; WAGNER, F. R. MoDES: Model based design for Embedded System. In: Workshop Series on Model-based Methodologies for Pervasive and Embedded Software, [MILAN] BAKSHI, A.; PRASANNA, V.K.; LEDECZI, A. MILAN: A Model Based Integrated Simulation Framework for Design of Embedded Systems, Workshop on Languages, Compilers, and Tools for Embedded Systems (LCTES 2001), June [PBD] SANGIOVANNI-VINCENTELLI, A. et al. Benefits and Challenges for Platform Based Design. In: Proceedings of Design Automation Conference (DAC), [Simulink] MATHWORKS, The. Simulink: Model-Based and System-Based Design, [SPT] UML SPT - UML Profile for Schedulability, Performance, and Time. Object Management Group (OMG) document ptc/ , [UML] UML - Unified Modeling Language, Version 2.0. OMG document,