Model transformation-based design of dependable systems

Design of dependable systems has to fulfill several different requirements including functionality, timeliness, dependability, and cost, which increases the design complexity dramatically and necessities a strong algorithmic support. The thesis proposes a model-driven framework introducing automated and interactive solutions for the modeling, analysis, and synthesis of dependable systems in a dependability driven way. The integration of tools implementing the best industrial practice for the individual subtasks is facilitated by an advanced model-transformation based tool infrastructure. The main trends in the development of dependable embedded computer systems are the growing complexity and spectrum of functionalities and the shortening of the life-cycle of systems, which demand novel, more productive development methods and tools. The built-in algorithmic intelligence supports the effective development and simultaneously maintains compliance to dependability and other non-functional requirements, and assures a proper design quality by integrated verification and validation techniques. Model-driven development became a main trend in pure software development in a variety of domains (like enterprise information systems), but it faces significant difficulties in the embedded systems domain due to the large variety of non-functional aspects, strict design constraints. Model-driven embedded systems development necessitates the definition of specific modeling languages in order to create compact models fitting well to the peculiarities of the particular application domain due to the huge variety embedded system application domains. The development of complex, model-driven tools and techniques require a solid foundation on the language definition (metamodeling) and model transformation environments level in order to avoid conceptual flaws in the modeling and synthesis process. The thesis proposes such a mathematically well founded, iterative, interactive model-driven development environment and methodology for dependable embedded systems that is complemented by formal analysis and synthesis methods in order to guarantee a compliance to the specific requirements of the embedded systems domain. The main contributions of the thesis are the following ones: Model-driven tool infrastructure: Several extensions are proposed to the existing model transformation approaches in order to increase the productivity of model transformation development by compacting the transformation programs and enable reuse of artifacts on different levels of abstraction. The integration of different modeling languages in a single, uniform, and precise formalism is supported by mapping the most widely used metamodeling approaches (MOF, ECore) to the VPM (Visual and Precise Metamodeling) paradigm, thus assuring a design environment independence to the main results achieved. This syntactic uniformization is complemented by the definition of a precise, operational semantics for these metamodeling approaches assuring a formally well founded integration of modeling tools and model transformations from heterogeneous environments. Iterative, interactive hardware-software integration: Despite the necessary precise formulation of the design environment and target model human interaction cannot be avoided as in many cases some additional design constraints and objectives are rather specific to the particular application under design. The thesis proposes a novel, iterative, interactive framework for hardware-software integration of dependable embedded systems, which combines automatic and interactive steps in a seamless way by automating repetitive tasks but simultaneously granting the designer with taking key design decisions upon necessity. Automated hardware-software integration is a time consuming process, therefore an early indication of potential design problems is extremely important in order to avoid unnecessary design iteration cycles originating in the infeasibility of a design candidate. The thesis proposes a novel, open and extensible design constraint and rule checker framework for domain-specific checks, which is tightly integrated into the hardware-software integration framework and assures the earliest possible detection of design flaws. Dependability-driven synthesis: Mathematical optimization of resource optimization may grant additional computing power and resources for enforcing the dependability of the system by replication at virtually no cost. A hardware cost minimization based optimization method is proposed in the thesis that synthesises the high-level architecture of the designated distributed system and simultaneously assures the compliance to dependability and performance requirements. A multi-aspect (system cost, performance, robustness, node utilization) optimization based method for resource-task allocation and scheduling is proposed for the important category of time-triggered systems widely used in safety critical applications. Megbízható rendszerek modelltranszformáció-alapú fejlesztése Balogh András Doktori disszertáció kivonata Kivonat. Megbízható rendszerek tervezése során számos aspektust érintő követelményeket kell figyelembe venni, mint az időzítések, megbízhatóság, és költség, ami jelentősen megnöveli a tervezés bonyolultságát és erős algoritmikus támogatást tesz szükségessé. Jelen disszertáció egy automatikus és interaktív megoldásokat tartalmazó modell-alapú tervező keretrendszert javasol megbízható rendszerek modellezéséhez, analíziséhez, és szintéziséhez. Az egyes megoldásokat implementáló eszközök integrációját egy korszerű, továbbfejlesztett modelltranszformáció alapú keretrendszer segítségével valósítjuk meg. A megbízható beágyazott rendszerek fejlesztése területén a fő trend az elvárt szolgáltatások komplexitásának és spektrumának növekedése, a rendszerek életciklusának rövidülése mellett, ami új, hatékonyabb fejlesztési módszerek és eszközök bevezetését teszi szükségessé. Az ezekben implementált algoritmikus intelligencia hatékony fejlesztést tesz lehetővé a megbízhatósági és egyéb nem-funkcionális követelményeknek való megfelelés mellett, és különböző integrált ellenőrzési technikák segítségével szavatolja a megfelelő tervezési minőséget is. A szoftverfejlesztésben a modell-alapú tervezés vált a fő trenddé különböző alkalmazási területeken (például a nagyvállalati rendszerek területén), de a beágyazott rendszerek esetén használata problémákba ütközik a különböző nem-funkcionális követelmények és tervezési kényszerek miatt. A beágyazott rendszerek modell-alapú fejlesztéséhez specifikus modellezési nyelveket kell definiálni, hogy kompakt, a terület speciális fogalmait ábrázolni képes formalizmust használhassunk. A komplex, modellalapú tervezőeszközök és technikák fejlesztéséhez jól definiált nyelvtervezési (metamodellezési) és modelltranszformációs környezet szükséges, hogy elkerülhetőek legyenek a fogalmi tévedések a modellezési és szintézis folyamat során. Jelen disszertáció egy matematikailag megalapozott, iteratív, interaktív modell-alapú fejlesztési környezetet és módszertant mutat be, amit formális analízis és szintézis módszerek egészítenek ki, melyek segítségével garantálható a beágyazott rendszerek területére jellemző speciális követelményeknek való megfelelés. A disszertáció a következő fő eredményeket tartalmazza: Modell-alapú eszköz infrastruktúra: Több kiterjesztést javasolunk a létező modelltranszformációs megközelítésekhez, melyek a transzformációs programok kompaktabb leírásával lehetővé teszik a transzformáció fejlesztés produktivitásának növelését, és a különböző transzformációs elemek újrafelhasználását. A különböző modellezési nyelvek egységes környezetben való integrációját a széles körben használt metamodellezési környezetek (MOF, ECore) a VPM (Visual and Precise Modeling) környezetre való leképzésével támogatjuk, ezáltal biztosítva a disszertációban leírt eredmények hordozhatóságát. A szintaktikus egységesítés kiegészítéseként precíz operációs szemantikát definiálunk ezen metamodellező környezetekhez, ami lehetővé teszi a heterogén modellező eszközök és transzformációk formálisan megalapozott integrációját. Iteratív, interaktív hardver-szoftver integráció: Sok esetben az alkalmazás és a célplatform precíz definíciójának ellenére sem lehet elkerülni az emberi közreműködést az integráció során, mivel bizonyos alkalmazás-specifikus, egyedi tervezési kényszereket és célokat is figyelembe kell venni. A disszertációban egy interaktív, iteratív keretrendszert javaslunk megbízható rendszerek hardver-szoftver integrációjának támogatására, mely kombinálja az automatikus és interaktív lépéseket, automatizálva az ismétlődő feladatokat, ugyanakkor lehetővé téve a fejlesztőnek a tervezési döntések meghozatalát. Az automatikus hardver-szoftver integráció hosszú időt vesz igénybe, ezért különösen fontos a potenciális tervezési hibák korai felismerése, hogy elkerülhető legyen a hibás modelleken alapuló további munkavégzés. A disszertációban egy új, nyílt és kiterjeszthető tervezési kényszer ellenőrző megoldást javaslunk terület-specifikus kényszerekhez, mely szorosan integrálódik a hardver-szoftver integrációs keretrendszerhez és biztosítja a tervezési hibák korai jelzését. Megbízhatóság-vezérelt szintézis: Az erőforrás-hozzárendelés matematikai optimalizáláson alapuló megoldása hozzájárulhat a rendszer megbízhatóságának garantálásához és ugyanakkor az erőforrások optimális kihasználásához. Egy hardver költség minimalizáláson alapuló optimalizálási módszertant javaslunk a disszertációban, mely lehetővé teszi a tervezés alatt álló elosztott rendszer magas szintű architektúrájának előállítását, kielégítve a megbízhatósági és teljesítmény-követelményeket is. Több aspektusú (költség, teljesítmény, robosztusság, kihasználtság) optimalizáláson alapuló módszert javaslunk az erőforrás-taszk allokáció és statikus ütemezés megvalósítására idővezérelt rendszerekben, melyeket széles körben használnak biztonságkr