Spezifikation und automatisierte Implementierung zeitkritischer Systeme mit TC-SDL

D. Christmann

Masterarbeit, Fachbereich Informatik, Technische Universität Kaiserslautern, 2010

Abstract

Diese Masterarbeit behandelt die Entwicklung zeitkritischer Systeme mit ITU-T's Specification and Description Language (SDL). Die Sprache SDL, die mittlerweile auf eine über 30jährige Geschichte zurückblickt, eignet sich durch hierarchische Strukturierungsmöglichkeiten für die modellgetriebene Entwicklung komplexer nebenläufiger Systeme und hat dies bereits in vielen Applikationen aus den Bereichen Telekommunikation und Netzwerkprotokolle nachgewiesen. An vielen Stellen, beispielsweise bei der Ausführungsreihenfolge von Agenten eines SDL-Systems, fehlt es allerdings an Ausdrucksstärke, um in ausreichendem Ausmaß Einfluss auf das Laufzeitverhalten von zeitkritischen Systemen zu nehmen. Mit Time-critical-SDL (TC-SDL) führt diese Masterarbeit eine Erweiterung von SDL ein, die es anhand von Annotationen in der SDL-Spezifikation ermöglicht, das Laufzeitverhalten entsprechend den Anforderungen eines Szenarios zu beeinflussen. Im Konkreten wird dem Entwickler eines SDL-Systems die Möglichkeit gegeben, zwischen verschiedenen Planungsverfahren zu wählen und zeitkritische Systemkomponenten durch die Vergabe von Prioritäten in der Ausführung zu bevorzugen. Hierzu wird das SDL-Laufzeitsystem SdlRE um ein Framework für Planungsverfahren erweitert, in das ein prioritätsbasiertes Planungsverfahren eingegliedert wird. Des Weiteren wird in dieser Arbeit mit Black Burst Synchronization (BBS) ein Synchronisations protokoll behandelt, dessen Realisierung mit SDL aufgrund der hohen zeitlichen Anforderungen ausscheidet. Die Lösung dieser Einschränkung besteht aus einem Kompromiss, der einerseits auf einer effizienten Implementierung des Protokolls in der Programmiersprache C beruht, andererseits aber ein komfortables Konfigurationsinterface in SDL zur Verfügung stellt. Anschließend wird die funktionale und quantitative Evaluation sowohl des prioritätsbasierten Planungsverfahrens als auch der Realisierung von BBS beschrieben. Die Evaluationen wurden experimentell auf der Imote2-Plattform durchgeführt. Die Ergebnisse des prioritätsbasierten Planungsverfahrens zeigen dabei, dass in der Integration adäquater Planungsverfahren ein großes Potential hinsichtlich der Vorhersagbarkeit von SDL-Systemen und deren Eignung für zeitkritische Systeme steckt. Ferner weisen die Ergebnisse der Evaluation von BBS die Anwendbarkeit des Protokolls in Single- und Multi-Hop-Topologien nach.

This master's thesis covers the development of time-critical systems with ITU-T's Specification and Description Language (SDL). Due to options for hierarchical structuring, SDL, a language looking back on it’s history more than 30 years by now, is qualified for the model-driven development of complex concurrent systems and demonstrated its ability in applications in the areas of telecommunication and network protocols. However, in many cases, e.g., the execution order of agents of SDL systems, SDL is missing expressiveness to influence the runtime behavior of time-critical systems in a sufficient way. This thesis introduces Time-critical-SDL (TC-SDL), an extension of SDL, which enables the manipulation of the runtime behavior by means of annotations in the SDL specification according to the scenario’s demands. In detail, the developer is given the possibility to choose between several scheduling strategies and to prefer the execution of time-critical components by assigning priorities. For this, the SDL runtime environment SdlRE is extended by a framework for scheduling strategies, in which a priority-based scheduling strategy is integrated. In addition, the thesis presents Black Burst Synchronization (BBS), a synchronization protocol, whose realization with SDL is ruled out due to the high time requirements. The solution to this limitation consists of a trade-off, which is on the one hand based on an efficient implementation of the protocol in the programming language C, on the other hand, it provides a convenient configuration interface in SDL. Thereafter, the thesis describes the functional and quantitative evaluation of both the prioritybased scheduling strategy and the realization of BBS. The evaluations were done on the Imote2 platform experimentally. The results of the priority-based scheduling strategy show that the integration of appropriate scheduling strategies offers a high potential according to the predictability of SDL systems and their qualification for time-critical systems. In addition, the evaluation of BBS shows the applicability of the protocol in a single as well as a multi hop topology.

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