DE10062553A1 - System zur Steuerung eines Prozesses - Google Patents

Abstract

Ein System zur Steuerung oder Regelung eines Prozesses, wobei das System eine Software mit einzelnen Modulen jeweils zur Durchführung von Teilprozessen aufweist, zwischen den Modulen Schnittstellen vorgesehen sind, über die Daten ausgetauscht werden, und wobei ein Zeiterfassungsmittel zur Überwachung der Zeitdauer der Teilprozesse vorgesehen ist. Als Zeiterfassungsmittel ist einer Prozedur oder Funktion eine Variable zugeordnet, in der die zeitliche Dauer der Verarbeitung darstellbar ist und ein Zeitbegrenzungsmittel vergleicht den Wert der Variablen mit einer zu der Prozedur oder Funktion definierten Bedingung, in der die Zeitanforderungen für den Teilprozess auf einem Modul festgehalten sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Steuerung oder Regelung eines Prozesses, wobei das System eine Software mit einzelnen Modulen jeweils zur Durchführung von Teilprozessen aufweist, zwischen den Modulen Schnittstellen vorgesehen sind, über die Daten ausgetauscht werden, und wobei ein Zeiterfassungsmittel zur Überwachung der Zeitdauer der Teilprozesse vorgesehen ist.

Heute werden Systeme zur Steuerung und/oder Regelung von Pro­ zessen in technischen Produkten meist durch Software gesteuert, die auf speziellen Mikrorechnern oder Steuergeräten lauffähig sind. Derartige Software-Systeme sind meist in einzelne Module untergliedert, die unterschiedliche Aufgaben durchführen. Bei derartigen verteilten Software-Systemen werden einzelne Re­ chenoperationen mittels eines ersten Moduls ausgeführt und die Ergebnisdaten dann an ein weiteres Modul übergeben, wo diese Ergebnisdaten dann weiterverarbeitet werden. Die einzelnen Mo­ dule können auch in unterschiedlichen Mikrorechnern und/oder Steuergeräten implementiert sein, so dass hinsichtlich des zeitlichen Verlaufs bei der Berechnung keine Aussagen getroffen werden können, da insbesondere auch die Rechendauer der einzel­ nen Teilprozesse nicht bekannt ist. Zeitanforderungen und Zeit­ verläufe gehen dadurch verloren und können im weiteren Prozess­ verlauf nicht verfolgt werden. Infolgedessen ist es oft schwer eine Aussage darüber zu treffen, ob eine Software in Echtzeit­ systemen den zeitlichen Anforderungen gerecht wird und welche Module zu langsam in der Verarbeitung sind.

Insbesondere bei Echtzeiterfordernissen ist dabei sicherzustel­ len, dass die Software die Gesamtberechnungen auch in der erforderlichen Zeit durchführt. In K. H. Kim, COMPSAC 1994, IEEE Computer Society's Int'1 Computer Software & Applications Con­ ference in Taipei, Seiten 392-402, Nov. 1994 wird ein separates Zeitbeschreibungsmittel in ein generisches Objektmodell einge­ führt, wobei die Wiederverwendbarkeit derartiger Zeitbeschrei­ bungsmittel nicht berücksichtigt werden. Dabei ist die Software für ein verteiltes Computersystem objektorientiert programmiert und es sind abstrakte Datentypen vorgesehen. Für jede Ausfüh­ rung eines Verfahrens ist eine zeitliche Grenze (Deadline) vor­ gegeben. Für einige Verfahren nach einem bestimmten Objekt dient ein Uhrentakt zum zeitlichen Abgleich des Verfahrens ent­ sprechend den Echtzeitbedingungen. Nach dem Ablauf einer vorge­ gebenen Zeitdauer werden bestimmte Daten beispielsweise ungül­ tig. Üblicherweise werden bei der Definition der Variablen die Zeitbedingungen bestimmt, für die die Variable gültige Werte annehmen kann und/oder aktiv in einem Prozess eingebunden sein kann.

In Eiffel: The Language, Bertrand Meyer, Prentice Hall, 1992 ist zur Sicherung von Softwareeigenschaften bei der Program­ miersprache Eiffel vorgesehen, bei einer Datenübergabe von ei­ nem Modul zum anderen an das Datenformat Vor- und/oder Nachbe­ dingungen zu vergeben. Allerdings können zeitliche Anforderun­ gen in Eiffel nicht abgelegt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System der ein­ gangs genannten Art so weiterzubilden, dass die Einhaltung von Zeitabhängigkeiten und Zeitanforderungen bei der Ausführung ei­ ner Software überprüfbar ist. Insbesondere soll das System zum Einsatz bei Echtzeitanforderungen geeignet sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale nach An­ spruch 1 gelöst. Danach ist einer Prozedur oder Funktion als Zeiterfassungsmittel eine Variable zugeordnet, in der die zeit­ liche Dauer der Verarbeitung darstellbar ist, und ein Zeitbe­ grenzungsmittel vergleicht den Wert der Variable mit einer zu der Prozedur oder Funktion definierten Bedingung, in der die Zeitanforderungen für den Teilprozess auf einem Modul festge­ halten ist.

Zeitanforderungen, wie maximale Laufzeiten, werden erfindungs­ gemäß in Nachbedingungen von Prozeduren oder Funktionen abge­ legt, während Periodizitäten, bspw. eine Aufruffrequenz, als deren Vorbedingung abgelegt sind. Alternativ dazu kann auch die Periodizität als Nachbedingung und die Zeitanforderungen als Vorbedingungen festgelegt werden, oder beide werden entweder als Vor- oder Nachbedingung festgelegt. Durch diese Definition für Funktionen und Prozeduren wird jeder Schnittstelle die Zeitanforderung zugeordnet, so dass für jede Programmausführung die Zeitdauer bei Ausführung vorab schon feststeht.

Eine Variable ist zur Speicherung der Zeitwerte vorgesehen, bspw. werden Zeiten von Funktionsabläufen oder Prozedurzeiten aufsummiert und mit der Nachbedingung, bspw. eine maximale Laufzeit der aufgerufenen Funktionen, Prozeduren oder Methoden verglichen. Wenn eine Funktion zur Ausführung aufgerufen wird, werden zunächst die zeitlichen Vorbedingungen für die Funktion gelesen und in die variable wird ein Zeitwert geladen. Während dem Funktionsablauf wird die Variable dann entsprechend einem Zeittakt einer Uhr inkrementiert.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das System eine Software auf, die objektorientiert programmiert ist und auf einzelne Module verteilt ist. Beim Einsatz in objektorientier­ ten Sprachen weisen Klassenhierarchien, in denen Zeitverträge genutzt werden, einen entsprechenden Aufbau mit Zeitvariablen auf. Weiterhin können die Zeitanforderungen graphisch beschrie­ ben werden. Dazu kann die Entwicklungsbeschreibungssprache UML (Unified Modeling Language) entsprechend angepasst werden. Die Zeitanforderungen können auch graphisch Dargestellt werden. Da­ zu werden die MSC (Message Sequence Charts) der UML angepasst.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird bei objektorientier­ ter Programmierung der Software jeder Funktion oder Prozedur eine Variable zugewiesen, die die Zeitdauer bei der Abarbeitung mitführt. Bei der Übergabe an die nächste Funktion bzw. Proze­ dur über die Schnittstelle zwischen den Modulen wird der zu­ letzt gespeicherte Zeitwert an die nächste Funktion bzw. Proze­ dur als Startwert übergeben. Nach abgeschlossener Ausführung des Gesamtprozesses ist in der Variable die Zeit der Gesamtbe­ arbeitung festgehalten. Alternativ dazu kann bei Aufruf der folgenden Funktion die Zeitdauer von einer konstanten Start­ zeit, bspw. Null Sekunden, an hochgezählt werden, so dass die Laufzeit der Funktion oder Prozedur separat festgehalten wird. Anderseits kann vom Zeitwert am Ende einer Funktion deren Startwert abgezogen werden, wodurch sich ebenfalls die Laufzeit ergibt.

Zeitanforderungen können dadurch präzise im Zusammenhang mit einer Funktion oder Prozedur abgelegt werden und sind eng mit der Software verbunden. Folglich können Zeitanforderungen von Systemen, die in anderen Unternehmen erstellt oder programmiert werden, exakt definiert werden. Dadurch können auch vertragli­ che Garantien über bestimmte Programmlaufzeiten überprüft und vorgeben werden. Andererseits ist es auch möglich, wenn eine Funktion oder Prozedur nach einer vorgegebenen Laufzeit kein Ergebnis übermittelt hat, die Verarbeitung zu unterbrechen und mit einer Fehlerbehandlung fortzufahren.

Es gibt nun verschiedenen Möglichkeiten, die Lehre der vorlie­ genden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und wei­ terzubilden. Dazu ist einerseits auf die untergeordneten An­ sprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung einer Ausführungsform zu verweisen.

Das technische System weist eine Software auf, die im Quellcode üblicherweise aufgeteilt in mehrere Module strukturiert ist. Zwischen den Modulen sind Schnittstellen vorhanden, über die vordefinierte Datenformate ein- oder ausgegeben werden oder von einem Modul an das andere übergeben werden. Jedes Modul weist eine oder mehrere Funktionen bzw. Prozeduren auf, die bestimmte Aufgaben, bspw. Berechnungen durchführen.

Das technische System ist ein sogenanntes Echtzeitsystem, d. h. die Software läuft in einem fahrzeugtauglichen Steuergerät und ist dort als sogenanntes embedded System umgesetzt. Die Ergeb­ nisdaten des Systems müssen rechtzeitig vor Ablauf einer be­ stimmten Zeit zur Verfügung stehen. Beim Kraftfahrzeug kann ein derartiges System den Zündzeitpunkt für die Zündkerzen verän­ dern, der berechnete Zeitpunkt muss also rechtzeitig vor der Zündung zur Verfügung stehen.

Wenn nun einzelne Module für ein Steuergerät bei unterschiedli­ chen Firmen programmiert werden, ist es erforderlich, dass spä­ ter das Gesamtsystem den Echtzeitbedingungen gerecht wird. Er­ findungsgemäß wird jeder Prozedur eine maximale Laufzeit vorge­ geben, und diese hat dann jeder Programmierer eines einzelnen Moduls zu berücksichtigen.

Bei der objektorientierten Programmierung sind dann im Quellcode der Software wie übliche die Klassen und Objekte de­ finiert. Erfindungsgemäß wird nun zusätzlich zum Datentyp der Funktion eine Vorbedingung und/oder eine Nachbedingung defi­ niert. Außerdem weist das System eine Zeitvariable oder ein Feld von Zeitvariablen auf, in der der aktuelle Uhrentakt oder eine Uhrzeit mitgeführt wird, während eine Funktion oder Proze­ dur ausgeführt wird. Durch eine Vorbedingung, die an die Funk­ tion/Prozedur übergeben wird, können dann bestimmte Zeittakte oder Frequenzen für die Uhr oder Anfangs- bzw. Abbruchzeiten an die Variable übergeben werden. Als Nachbedingung einer Funkti­ on/Prozedur kann dann eine zeitliche Wertung, Zeitanforderung oder andere Übergabebedingung geprüft oder auf einem anderen Modul an die nächste Funktion/Prozedur als Eingangsdatum mit übergeben werden.

Als Vorbedingungen der Funktionen, Prozeduren oder auch für die Ausgabeprozedur an die Schnittstellen sind bevorzugt Daten über Periodizitäten bei der Abarbeitung, wie Aufruffrequenzen, abge­ legt. Als Nachbedingungen sind bevorzugt Zeitanforderungen für den Ablauf der betreffenden Funktion, Prozedur oder bei Schnittstellen die Zeitanforderungen an den Teilprozess abge­ legt.

Durch die erfindungsgemäße Struktur des Systems kann die Lauf­ zeit einer Bearbeitung an jeder Schnittstelle durch Abfrage ei­ ner Variablen einfach überprüft oder abgefragt werden. Dadurch können zeitlichen Anforderungen leicht abgefragt, überprüft und eingehalten werden. Auf diese Weise können aufgrund der zeitli­ chen Werte in der Variablen auch Abbruchbedingungen überprüft werden und Fehlerbehandlungen aufgerufen werden, wenn eine Funktion/Prozedur nach der vorgegebenen maximalen Laufzeit nicht den erforderlichen Ergebniswert zurückgeliefert. Durch die vorliegende Erfindung lassen sich Echtzeitsystem aufteilen und verschiedene Module können an unterschiedlichen Orten pro­ grammiert werden, indem dabei die zeitlichen Anforderungen ein­ gehalten werden.

Aber auch während des Ablaufs der Software im Steuergerät kann durch die Mitführung der Laufzeit, überprüft werden, welche Funktion/Prozedur die Zeitanforderungen nicht einhält. Das Sy­ stem der vorliegenden Erfindung ermöglicht daher bei Echtzeit­ systemen die Überprüfung, welche Komponenten die Zeitanforde­ rungen nicht einhalten.

Claims (8)

1. System zur Steuerung oder Regelung eines Prozesses, wobei das System eine Software mit einzelnen Modulen jeweils zur Durchführung von Teilprozessen aufweist, zwischen den Modulen Schnittstellen vorgesehen sind, über die Daten ausgetauscht werden, und wobei ein Zeiterfassungsmittel zur Überwachung der Zeitdauer der Teilprozesse vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass als Zeiter­ fassungsmittel einer Prozedur oder Funktion eine Variable zuge­ ordnet ist, in der die zeitliche Dauer der Verarbeitung dar­ stellbar ist und ein Zeitbegrenzungsmittel den Wert der Varia­ ble mit einer zu der Prozedur oder Funktion definierten Bedin­ gung vergleicht, in der die Zeitanforderungen für den Teilpro­ zess auf einem Modul festgehalten ist.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Variable bei der Definition der Datentypen bei Objekten, Klas­ sen, Prozeduren oder Funktionen festlegbar ist.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitwert der Variable von einer vorhergehenden Proze­ dur/Funktion an eine darauf folgende Prozedur/Funktion übergeb­ bar ist.

4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass als Vorbedingung einer Prozedur/Funktion eine Periodizität festlegbar ist.

5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, dass als Nachbedingung für eine Prozedur/Funktion ei­ ne Zeitanforderung, wie eine maximale Laufzeit, festlegbar ist.

6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Schnittstelle aufweist, über die an das System vor­ bestimmte Periodizitäten und Zeitanforderungen vor Pro­ grammablauf übertragbar sind, um die zeitlichen Randbedingungen für den Prozess festzulegen.

7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Zeitwerte der Variablen bei einem embedded System an Schnittstellen zur Verfügung steht und während des Programmablaufs abfragbar ist.

8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das System bei Echtzeitbedingungen zur Steuerung eines Prozesses einsetzbar ist.