Modellierung eingebetteter Systeme mithilfe von Bereitstellungsdigrammen und UML-Stereotypen

Was ist ein eingebettetes System?

Ein eingebettetes System ist ein spezialisiertes Computersystem, das dafür ausgelegt ist, spezifische Funktionen oder Aufgaben innerhalb eines größeren Systems oder Produkts auszuführen. Im Gegensatz zu Allzweck-Computern, die vielseitig sind und eine breite Palette von Anwendungen ausführen können, sind eingebettete Systeme auf bestimmte Funktionen zugeschnitten und werden typischerweise auf Leistung, Energieeffizienz und Zuverlässigkeit innerhalb ihres spezifischen Anwendungsbereichs optimiert.

Wichtige Merkmale eingebetteter Systeme sind:

1. Spezifische Funktionalität: Eingebettete Systeme sind speziell für die Ausführung einer oder mehrerer spezifischer Aufgaben konzipiert, beispielsweise zur Steuerung eines Mikrowellenherds, zur Regelung des Motors eines Autos, zur Verarbeitung von Daten aus einem medizinischen Gerät oder zur Regelung der Temperatur in einer Heizungssteuerung.
2. Integration: Diese Systeme sind in ein größeres Produkt oder System integriert, in dem sie als Komponente oder Teilsystem arbeiten. Sie arbeiten oft „im Hintergrund“ und sind dem Endbenutzer nicht direkt sichtbar.
3. Hardware und Software: Eingebettete Systeme kombinieren sowohl Hardware- als auch Softwarekomponenten. Die Hardware umfasst Mikrocontroller, Mikroprozessoren, Sensoren, Aktuatoren und andere spezialisierte Komponenten. Die Software, die oft als Firmware bezeichnet wird, ist für die Ausführung der Funktionen des eingebetteten Systems verantwortlich.
4. Echtzeitbetrieb: Viele eingebettete Systeme arbeiten in Echtzeit, was bedeutet, dass sie innerhalb eines bestimmten Zeitrahmens auf Eingaben oder Ereignisse reagieren müssen, um eine ordnungsgemäße Systemfunktion sicherzustellen. Echtzeit-eingebettete Systeme werden beispielsweise in Anwendungen wie der Automobilsteuerung, der industriellen Automatisierung und der Robotik eingesetzt.
5. Ressourcenbeschränkungen: Eingebettete Systeme verfügen oft über begrenzte Rechenressourcen, einschließlich Verarbeitungsleistung, Speicher und Speicherkapazität. Diese Beschränkungen erfordern effizientes Programmieren und Optimierung.
6. Zuverlässigkeit: Eingebettete Systeme sind für hohe Zuverlässigkeit und Stabilität ausgelegt, da sie in kritischen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen ein Ausfall schwerwiegende Folgen haben kann, beispielsweise in medizinischen Geräten oder Luft- und Raumfahrt-Systemen.
7. Lange Lebensdauer: Eingebettete Systeme werden typischerweise für eine lange Lebensdauer erwartet, und sie müssen möglicherweise viele Jahre ohne wesentliche Änderungen oder Aktualisierungen betrieben werden.

Beispiele für eingebettete Systeme finden sich in verschiedenen Bereichen, darunter Verbraucherelektronik (Smartphones, Digitalkameras), Automobil (Motorsteuergeräte, Infotainmentsysteme), industrielle Automatisierung (PLCs – Programmierbare Logik-Controller), Gesundheitswesen (medizinische Geräte, Patientenüberwachungssysteme) und vielen anderen Bereichen.

Kurz gesagt, ist ein eingebettetes System ein spezialisiertes Computersystem, das dafür konzipiert ist, spezifische Funktionen in einem größeren Kontext auszuführen und dabei Zuverlässigkeit, Echtzeitbetrieb und Ressourcennutzung optimiert.

Wann sollten Bereitstellungsdigramme eingesetzt werden:

1. Integrationserfordernisse: Bestimmen Sie, mit welchen bestehenden Systemen das neu eingeführte System interagieren oder integriert werden muss. Bereitstellungsdigramme helfen dabei, diese Interaktionen visuell darzustellen.
2. Systemrobustheit: Beurteilen Sie die Robustheitsanforderungen, einschließlich der Frage, ob eine Redundanz im Hardware-Bereich notwendig ist, um die Systemverfügbarkeit im Falle eines Ausfalls sicherzustellen.
3. Systeminteressenten: Identifizieren Sie, wer und welche Entitäten mit dem System verbunden oder interagieren werden, und definieren Sie die Methoden der Interaktion.
4. Middleware und Protokolle: Geben Sie die Middleware, das Betriebssystem und die Kommunikationsprotokolle an, die das System für die Kommunikation und den Datentransfer verwenden wird.
5. Benutzerinteraktion: Klären Sie, mit welchen Hardware- und Softwarekomponenten die Benutzer direkt interagieren werden, beispielsweise PCs, Netzwerkcomputer oder Webbrowser.
6. Systemüberwachung: Bestimmen Sie, wie das System überwacht werden wird, nachdem es bereitgestellt wurde, um dessen Gesundheit und Leistung zu gewährleisten.
7. Sicherheitsmaßnahmen: Definieren Sie das erforderliche Sicherheitsniveau für das System, einschließlich der Notwendigkeit von Firewalls, physisch gesicherten Hardwarekomponenten oder anderen Sicherheitsmechanismen.

Zweck von Bereitstellungsdigrammen:

1. Strukturelle Darstellung: Bereitstellungsdigramme bieten eine visuelle Darstellung der Laufzeitstruktur eines Systems und veranschaulichen die verwendeten Hardwarekomponenten und ihre Verbindungen.
2. Hardware- und Kommunikationsmodellierung: Sie modellieren physische Hardwarekomponenten und die zwischen ihnen bestehenden Kommunikationspfade und unterstützen so das Verständnis der Systemarchitektur.
3. Planungswerkzeug: Bereitstellungsdigramme unterstützen die Planung der Systemarchitektur und helfen den Stakeholdern, fundierte Entscheidungen über die Zuweisung von Hardware und Software zu treffen.
4. Dokumentation: Sie sind wertvoll für die Dokumentation der Bereitstellung von Softwarekomponenten oder Knoten innerhalb eines Systems und unterstützen die Systemdokumentation und Kommunikation.

Wie man ein eingebettetes System mit einem UML-Bereitstellungsdiagramm modelliert

Die Erstellung eines eingebetteten Systems birgt Herausforderungen, die über die reine Softwareentwicklung hinausgehen. Es erfordert die feine Steuerung der physischen Welt, die mit beweglichen Teilen voller Verschleiß, unregelmäßigen Signalverhalten und nichtlinearen Eigenschaften durchsetzt ist. Bei der Erstellung eines Modells für ein solches System muss dessen Interaktion mit der physischen Welt berücksichtigt werden, was die Überlegung ungewöhnlicher Geräte und Knoten erfordert.

Bereitstellungsdigramme dienen als unverzichtbare Werkzeuge, um eine effektive Kommunikation zwischen den Hardware-Engineern und Softwareentwicklern in Ihrem Projekt zu fördern. Durch die Verwendung von Knoten, die stereotypische Ähnlichkeiten mit vertrauten Geräten aufweisen, können Sie Diagramme erstellen, die bei beiden Gruppen Anklang finden. Diese Bereitstellungsdigramme spielen auch eine entscheidende Rolle bei der Diskussion der Wechselwirkung zwischen Hardware und Software. Sie dienen als Mittel, um die Vielzahl der ingenieurtechnischen Entscheidungen, die Ihrem System zugrunde liegen, zu visualisieren, zu formulieren, zu konstruieren und zu dokumentieren.

Um ein eingebettetes System effektiv zu modellieren, befolgen Sie diese Schritte:

1. Identifizieren Sie die spezifischen Geräte und Knoten, die Ihrem System eigen sind.
2. Nutzen Sie die Erweiterbarkeitsfunktionen von UML, um systembezogene Stereotypen mit entsprechenden Symbolen zu erstellen, insbesondere für ungewöhnliche Geräte. Unterscheiden Sie zumindest zwischen Prozessoren (die Softwarekomponenten enthalten) und Geräten (die auf dieser Abstraktionsebene keine direkte Softwareintegration aufweisen).
3. Erstellen Sie ein Bereitstellungsdigramm, um die Beziehungen zwischen diesen Prozessoren und Geräten darzustellen. Gleichzeitig legen Sie die Verbindung zwischen den Komponenten aus der Implementierungsperspektive Ihres Systems und den Knoten aus der Bereitstellungsperspektive Ihres Systems fest.
4. Erweitern Sie bei Bedarf beliebige intelligente Geräte durch die Erstellung eines detaillierteren Bereitstellungsdiagramms.

Betrachten Sie beispielsweise die in der Abbildung unten dargestellte Hardwarekonfiguration, die einen grundlegenden autonomen Roboter veranschaulicht. In dieser Darstellung finden Sie einen einzelnen Knoten, der als Prozessor stereotypisiert ist und als Pentium-Mainboard bezeichnet wird. Um diesen Knoten herum befinden sich acht Geräte, die jeweils als „Gerät“ gekennzeichnet und mit einem Symbol dargestellt sind, das eine eindeutige visuelle Darstellung bietet, die ihrem realen Gegenstück entspricht.