Автоматизация процессов тестирования и отладки встраиваемых систем с использованием уровневых моделей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.12, кандидат наук Пинкевич Василий Юрьевич

• Пинкевич Василий Юрьевич
• кандидат наук
• 2018

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизация процессов тестирования и отладки встраиваемых систем с использованием уровневых моделей»

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Встраиваемые вычислительные системы (ВсС) получили очень широкое распространение во всех отраслях человеческой деятельности, в том числе тех, где корректность работы критически важна. Являясь ядром любой автоматизированной системы, ВсС распространяют принципы своей организации и проектирования как на компонентную базу (системы на кристалле, СнК), так и на автоматизированную систему в целом (киберфизические системы, КФС). Таким образом, ВсС как совокупность алгоритмических и технических решений выступает в качестве системообразующего начала всех важнейших проектов и продуктов широчайшей области вычислительной техники и автоматики, включая сложную электронную компонентную базу и комплексные киберфизические системы различного назначения.

Современные ВсС представляют собой комплексные проекты, при создании которых затрагивается значительное число уровней логической и физической организации системы - от разработки специализированных микросхем до прикладного программирования и проектирования сетевых протоколов. Для создания таких систем необходима вертикальная и горизонтальная интеграция решений из разных областей вычислительной техники. При этом методики выполнения проектных процессов, технологии проектирования и САПР, применяемые в разных областях вычислительной техники, в значительной степени остаются слабо совместимыми между собой по методам и инструментальным средствам. Это создает барьеры в общении между разработчиками, обуславливает сложность комплексного контроля качества проектных решений и приводит к высокой вероятности возникновения ошибок системного уровня, включая неверный выбор технологий.

В связи с этим, одной из важнейших проблем в создании ВсС остается обеспечение качества проектных решений. Данная проблема решается за счет выбора технологий и инструментальных средств, контроля проектных процессов, путем тестирования и отладки создаваемых в процессе проектирования артефактов. Тестирование и отладка остаются наиболее универсальными и распространенными способами достижения необходимой степени качества проектных решений, но требуют значительных затрат из-за большого количества неформализованных и неавтоматизированных действий.

Тестирование в широком смысле включает в себя процессы верификации и валидации, которые предназначены для проверки конкретных свойств системы. Традиционно верификация выполнятся в процессе разработки системы, а валидация -после того, как получена итоговая реализация. Однако современные средства моделирования и симуляции разных уровней позволяют создавать промежуточные представления системы и включать в маршруты проектирования процессы предварительной валидации системы. Следовательно, тестирование в широком смысле, в совокупности с процессом отладки, который направлен как на исправление ошибок реализации, так и на учет вновь выявленных требований, являются ключевыми проектными процессами, направленными на контроль и обеспечение качества проектных решений.

В связи с многоуровневым характером организации вычислительного процесса как самих комплексных ВсС, так и процессов их проектирования, уровневый подход

11-2

является перспективным способом унификации представления комплексных проектов ВсС.

Исследования в направлении применения уровневых подходов к проектированию комплексных ВсС проводятся в ведущих отечественных и зарубежных научных и научно-технических организациях. Можно выделить методы платформно-ориентированного и контрактно-ориентированного проектирования, предложенные и развиваемые под руководством A. Sangiovanni-Vincentelli (Калифорнийский университета в Беркли, США), исследования моделей вычислений и композиций вычислительных платформ под руководством E. A. Lee (Калифорнийский университета в Беркли, США), метод Arcadia и инструментальную систему Capella (Thaïes, Франция), исследования французского исследовательского института INRIA совместно с Университетом Ниццы (R. De Simone, С. Cardenas), HLD-методологию проектирования ВсС и СнК (Университет ИТМО).

Таким образом, актуальным направлением исследований является развитие теоретических и практических решений для контроля и обеспечения качества проектных решений в комплексных проектах ВсС на основе уровневых моделей их представления. При этом должна учитываться необходимость сквозного тестирования и отладки представлений (моделей) целевой системы на каждом из ее уровней организации от технического задания до итоговой реализации.

Объектом исследования является применение уровневого подхода к задачам контроля качества проектных решений комплексных ВсС.

Предметом исследования являются методы организации процессов тестирования и отладки в проектах комплексных ВсС на основе уровневого подхода, и конкретные методы тестирования и отладки, обеспечивающие возможности контроля качества проектных решений ВсС в контексте их уровневой организации.

Целью работы является сокращение числа проектных ошибок системного уровня в комплексных ВсС за счет разработки новых автоматизированных методов организации процессов тестирования и отладки с использованием уровневых моделей представления ВсС.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследование и разработка методов моделирования уровневой организации комплексных ВсС с точки зрения процессов тестирования и отладки.

2. Исследование и разработка методов моделирования процесса проектирования комплексных ВсС с использованием уровневых моделей.

3. Разработка методов организации процессов тестирования и отладки в комплексных проектах ВсС с использованием уровневых моделей.

4. Разработка автоматизированного метода тестирования и отладки в комплексных проектах ВсС, направленного на сквозной контроль качества проектных решений на разных уровнях.

5. Разработка архитектуры технических средств для поддержки автоматизированной работы с предложенными методами в комплексных проектах ВсС и их экспериментальная реализация.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы системного анализа, математического, имитационного и натурного моделирования, математический аппарат теории множеств, методы структурного и параллельного программирования, методы языкового описания аппаратуры.

Научная новизна работы. В работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

1. На основе архитектурного стиля «модель-процесс-вычислитель» разработан архитектурный стиль «модель-процесс-платформа», предназначенный для моделирования уровневой организации комплексных ВсС с точки зрения процессов тестирования и отладки.

2. Разработан метод моделирования процесса проектирования ВсС в виде набора взаимосвязанных уровневых моделей на основе архитектурного стиля «модель-процесс-платформа».

3. Формализованы понятия тестирования, верификации и валидации в контексте уровневого представления ВсС.

4. Разработана методика организации процессов тестирования и отладки ВсС на основе уровневых моделей.

5. Разработан метод модельно-ориентированной записи и детерминированного воспроизведения вычислительного процесса, направленный на тестирование и отладку в целях сквозного контроля качества проектных решений в комплексных проектах ВсС опирающийся на уровневое представление вычислительной системы.

6. Предложена архитектура и алгоритмы работы тестовой подсистемы и инструментальных средств для реализации разработанного метода тестирования и отладки комплексных ВсС на основе уровневого представления.

Основные защищаемые положения:

1. Архитектурный стиль «модель-процесс-платформа», позволяющий моделировать уровневую организацию комплексных ВсС с точки зрения процессов тестирования и отладки.

2. Метод моделирования процесса проектирования ВсС, позволяющий представлять его в виде набора последовательно расширяемых уровневых моделей на основе архитектурного стиля «модель-процесс-платформа».

3. Способ формализации понятий тестирования, верификации и валидации, расширяющий и унифицирующий использование реализаций ВсС каждого уровня абстракции.

4. Методика организации процессов тестирования и отладки встраиваемых систем на основе уровневых моделей, позволяющая строить маршруты контроля качества проектных решений с использованием доступных методов тестирования и отладки.

5. Метод модельно-ориентированной записи и детерминированного воспроизведения вычислительного процесса, направленный на тестирование и отладку в целях сквозного контроля качества проектных решений в комплексных проектах ВсС в контексте уровневой организации.

6. Архитектура и алгоритмы работы тестовой подсистемы и инструментальных средств, предназначенные для реализации разработанного метода тестирования и отладки комплексных ВсС в контексте уровневой организации.

Практическая значимость работы состоит в повышении эффективности проектирования комплексных ВсС за счет сокращения числа проектных ошибок системного уровня в проектных решениях, что достигается применением разработанных методов организации тестирования и отладки ВсС с применением уровневых моделей.

Предложенный метод модельно-ориентированной записи и воспроизведения вычислительного процесса, в отличие от существующих методов аналогичного

назначения, является универсальным и не привязан к конкретным платформам реализации ВсС, что позволяет внедрять его в широком классе проектов.

Предложенная архитектура и алгоритмы работы тестовой подсистемы и инструментальных средств для реализации метода модельно-ориентированной записи и воспроизведения вычислительного процесса ориентированы на создание САПР для поддержки процессов тестирования и отладки в комплексных проектах ВсС.

Апробация работы. Научные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 16 конференциях в 17 докладах: Международная конференция 1st IEEE International Conference on Industrial Cyber-Physical Systems (2018 г.); Международная конференция Mediterranean Conference on Embedded Computing -MECO (2015 г.); International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management, SGEM (2014, 2015, 2017, 2018 гг.); Конференция молодых ученых «Навигация и управление движением» (2015, 2016, 2018 гг.); Всероссийский конгресс молодых ученых (2015, 2018 гг.); Научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО (2016, 2017, 2018 гг.); Научно-практическая конференция молодых ученых «Вычислительные системы и сети (Майоровские чтения)» (2014, 2017 гг.).

Работа поддержана грантами комитета по науке и высшей школе правительства Санкт-Петербурга (2017, 2018 гг.), грантом РНФ № 18-79-10190 «Разработка методов, алгоритмов и вычислительной архитектуры для восстановления светооптических параметров реального окружения в системах дополненной и смешанной реальностей» (2018 г.).

Публикации. По теме работы опубликован 21 печатный труд, из которых 5 входящих в международные реферативные базы данных и системы цитирования, 2 входящих в перечень российских рецензируемых журналов. Зарегистрировано 3 свидетельства на программу для электронных вычислительных машин.

Внедрение результатов работы. Результаты работы были успешно внедрены:

1. В ОКР:

1.1. Разработка программного обеспечения ПЛИС модулей блока обработки информации (ОАО «НЦ ПЭ», г. Санкт-Петербург, 2013-2014 гг.).

1.2. Разработка семейства контроллеров систем промышленной автоматики и телемеханики (ООО «ЛМТ», г. Санкт-Петербург, 2015 г.).

1.3. Разработка встроенного программного обеспечения бортового контроллера универсальной серверной платформы (ЗАО «НИИ «Масштаб», г. Санкт-Петербург, 2017 г.).

1.4. Разработка и реализация микроархитектуры специализированного вычислителя контроллера сканирующего зондового микроскопа (ООО «НТ-СПБ», г. Санкт-Петербург, 2018 г.).

2. В НИР:

2.1. Исследование механизмов обеспечения надежности аппаратно резервированных информационно-измерительных систем на базе ПЛИС (Университет ИТМО, № 214434).

2.2. Создание бесшовных технологий проектирования встраиваемых систем и систем на кристалле на основе реконфигурируемых архитектур (Университет ИТМО, № 713564).

2.3. Разработка методов и средств системотехнического проектирования информационных и управляющих вычислительных систем с распределенной архитектурой (Университет ИТМО, № 610481).

2.4. Нелинейное и адаптивное управление сложными системами (Университет ИТМО, № 713546).

2.5. Технологии киберфизических систем: управление, вычисления, безопасность (Университет ИТМО, № 617026).

2.6. Управление киберфизическими системами (Университет ИТМО, № 718546).

3. В учебных курсах бакалавриата и магистратуры Университета ИТМО: «Информационно-управляющие системы», «Системы ввода-вывода и периферийные устройства», «Методы и технологии проектирования систем на кристалле», при подготовке материалов лабораторных работ и методических пособий (Университет ИТМО, 2014-2018 гг.).

4. В исследованиях международной научной лаборатории Университета ИТМО «Архитектура и методы проектирования встраиваемых систем и систем на кристалле» (2014-2018 гг.).

5. При проведении семинаров и мастер-классов «MlPSfpga и Connected MCU», «Nanometer ASIC» (Университет ИТМО, 2016 г.).

Личный вклад автора. Решение задач диссертации, разработанные методы и их реализации принадлежат автору.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и 3 приложений. Полный объем диссертации 124 страницы текста с 35 рисунками и 5 таблицами. Список литературы содержит 98 наименований.

Заключение диссертации по теме «Системы автоматизации проектирования (по отраслям)», Пинкевич Василий Юрьевич

Заключение

Применение предлагаемого уровневого подхода к организации процессов тестирования и отладки встраиваемых систем позволяет:

- интегрировать технологии тестирования, верификации и валидации различных платформ в рамках единого комплексного проекта;

- с новых позиций в унифицированном стиле рассматривать вновь разрабатываемые и готовые сторонние компоненты создаваемой вычислительной системы как равноправные объекты тестирования, верификации, валидации и отладки;

- контролировать эволюцию проекта встраиваемой системы в ходе проектирования, выявляя и фиксируя вносимые разработчиками значимые технические проектные решения, которые требуют введения новых и пересмотра применяемых уровней представления встраиваемой системы и соответствующих методов тестирования и отладки.

Предлагаемый подход был апробирован при разработке метода и инструментальных средств мо-дельно-ориентированного тестирования и отладки встраиваемых систем [15, 16]. Данный метод, наряду с самостоятельным применением, может встраиваться в общий маршрут проектирования, позволяя решить задачи выявления и воспроизведения нетривиальных ситуаций с некорректным поведением создаваемой встраиваемой системы. Это позволяет эффективно диагностировать ошибки проектирования, опираясь на уровневое представление системы.

Методика тестирования и отладки встраиваемых систем на основе уровневых моделей внедрена в ряд проектов в области инфраструктурной автоматики (распределенные системы класса Интернета вещей) и в области специализированных гетерогенных вычислительных платформ для телекоммуникационных систем и аналитических приборов. Усилия авторов направлены на реализацию инструментальных средств, максимально автоматизирующих генерацию уровневых моделей и цепочек тестовых множеств для эффективного применения представленной методики массовым разработчиком встраиваемых систем.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Пинкевич Василий Юрьевич, 2018 год

Литература

1. Marwedel P. Embedded System Design: Embedded Systems, Foundations of Cyber-Physical Systems. 2nd ed. Springer, 2011. 400 p. doi: 10.1007/978-94-007-0257-8

2. Lee E.A., Seshia S.A. Introduction to Embedded Systems: A Cyber-Physical Systems Approach. 2nd ed. MIT Press, 2017.

3. Карпов Ю.Г. Model Checking. Верификация параллельных и распределенных программных систем. СПб.: БХВ-Петербург, 2010. 560 с.

4. Sangiovanni-Vincentelli A., Damm W., Passerone R. Taming Dr. Frankenstein: contract-based design for cyber-physical systems // European Journal of Control. 2012. V. 18. N 3. P. 217-238. doi: 10.3166/EJC.18.217-238

5. Lettnin D., Winterholer M. Embedded Software Verification and Debugging. Springer, 2017. 208 p. doi: 10.1007/978-14614-2266-2

6. Непейвода Н.Н., Скопин И.Н. Основания программирования. Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2003. 913 с.

7. Platunov A., Kluchev A., Penskoi A. Expanding design space for complex embedded systems with HLD-methodology // Proc. 6th Int. Congress on Ultra Modern Telecommunications and Control Systems and Workshops. 2014. P. 157-164. doi: 10.1109/icumt. 2014.7002096

8. Платунов А.Е. Реконфигурируемые встраиваемые системы и системы на кристалле // Известия вузов. Приборостроение. 2014. Т. 57. № 4. С. 49-52.

9. Adir A., Copty S., Landa S., Nahir A., Shurek G., Ziv A., Meissner C., Schumann J. A unified methodology for pre-silicon verification and post-silicon validation // Proc. Design, Automation & Test in Europe. Grenoble, France, 2011. doi: 10.1109/DATE.2011.5763252

10. Wagner I., Bertacco V. Reversi: post-silicon validation system for modern microprocessors // Proc. IEEE Int. Conf. on Computer Design. Lake Tahoe, USA, 2008. doi: 10.1109/ICCD.2008.4751878

11. Broekman B., Notenboom E. Testing Embedded Software. Addison-Wesley, 2003. 368 p.

12. Пенской А.В. Архитектурное документирование встроенных систем с многоуровневой конфигурацией // Известия вузов. Приборостроение. 2015. Т. 58. № 7. С. 527532.

13. Ключев А.О., Кустарев П.В., Палташев Т.Т., Платунов А.Е. Применение HLD-методологии для проектирования реконфигурируемых встраиваемых систем // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2014. № 4(92). С. 74-82.

14. Carloni L., De Bernardinis F., Pinello C., Sangiovanni-Vincentelli A.L., Sgroi M. Platform-based design for embedded

References

1. Marwedel P. Embedded System Design: Embedded Systems, Foundations of Cyber-Physical Systems. 2nd ed. Springer, 2011, 400 p. doi: 10.1007/978-94-007-0257-8

2. Lee E.A., Seshia S.A. Introduction to Embedded Systems: A Cyber-Physical Systems Approach. 2nd ed. MIT Press, 2017.

3. Karpov Yu.G. Model Checking. Verification of Parallel and Distributed Software Systems. St. Petersburg, BKhV-Peterburg Publ., 2010, 560 p. (in Russian)

4. Sangiovanni-Vincentelli A., Damm W., Passerone R. Taming Dr. Frankenstein: contract-based design for cyber-physical systems. European Journal of Control, 2012, vol. 18, no. 3, pp. 217-238. doi: 10.3166/EJC.18.217-238

5. Lettnin D., Winterholer M. Embedded Software Verification and Debugging. Springer, 2017, 208 p. doi: 10.1007/978-14614-2266-2

6. Nepeivoda N.N., Skopin I.N. Reasons for Programming. Moscow-Izhevsk, Institute of Computer Research Publ., 2003, 913 p. (in Russian)

7. Platunov A., Kluchev A., Penskoi A. Expanding design space for complex embedded systems with HLD-methodology. Proc. 6th Int. Congress on Ultra Modern Telecommunications and Control Systems and Workshops, 2014, pp. 157-164. doi: 10.1109/icumt.2014.7002096

8. Platunov A.E. Reconfigurable embedded systems and system-on-chip. Journal of Instrument Engineering, 2014, vol. 57, no. 4, pp. 49-52. (in Russian).

9. Adir A., Copty S., Landa S., Nahir A., Shurek G., Ziv A., Meissner C., Schumann J. A unified methodology for pre-silicon verification and post-silicon validation. Proc. Design, Automation & Test in Europe. Grenoble, France, 2011. doi: 10.1109/DATE.2011.5763252

10. Wagner I., Bertacco V. Reversi: post-silicon validation system for modern microprocessors. Proc. IEEE Int. Conf. on Computer Design. Lake Tahoe, USA, 2008. doi: 10.1109/ICCD.2008.4751878

11. Broekman B., Notenboom E. Testing Embedded Software. Addison-Wesley, 2003, 368 p.

12. Penskoi A.V. Architectural specification of embedded systems with multi-level configuration. Journal of Instrument Engineering, 2015, vol. 58, no. 7, pp. 527-532 (in Russian).

13. Klyuchev A.O., Kustarev P.V., Paltashev T.T., Platunov A.E. HLD-methodology application for reconfigurable embedded systems design. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2014, no. 4, pp. 74-82. (in Russian)

14. Carloni L., De Bernardinis F., Pinello C., Sangiovanni-Vincentelli A.L., Sgroi M. Platform-based design for embedded systems. In The Embedded Systems Handbook. Ed.

systems / In: The Embedded Systems Handbook. Ed. R. Zurawski. Boca Raton: CRC Press, 2005. 1112 p.

15. Pinkevich V., Yanalov R., Platunov A. Hardware computational units design with combined debug capabilities // Proc. 17th Int. Multidisciplinary Scientific GeoConference, SGEM. 2017. V. 17. N 21. P. 77-84. doi: 10.5593/sgem2017/21/s07.011

16. Пинкевич В.Ю. Подход к разработке систем потоковой обработки данных на ПЛИС с возможностью комбинированной отладки // Известия вузов. Приборостроение. 2017. Т. 60. № 10. С. 967-972. doi: 10.17586/0021-3454- 2017-60-10-967-972

R. Zurawski. Boca Raton, CRC Press, 2005, 1112 p.

15. Pinkevich V., Yanalov R., Platunov A. Hardware computational units design with combined debug capabilities. Proc. 17th Int. Multidisciplinary Scientific GeoConference, SGEM, 2017, vol. 17, no. 21, pp. 77-84. doi: 10.5593/sgem2017/21/s07.011

16. Pinkevich V.Yu. An approach to design of FPGA-based systems for stream data processing with capability of combined debugging. Journal of Instrument Engineering, 2017, vol. 60, no. 10, pp. 967-972. (in Russian)