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Verhaltensbeschreibung und Spezifikationssprachen TECHNISCHE UNIVERSITÄT ILMENAU Integrierte Kommunikationssysteme http://www.tu-ilmenau.de/iks Verhaltensmodelle Zustandsautomaten (FSM) Nicht-deterministische Zustandsautomaten (NDFSM) Parallele Zustandsautomaten Petri-Netz (PN) Datenflussgraph (DFG) Kontrollflussgraph (CFG) Kontroll-Datenflussgraph (CDFG) Spezifikationssprachen StateCharts SDL VHDL SystemC ... Grundkonzepte Nebenläufigkeit Hierarchie Kommunikation Synchronisation Ausnahmebehandlung Nicht-Determinismus Timing

TECHNISCHE Spezifikationssprachen UNIVERSITÄT ILMENAU · Ausgänge schalten synchron oder asynchron zu Zustandsübergängen, deterministisch ... Einfache Ansteuerung mit 3 Zuständen:

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Verhaltensbeschreibung und SpezifikationssprachenTECHNISCHE

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Verhaltensmodelle Zustandsautomaten (FSM)Nicht-deterministische

Zustandsautomaten (NDFSM)Parallele ZustandsautomatenPetri-Netz (PN)Datenflussgraph (DFG)Kontrollflussgraph (CFG)Kontroll-Datenflussgraph (CDFG)

Spezifikationssprachen StateCharts SDL VHDL SystemC ...

Grundkonzepte NebenläufigkeitHierarchieKommunikationSynchronisationAusnahmebehandlungNicht-DeterminismusTiming

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Integrated Communication Systems 2Andreas Mitschele-Thiel 21-Nov-17

Zustandsautomaten: Finite State Machines (FSM)

Funktionelle Dekomposition in (Bearbeitungs- oder System-) Zustände

Endliche (finite) Zustandsmenge, Ein- und Ausgabe(alphabet) Verarbeitet Eingangszeichenfolge zu Ausgangszeichenfolge

Zeichen = Wert einer Variablen (SW) oder eines Vektors (HW) Zustandsübergänge (Transitionen):

zeitlos, ereignisgesteuert, deterministisch Ausgänge schalten synchron oder asynchron zu

Zustandsübergängen, deterministisch Keine Nebenläufigkeit (sequentieller Automat) Flache Struktur (keine Hierarchie)

Typische Anwendungen:

reaktive (Steuerungs-)Systeme Protokolle (Telekommunikation, Systembaugruppen, …)

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Integrated Communication Systems 3Andreas Mitschele-Thiel 21-Nov-17

Beispiel Fahrstuhlsteuerung

Identifikation des zu entwickelnden Systems (Analyse)

Umgebung/Schnittstellen:- Aktoren (Antrieb) für Auf- und Abfahrt- Aktoren (Antriebe) für Türen- Aktoren (Anzeigen) auf Etage und im Aufzug- Bediensensoren (auf Etagen und im Aufzug)- Zustandssensoren (Etagen, Türen)- Sicherheitsspezifische Sensorik

System:- Steuerung der Aktoren auf Basis der

Eingaben/Sensorik

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Integrated Communication Systems 4Andreas Mitschele-Thiel 21-Nov-17

Beispiel Fahrstuhlsteuerung: Identifikation des Systems

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Integrated Communication Systems 5Andreas Mitschele-Thiel 21-Nov-17

Beispiel Fahrstuhlsteuerung: Identifikation des SystemsIdentifikation der Schnittstellen der Steuerung und Abgrenzung von der Umgebung

? ?

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Integrated Communication Systems 6Andreas Mitschele-Thiel 21-Nov-17

Beispiel Fahrstuhlsteuerung: Spezifikation der SchnittstellenIdentifikation der Schnittstellen: Sensorik/Input und Aktorik/Output der Steuerung

Sensorik:

x0 - x3: Eingabe Zieletage im Aufzug

X4 - x7: Kontakt zur Meldung der Position (Etage) des Aufzugs

x8 - x10: Eingabe zur Anforderung des Aufzugs in Abwärtsrichtung je Etage

x11- x13: Eingabe zur Anforderung des Aufzugs in Aufwärtsrichtung je Etage

X14 – x15: Bedientaste im Aufzug zum Öffnen bzw. Schließen der Tür

Aktorik:

y0 – y1: Antriebssteuerung auf und ab

y2- - y7: Anzeige zur Bestätigung der Aufzugsanforderung für auf und ab (je Etage)

y8 – y11: Anzeige der gewählten Zieletage(n) im Aufzug

y12 – y15: Anzeige der Aufzugsposition (Etage 1-4) im Aufzug (ggf. auch auf Etagen)

y16 – y17: Antriebssteue-rung für Türantrieb

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Integrated Communication Systems 7Andreas Mitschele-Thiel 21-Nov-17

Beispiel Fahrstuhlsteuerung: Spezifikation der Schnittstellen

Sensorik: Realisierung von Tastern und Schaltern?Taster, z.B. für Fahrstuhlanforderung

Einfacher Taster: kurzzeitige “1” des Tasters wird von Fahrstuhlsteuerung abgetastet und in FSM gespeichert

Intelligenter Taster: Event wird an Steuerung geschickt und resultiert in Speicherung der Anforderung in FSM

Schalter, z.B. für Signalisierung der Etage oder der Türenendlagen Einfacher Schalter => Ein- oder Ausschaltungen werden als zwei

verschiedene Zustände des Schalters von Fahrstuhlsteuerung periodisch abgetastet; explizite Speicherung des Zustands in FSM nicht mehr nötig

Intelligenter Schalter: Ein- oder Ausschaltungen werden als zwei verschiedene Events an Fahrstuhlsteuerung gesendet und entsprechend in FSM gespeichert; besondere Maßnahmen für/nach Reset der FSM nötig

Intelligente Sensorik: Einfache Steuerung => Kommunikationssystem, Verteiltes System

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Beispiel Fahrstuhlsteuerung: Spezifikation der Schnittstellen

Aktorik: Ansteuerung von Motoren und Anzeigeelementen?Türantrieb

Einfache Ansteuerung mit 3 Zuständen: auf, zu, halt; Motor läuft während Signal anliegt, sonst nicht

Intelligente Türsteuerung: Steuersignale (Events) zum Öffnen und Schließen der Tür, integrierte automatische Endabschaltung und Meldung der Endabschaltung (Sensorik)

LED-Etagenanforderungsanzeige auf Etage (bzw. im Fahrstuhl) Einfache Ansteuerung jeder LED die direkt aus Zustand der FSM

(Ausgabelogik) abgeleitet wird Integriertes Fahrstuhl-Anforderungsmodul (kombinierte

Sensorik/Aktorik): Generierung von Events wenn Taste (auf/ab) gedrückt wird und lokale Einschaltung der LED, Empfang eines Events zum Löschen der LED wenn Aufzug ankommt

Intelligente Sensorik/Aktorikmodule: Einfache Steuerung => Kommunikationssystem, Verteiltes System

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Integrated Communication Systems 9Andreas Mitschele-Thiel 21-Nov-17

Moore Automaten: nicht-reaktiv

(nur um 1 Takt verzögerte Reaktion) Einfach zu entwerfen

(Zustandsübergang bei Ausgangswechsel) für Implementierung in SW geeignet

Mealy Automaten: reaktiv (unmittelbare Reaktion

auf Eingangsänderungen) Schwieriger zu entwerfen für SW-Implementierung weniger gut geeignet

Wegen unmittelbarer Reaktion auf Eingangsänderungen (interrupts/polling) Softwaresystem muss schnell genug sein (Echtzeitforderung)

In Hardware für schnelle Reaktion sinnvoll, aber asynchron!

Hier: typischerweise eventgetriggerte Automaten=> Event (statt Takt) löst sofortigen Zustandsübergang aus

Abgrenzung zu Moore und Mealy (getakteten) Automaten

δ τ µX

aZ YnZ

δ τ λX

aZ

YnZ

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Integrated Communication Systems 10Andreas Mitschele-Thiel 21-Nov-17

Unterschiede zw. Event- und Zeitgetriebenen Automaten

Eventgetriebe Automaten verhalten sich etwas anders als über Eingangsvariablen gesteuerte Mealy- oder Moore-Automaten

Eventgetriebene Automaten: Events ähneln semantisch den Flanken der Eingangsvariablen

zeitgetriebener Automaten, d.h. Event führt zu einer Transition, d.h. Taktung der FSM

Der “Zustand” der Eingangsvariable muss, wenn er für das System auch später noch relevant ist, anders als bei Mealy- oder Moore-Automaten sich im Zustand es Automaten niederschlagen und darüber implizit gespeichert werden

⇒ ggf. Vergrößerung des Zustandsraums ⇒ modifizierte Ansteuerung der Ein- und Ausgabeschnittstellen, d.h.

Events können sich zeitlich überschneiden und werden evtl. sequentiell abgearbeitet

⇒ Zeitliches Verhalten kann sich ändernBeispiel Fahrstuhlsteuerung: hier könnten die Eingaben als Variable oder

auch als Events realisiert werden, mit entsprechenden Folgen für die Realisierung des Steuerungsautomaten

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Integrated Communication Systems 11Andreas Mitschele-Thiel 21-Nov-17

Beispiel Fahrstuhlsteuerung: Zustandsautomat

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Integrated Communication Systems 12Andreas Mitschele-Thiel 21-Nov-17

Finite State Machines – Diskussion

Vorteile: Einfach nutzbar (Graphische Darstellung) Mächtiges Ausdrucksmittel für

Synthese (SW and HW) Verifikation

Nachteile: manchmal über-spezifizierte Implementierung

(z.B. Zählfolge (Bsp: alle Etagen) vollständig als Zustandsübergänge spezifiziert)

Anzahl der Zustände kann unbeherrschbar werden (im Bsp. viele Etagen, mehrere Aufzüge)

Numerische Berechnungen können nicht kompakt (z.B. in Form von Operationen) spezifiziert werden

=> erweiterte FSMs (informal, formal)

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Integrated Communication Systems 13Andreas Mitschele-Thiel 21-Nov-17

Beispiel Fahrstuhlsteuerung: Vereinfachung der Spezifikation

Vereinfachung durch Divide & Conquer-Strategie:- Mehrere nebenläufige Automaten: Entkopplung z.B.

- der detaillierten Türsteuerungen mit automatischer Endabschaltung von der abstrakten Fahrstuhl-Etagensteuerung,

- der detaillierten Aufzugsmotorsteuerung und Geschwindigkeitsregelung von der abstrakten Etagensteuerung (Missionssteuerung)

- der Aufzeichnung der Anforderungen und der detaillierten Abarbeitung der Anforderungen

- Hierarchie: - Trennung der Steuerung des Systems bei fahrendem

Aufzug vom Betrieb bei stehendem Aufzug (Tür)- Vererbung:

- Detailverhalten der Tür je Etage ist identisch- Kopplung der Automaten über Hierarchiewechsel und

Kommunikation (Variable oder Events)

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Integrated Communication Systems 14Andreas Mitschele-Thiel 21-Nov-17

Finite State Machines – Erweiterungen

Prinzip: “Divide and conquer”

⇒ Nichtdeterminismus

⇒ Nebenläufige Automaten

⇒ Prozesse

⇒ Hierarchie

⇒ Kommunikation

⇒ Timer

⇒ Grafische Unterstützung

⇒ erweiterte (formale) Semantik

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Integrated Communication Systems 15Andreas Mitschele-Thiel 21-Nov-17

FSM => NDFSM: Zeitbereichsspezifikation

Nichtdeterminismus: Spezialfall von unspezifiziertem bzw. unbekanntem Verhalten, aber geeignet zur effizienten Beschreibung (nichtdeterminierter Zustandsübergang = nicht bestimmt, welcher Folgezustand aus einer Menge gültiger Folgezustände angenommen wird)Beispiel: nichtdeterministische Verzögerung (z.B. zwischen 6 und 10 s)

0

1 2 3 4

5

6

78

9

START => SEC =>

SEC => END

SEC => SEC =>

SEC =>

SEC =>

SEC =>SEC =>

SEC =>

START =>

SEC => END

SEC => END

SEC => END

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Integrated Communication Systems 16Andreas Mitschele-Thiel 21-Nov-17

NDFSMs und FSMs

Formal sind FSMs und NDFSMs äquivalent (Rabin-Scott Konstruktion, Rabin‘59)

Praktisch sind NDFSMs meist kompakter (weniger Zustände)(exponentielle Zustandsexplosion um Determiniertheit zu erreichen)

Beispiel: nicht-deterministische Auswahlvon Übergang a in Zustand s1

s1

s2 s3

aa

b

a

c

s1

s2,s3

a

s3b

a

s2

c

ba

c

äquivalente deterministische FSM

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Integrated Communication Systems 17Andreas Mitschele-Thiel 21-Nov-17

Modellierung von Nebenläufigkeit – Parallele Automaten

Systeme bestehen typisch aus Teilen mit relativ unabhängigen Funktionen, z. B. Sicherheitsgurt-Steuerung || Timer || Fahrer

Systeme können physisch verteilt sein, z. B. Kommunikationsprotokolle mit verteilten Automaten

Teile, die mit FSMs beschrieben sind, müssen zusammengebracht (“komponiert”) werden

Konstruktion eines vollständigen Systemmodells Kartesisches Produkt aller Zustände führt zu ZustandsexplosionAnsatz: Systembeschreibung mit separaten FSMs und deren Verbindung (Kopplung)Problem Wie kommunizieren die gekoppelten FSMs?

a) alle FSMs wechseln Zustand gleichzeitig (Synchronität), d.h. Systemzustand = kartesisches Produkt der Zustände der Komponenten oder

b) FSMs laufen asynchron und sind über (asynchrone) Events gekoppelt => SDL

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Integrated Communication Systems 18Andreas Mitschele-Thiel 21-Nov-17

FSM Komposition – Beispiel

Beispiel: Belt Control || Timer

Beispiel Sicherheitsgurt-Steuerung:• 5 sec nach Betätigen des Zündschlüssels soll ein Alarmsignal solange ertönen, wenn der Gurt nicht angelegt ist.• Nach 10 sec soll der Alarm abgeschaltet werden.

KEY_ON => START_TIMER

END_TIMER_5 => ALARM_ON

KEY_OFF orBELT _ON =>

END_TIMER_10 orBELT_ON orKEY_OFF => ALARM_OFF

WAIT

ALARM

OFF

Belt

ControlTimer

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Integrated Communication Systems 19Andreas Mitschele-Thiel 21-Nov-17

FSM Komposition – Beispiel

Beispiel: Belt Control || Timer

0

1 2 3 4

56789

START_TIMER =>

START_TIMER =>

SEC =>

SEC => END_TIMER_10

SEC => SEC =>SEC =>END_TIMER_5

SEC =>SEC =>SEC =>SEC =>

Belt

ControlTimer

KEY_ON => START_TIMER

END_TIMER_5 => ALARM_ON

KEY_OFF orBELT _ON =>

END_TIMER_10 orBELT_ON orKEY_OFF => ALARM_OFF

WAIT

ALARM

OFF

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Integrated Communication Systems 20Andreas Mitschele-Thiel 21-Nov-17

FSM Komposition – Beispiel

OFF, 0 WAIT, 1

KEY_ON and START_TIMER => START_TIMER muss zusammen passieren

WAIT, 2

SEC and not (KEY_OFF or BELT_ON) =>

OFF, 1

not SEC and (KEY_OFF or BELT_ON) =>

OFF, 2

SEC and (KEY_OFF or BELT_ON) =>

Kartesisches Produkt aus Belt Control und Timer

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Integrated Communication Systems 21Andreas Mitschele-Thiel 21-Nov-17

Finite State Machines – Erweiterungen: parallele Automaten

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Integrated Communication Systems 22Andreas Mitschele-Thiel 21-Nov-17

Finite State Machines – Beispiel: Zustandsdiagramm (informal)

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Integrated Communication Systems 23Andreas Mitschele-Thiel 21-Nov-17

FSM Erweiterungen – Beispiel: Interaktion/Prozesse

Start

(Inter-)aktion

(Re-)aktionsfolge

.

.

.

.

Ende (vs. FSM: zyklisch)

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Integrated Communication Systems 24Andreas Mitschele-Thiel 21-Nov-17

FSM Erweiterungen – Kommunikation zwischen FSMs

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Integrated Communication Systems 25Andreas Mitschele-Thiel 21-Nov-17

Hierarchische FSM Modelle – StateCharts

Problem: Wie reduziert man die Repräsentationsgröße? Harel’s Veröffentlichung: StateCharts (language) and bounded concurrency (model): 3 orthogonale exponentielle Reduktionen Hierarchie:

Zustand a “encloses”, d.h. schließt eine FSM ein “in a” bedeutet: eine FSM in a ist aktiv Zustände von a heißen OR-Zustände Nützlich zur Modellierung von Voraussetzungen

und Ausnahmen (z. B. “Reset”) Parallelität/Nebenläufigkeit:

2 oder mehr FSMs sind gleichzeitig aktiv Zustände heißen AND-Zustände

Nichtdeterminismus: Zur Verhaltensabstraktion

error

a

recovery

odd

even

done

a1 a2

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Integrated Communication Systems 26Andreas Mitschele-Thiel 21-Nov-17

StateCharts – Grundprinzipien

Grundlagen:Erweiterung konventioneller FSMskonventionelle FSMs für komplexe Verhaltensbeschreibungen ungeeignet

flach und unstrukturiert von Natur aus sequentiell

StateCharts unterstützen wiederholte Zerlegung von Zuständen in Unterzustände mit AND/OR, sowie synchrone Kommunikation (unmittelbare Übertragung an alle (Broadcast))

Zustandsdekomposition:OR-Zustände haben Unterzustände, die in einer exclusive-or Relation stehenAND-Zustände haben “orthogonale” d. h. parallele Zustandskomponenten(synchrone FSM Komposition)

AND-Dekomposition auf jeder Hierarchiestufe von Zuständen erlaubt(besser handhabbar als nur eine Stufe (Strukturebene) kommunizierender FSMs)

Basis-Zustände (Basic States) haben keine Unterzustände (unterste Hierarchie)Root-Zustände haben keine “Eltern”-Zustände (oberste Hierarchieebene)

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Integrated Communication Systems 27Andreas Mitschele-Thiel 21-Nov-17

StateCharts – OR Dekomposition

S

V

T

S

V

T

f

f

f

e

h

e

h

g g

Um in Zustand U zu sein, muss das System entweder in Zustand S oder in Zustand T sein

U

Zustand U ist eine Abstraktion der Zustände S und T