Modele și limbaje pentru specificația sistemelorusers.utcluj.ro/~baruch/media/scd/curs/SCD-Modele-2.pdf · •Tipuri de modele ... •Scheme la nivel de porți: sunt reprezentate

Modele și limbaje pentru specificația sistemelor

•Introducere•Tipuri de modele•Modele și limbaje•Exemplu•Modele orientate pe stare•Modele orientate pe activitate•Modele orientate pe structură•Modele orientate pe date•Modele eterogene•Limbaje pentru specificația sistemelor

Sisteme de calcul dedicate (02-2) 16.10.2018 1

Modele orientate pe structură (1)

•Diagramă de conectivitate a componentelorReprezintă un set de componente și interconexiunile dintre acesteaNu descrie funcționarea sistemuluiComponente (noduri): obiecte structurale cu un set definit de intrări și ieșiriConexiuni: semnale, magistraleDiagramele de conectivitate se pot include în diferite modele de reprezentare


Modele orientate pe structură (2)

Exemple•Scheme-bloc la nivel de sistem: procesoare,

memorii, circuite ASIC

•Scheme la nivel RT: UAL, registre, MUX, DCD, magistrale

•Scheme la nivel de porți: sunt reprezentate complet conexiunile de date și de control

Utilizare: în fazele avansate ale procesului de proiectare, pentru specificarea implementării sistemului


Modele și limbaje pentru specificațiasistemelor



Modele orientate pe date

•Modele orientate pe dateDiagrama entitate-relație

Diagrama Jackson


Diagrama entitate-relație (1)

•ERD (Entity-Relationship Diagram)Definește sistemul ca o colecție de entități și relațiile dintre eleEntitate: •Tip de date cu unul sau mai multe atribute

Relație: •Reprezintă informații relevante pentru entități

Utilizare: pentru reprezentarea datelor între care există relații complexeNu descrie comportamentul funcțional


Diagrama entitate-relație (2)

•Reprezentarea informațiilor pentru comanda diferitelor produse de către un magazin

16.10.2018 Sisteme de calcul dedicate (02-2) 7

Modele orientate pe date

•Modele orientate pe dateDiagrama entitate-relație

Diagrama Jackson


Diagrama Jackson (1)

•Descrie datele individuale prin structura lorDescompune datele în sub-date

•Structură arborescentăNoduri terminale pentru tipuri de date de bazăNoduri non-terminale pentru tipuri compuse

•Tipurile compuse sunt obținute prin operații:Compoziție (AND): tipuri formate din două sau mai multe sub-tipuri



Selecţie (OR): tipuri formate prin selecția unui singur sub-tip

Iterație (*): sunt replicate anumite elemente ale sub-tipurilor

•Utilizare: pentru reprezentarea datelor cu o structură compusă complexă

•Limitări: nu descrie comportamentul funcțional și nici cel temporal al sistemului



•Diagramă Jackson pentru modelarea unui set de obiecte ale unui desen


Modele și limbaje pentru specificația sistemelor



Modele eterogene

•Modele eterogeneGraf al fluxului de control/date

Diagrama de structură

Model obiectual

Automat de stare al programului


Graf al fluxului de control/date (1)

•CDFG (Control/Data Flow Graph)Combină avantajele modelelor CFG și DFG

Conține:•Modele DFG pentru reprezentarea fluxului de date

între activități

•Un model CFG pentru reprezentarea secvențieriiîntre modelele DFG

Indică în mod explicit dependențele de date și secvența de control într-o singură reprezentare



(a) Cod de program; (b) Modelul CDFG corespunzător



•Un model CDFG poate fi utilizat și pentru a reprezenta activitățile și acțiunile de control necesare pentru un sistemModel CDFG la nivel de activitate

Model CFG combinat cu un model DFG

Modelul CFG: •Răspunde la evenimente externe și interne

•Controlează execuția modelului DFG prin acțiuni de control





•Avantaje:Elimină dezavantajul modelului DFG de a nu putea reprezenta partea de control a sistemului

Elimină dezavantajul modelului CFG de a nu putea reprezenta dependențele de date

•Utilizare:Sisteme de timp real

Sinteza funcțională a circuitelor ASIC


Modele eterogene



Model obiectual



Diagrama de structură (1)

•Poate specifica datele, activitățile și accesele de control ale unui sistem

•Este utilă pentru proiectarea programelor

•Noduri: reprezintă activități

•Arcuri: reprezintă apeluri de proceduri sau funcții dintr-un limbaj de programareSe indică datele transferate între activități

•Controlul execuției activităților: ramificație; iterație; apel de subrutină





•Diagrama de structură nu specifică în mod complet secvența de execuțieExemplu: nu se cunoaște ordinea în care se apelează procedurile

•Pune la dispoziție construcții pentru controlul ramificațiilor, iterațiilor și al apelurilor de proceduri între module

•Utilizare: în etapele preliminare ale proiectării programelor secvențiale


Modele eterogene



Model obiectual



Model obiectual (1)

•A evoluat de la modelele orientate pe date

•Sistemul este reprezentat ca un set de obiecteUn set de date

Un set de operații asupra datelor

•CaracteristiciAbstractizarea datelor: încapsularea datelor în

fiecare obiect•Datele sunt invizibile pentru alte obiecte

Concurența: obiectele își execută operațiile independent de cele ale altor obiecte


Model obiectual (2)

•Exemplu de sistem cu obiecte și funcții de transformare


Modele eterogene



Model obiectual



Automat de stare al programului (1)

•PSM (Program-State Machine)Combină modelul HCFSM cu paradigma limbajelor de programareIerarhie de stări ale programului: fiecare stare reprezintă un mod distinct de calculPSM cu o singură stare: echivalent cu un program secvențial → dacă acțiunile stării sunt definite printr-un program secvențialPSM cu mai multe stări: echivalent cu un model HCFSM → dacă acțiunile sunt instrucțiuni de asignare



Stări simple: calculele sunt descrise prin instrucțiuni ale limbajului de programare

Stări compuse: pot fi descompuse în sub-stări concurente sau secvențiale

Secvențierea între sub-stări: indicată prin arcuri de tranziție•Arc de tranziție la terminare (TOC – Transition On

Completion): este parcurs atunci când condiția asociată este adevărată și s-au terminat calculele sub-stării sursă



•Arc de tranziție imediată (TI – TransitionImmediately): este parcurs imediat ce condiția asociată devine adevărată

Reprezentarea grafică•Sistem: •Stare a programului: •Relație concurentă între stări: •Tranziție: •Arc TOC: începe dintr-un pătrat aflat în interiorul

stării•Arc TI: începe de la perimetrul stării




up = down = 0; open = 1;

while (1) {

while (req == floor);

open = 0;

if (req > floor) { up = 1;}

else {down = 1;}

while (req != floor);

open = 1;

delay(10);

}

ModNormal

ModIncendiu

up = 0; down = 1; open = 0;

while (floor > 1);

up = 0; down = 0; open = 1;

fire!fire

UnitControl

ControlerAscensor

RezCereri

...

req = ...

...

int req;


Utilizare: pentru sisteme cu date și activități complexe asociate cu stările•Poate reprezenta stările, datele și activitățile într-

un singur model

Avantaj față de limbajele de programare: poate modela stările în mod explicit•Sistemul poate fi specificat prin descompunerea

ierarhică a stărilor până când se pot utiliza construcțiile unui limbaj


Modele și limbaje pentru specificațiasistemelor



Limbaje pentru specificația sistemelor

•Cerințe pentru specificația sistemelor dedicate

•HardwareC

•SystemC

•Statecharts

•SysML


Cerințe pentru specificația sistemelor dedicate (1)

•Caracteristici tipice ale sistemelor dedicate

•Tranziții între stări

Sistemele dedicate sunt bazate pe stări

Tranzițiile între stări sunt determinate de evenimente externe

•Ierarhia funcțională

Funcționarea sistemului – descompusă în mod ierarhic într-un set de moduri (comportamente) secvențiale și concurente



•ExempluModurile P, Q, R, S

•Fiecare mod poate conține calcule complexe

•Fiecare mod poate fi descompus în sub-moduri

•Fiecare mod răspunde în mod diferit la evenimentele externe



•ConcurențaModuri de funcționare care cooperează între ele pentru a realiza funcția sistemuluiConcurența la nivel de taskConcurența la nivel de instrucțiune

•ExcepțiiÎntreruperi ale funcționării sistemuluiSistemul termină operațiile curente și trece în următorul mod de funcționare



•ExempluTerminarea imediată



•Construcții de programareAnumite calcule pot fi reprezentate într-un mod mai natural prin algoritmi bazați pe construcții de programare

•Terminarea funcționăriiExecuția activităților unui sistem dedicat nu se repetă la infinit

Este necesară specificarea terminării funcționării → inițierea altei activități




•HardwareC

•SystemC

•Statecharts

•SysML


HardwareC (1)

•Conceput ca un limbaj de descriere hardware orientat pe sinteza sistemelor digitaleDispune de semantică și construcții pentru descrierea circuitelor

•Specificația unui sistem: un singur nivel de procese concurente care comunică între eleProcesele pot fi incluse într-o ierarhie de blocuri interconectate → ierarhie structurală


HardwareC (2)

•ConcurențaLa nivel de task: prin procese; fiecare specifică operații secvențiale → limbaj CLa nivel de instrucțiune: prin instrucțiunea de compunere paralelă•Exemplu:<

x = b + c;

y = d – e;

>


HardwareC (3)

•Comunicația între proceseMemorie partajată: printr-un mediu partajat (conexiuni, memorie) între două porturi•Porturile sunt declarate la marginile proceselor sau

ale blocurilor din care fac parte

•Protocolul este specificat ca parte a procesului

Transmitere de mesaje: se utilizează construcții explicite send-receive•Se declară canale de comunicație

•Protocolul va fi sintetizat în mod automat


HardwareC (4)

•Sincronizarea proceselor: prin transmitere de mesaje cu blocareUn proces va aștepta până la recepția unui

semnal de la un alt proces → msgwait

•Constrângeri temporale între instrucțiuni: prin asocierea unor etichete cu instrucțiunile

•Constrângeri ale resurselor: prin numărul de instanțe ale unui model care vor fi utilizate pentru sinteză

•Nu permite specificația tranzițiilor între stări sau a excepțiilor




•HardwareC

•SystemC

•Statecharts

•SysML


SystemC (1)

•Permite specificarea atât a părții hardware, cât și a părții software a sistemuluiNu este necesară translatarea specificației

hardware într-un alt limbaj (de ex., VHDL)

Verificarea funcționării întregului sistem poate fi realizată în fazele inițiale

•Prima versiune a limbajului - publicată în 1999

•În 2005, SystemC a fost standardizat de IEEE (IEEE 1666)


SystemC (2)

•SystemC este de fapt:O bibliotecă de clase (C++)Un nucleu de simulare

•Caracteristici:Extinde limbajul C++ cu macrouri și alte construcții pentru proiectarea hardwareIntroduce concurența → proceseIntroduce conceptul de timpPermite execuția paralelă pentru simulare


SystemC (3)

•ModuleReprezintă componentele sistemului

•Descriu interfața

Sunt similare cu entitățile din limbajul VHDLPot fi ierarhiceSunt definite prin macroul SC_MODULE

•CanalePermit comunicația între modulePot modela diferite protocoaleSunt specificate de interfețe


SystemC (4)

•PorturiReprezintă interfețele dintre module și canale

Sunt similare cu porturile din limbajul VHDL

•ProcesePermit modelarea concurenței

Sunt asociate cu un modul

Sunt declanșate de semnale → listă de sensibilitate

Sunt similare cu arhitecturile (VHDL)


SystemC (5)

Tipuri de procese: fire de execuție; metodeFire de execuție•Sunt lansate o singură dată de simulator•Execuția poate fi suspendată cu metoda wait•Conțin, de obicei, o buclă infinită•Sunt definite prin macroul SC_THREAD

Metode•Execuția acestora nu poate fi suspendată•După execuție controlul revine simulatorului•Sunt definite prin macroul SC_METHOD




•HardwareC

•SystemC

•Statecharts

•SysML


Statecharts (1)

•Limbaj grafic elaborat pentru specificarea sistemelor reactive

•Extinde modelul FSM cu: ierarhie; concurență; comunicațieCorespunde modelului HCFSM

•Obiectul de bază: starea•Tranzițiile între stări sunt determinate de o combinație de evenimente și condiții


Statecharts (2)

•Ierarhia funcțională: o specificație poate fi descompusă într-o ierarhie de stăriDescompunere SAU (secvențială): o stare poate fi formată din sub-stări secvențiale și tranziții

Descompunere ȘI (concurentă): o stare poate fi formată din sub-stări ortogonale

•Se pot asocia acțiuni cu arcurile de tranziție și cu stările


Statecharts (3)

•Specificația temporală: printr-o tranziție specială (timeout) Condiția tranziției este o limită de timpTranziția este executată automat dacă starea sursă este activă pentru un timp egal cu limita

•Comunicația: implementată printr-un mecanism cu difuzare (broadcast)Generarea evenimentelor, actualizarea variabilelor, tranziții → difuzate imediat


Statecharts (4)

•Sincronizarea(a) Prin inițializare

(b) Printr-un eveniment comun


Statecharts (5)

(c) Prin date (variabile) comune

(d) Prin detecția stării


Statecharts (6)

•Statecharts implementează conceptul de istorie a sistemului

•Statecharts poate specifica funcționarea nedeterministăDacă există două tranziții dintr-o stare, se alege

una în mod nedeterminist

•Dezavantaje: Nu dispune de construcții de programare

Nu permite specificarea structurii


Documents

Modele și limbaje pentru specificația sistemelorusers.utcluj.ro/~baruch/media/scd/curs/SCD-Modele-2.pdf · •Tipuri de modele ... •Scheme la nivel de porți: sunt reprezentate