Software für Embedded Systems: Tool für die modellbasierte Entwicklung

(openPR) Embedded Systems sind heute ein zentraler Bestandteil moderner technischer Produkte. Ob in der Industrieautomation, in Fahrzeugen, in der Medizintechnik, in der Logistik oder in IoT-Geräten: Eingebettete Systeme übernehmen Steuerungs-, Überwachungs- und Verarbeitungsaufgaben direkt im technischen Produkt. Damit steigen auch die Anforderungen an die Entwicklung der Software, die diese Funktionen steuert. Embedded Software muss nicht nur funktional korrekt sein. Sie muss häufig unter Echtzeitbedingungen arbeiten, mit begrenzten Ressourcen auskommen und zuverlässig mit der Hardware, Sensoren und Aktoren zusammenspielen.

Ein Tool für die Entwicklung von Embedded Systems muss deshalb mehr leisten als klassische Quellcodebearbeitung. Modellbasierte Entwicklung mit UML schafft eine zusätzliche Abstraktionsebene, auf der Entwickler Architektur und Verhalten visualisieren, simulieren, testen und anschließend automatisch Quellcode erzeugen können.

Was ist Embedded Software?

Embedded Software bezeichnet Software, die speziell für ein eingebettetes System entwickelt wird und eng mit der zugrunde liegenden Hardware verbunden ist. Sie übernimmt beispielsweise die Steuerung, Überwachung oder Verarbeitung von Systemfunktionen.

Typische Merkmale sind:

• enge Kopplung an die Hardware
• begrenzte Speicher- und Rechenressourcen
• Echtzeit- oder nahezu Echtzeitanforderungen
• Interaktion mit Sensoren und Aktoren
• hohe Anforderungen an Zuverlässigkeit und Stabilität
• Einsatz auf Mikrocontrollern, Mikroprozessoren oder SoCs

Auch die Unterscheidung zwischen Firmware, Middleware, Betriebssystem und Anwendung zeigt, wie vielfältig ein moderner Embedded-Software-Stack aufgebaut sein kann.

Für Entwickler bedeutet das: Je komplexer das Embedded System wird, desto wichtiger werden eine klare Architektur, eine nachvollziehbare Modellierung und eine systematische Verifikation.

Wo wird Software für Embedded Systems eingesetzt?

Die Anwendung von Software für Embedded Systems ist äußerst vielfältig. Embedded Systems sind Bestandteil von Produkten und Anlagen, bei denen Software eine definierte technische Funktion übernimmt.

Typische Anwendungsbereiche sind beispielsweise:

• Industrieautomation

Embedded Software steuert Maschinen, Roboter, Antriebe und Produktionsanlagen. Sensoren liefern Daten, die verarbeitet werden, während Aktoren auf Basis der Softwarelogik gesteuert werden.

• Automotive

In Fahrzeugen übernehmen zahlreiche elektronische Steuergeräte spezifische Funktionen. Dabei müssen Softwarekomponenten zuverlässig kommunizieren, interagieren und häufig innerhalb definierter Zeitfenster reagieren.

• Medizintechnik

Medizinische Geräte nutzen Embedded Systems beispielsweise zur Erfassung, Verarbeitung und Auswertung von Messdaten. Zuverlässigkeit und nachvollziehbare Entwicklungsprozesse haben hier eine besondere Bedeutung.

Warum reicht klassische Programmierung für Embedded Software nicht immer aus?

Mit wachsender Funktionalität steigt auch die Komplexität des Softwarecodes. Bei einer rein codeorientierten Entwicklung ist es für Entwickler zunehmend schwierig, die Gesamtstruktur eines Systems im Blick zu behalten. Hier setzt die modellbasierte Entwicklung an.

Statt Software-Architektur und Verhalten ausschließlich über Quellcode zu beschreiben, werden wesentliche Zusammenhänge grafisch mit UML-Modellen dargestellt. Klassen, Komponenten, Zustände, Zustandsübergänge und Interaktionen lassen sich auf unterschiedlichen Abstraktionsebenen betrachten. Das verbessert insbesondere das Verständnis komplexer Softwarearchitekturen.

Ein Modell kann außerdem bereits ausgeführt und simuliert werden, bevor die vollständige Implementierung auf dem Zielsystem vorhanden ist. Fehler in Verhalten oder Architektur können dadurch früher erkannt und behoben werden.

Software für Embedded Systems: Tools für die modellbasierte Entwicklung mit UML

Eine geeignete Anwendung verbindet Modellierung, Simulation, Codegenerierung und die konkrete Zielplattform miteinander: So wie bei dem hierfür extra entwickelten Tool Embedded UML Studio.

Embedded UML Studio ist eine Entwicklungsumgebung für die modellbasierte Entwicklung von Software für Embedded Systeme. Die Lösung verbindet:

• IBM Rhapsody
• den UML Target Debugger von SodiusWillert
• das Real-time Execution Framework RXF
• sowie Adapter für Compiler, Zielplattformen und Real-time Betriebssysteme

Entwickler können damit Embedded Software mit der Modellierungssprache UML entwerfen, simulieren, testen und anschließend aus den geprüften Modellen Quellcode generieren.

Der entscheidende Punkt dabei: Das Modell ist nicht lediglich eine Dokumentation des bereits geschriebenen Codes. Es wird zum zentralen Entwicklungsartefakt.

Vom UML-Modell zum ausführbaren Embedded Code

Eine wesentliche Stärke von Embedded UML Studio ist die durchgängige Verbindung zwischen Modell und Zielsystem.

Der Entwicklungsprozess kann beispielsweise so aussehen:

Modellieren → Simulieren → Testen → Debuggen → Code generieren → auf dem Zielsystem ausführen

Zunächst wird die Softwarearchitektur grafisch beschrieben. Das Verhalten kann anschließend bereits auf Modellebene dynamisch simuliert und überprüft werden.

Sind die Modelle getestet und validiert, kann daraus automatisch Source Code generiert werden. Damit entsteht ein durchgängiger Entwicklungsprozess, bei dem das Modell eine zentrale Rolle einnimmt.

Die Vorteile eines Tools für Software für Embedded Systems

Ein modernes Tool zur Software-Entwicklung für Embedded Systems sollte nicht nur die Modellierung ermöglichen. Entscheidend ist die Verbindung der Modellierung mit Simulation, Codegenerierung und Zielsystem.

Embedded UML Studio bietet hierfür insbesondere folgende Vorteile:

1. Besseres Verständnis komplexer Software

Grafische Modelle machen Strukturen und Zusammenhänge sichtbar. Entwickler können Architekturen, Zustände und Interaktionen betrachten, ohne sich ausschließlich durch umfangreichen Quellcode arbeiten zu müssen.

2. Dynamische Simulation auf Modellebene

Das Verhalten des Modells kann bereits vor der vollständigen Implementierung simuliert werden. Dadurch lassen sich Fehler und unerwartete Zustände frühzeitig erkennen.

3. Besser strukturierte Softwarearchitektur

UML unterstützt eine strukturierte Darstellung von Softwarekomponenten und deren Beziehungen. Das erleichtert die Entwicklung und Weiterentwicklung komplexer Embedded-Systems-Architekturen.

4. Frühe Fehlererkennung

Je früher Fehler entdeckt werden, desto geringer ist der Aufwand für ihre Beseitigung. Die modellbasierte Entwicklung ermöglicht es, bestimmte Fehler bereits auf einer höheren Abstraktionsebene zu erkennen.

5. Automatische Source-Code-Generierung

Aus getesteten UML-Modellen kann automatisch C/C++ Source Code erzeugt werden. Dadurch wird die Verbindung zwischen Design und Implementierung enger und reproduzierbarer.

6. Das Modell als aktuelle Dokumentation

Wenn das Modell tatsächlich Bestandteil des Entwicklungsprozesses ist, kann es gleichzeitig als technische Dokumentation dienen. Damit reduziert sich die Gefahr, dass Dokumentation und Implementierung im Laufe eines Projekts auseinanderlaufen.

7. Single Source of Truth

Ein besonders wichtiger Vorteil ist die Möglichkeit, Modelle und Dokumentation als zentrale Informationsquelle zu verwenden. Das Modell beschreibt die Architektur und das Verhalten und bleibt dadurch während des gesamten Entwicklungsprozesses nutzbar.

Embedded Software direkt auf dem Zielsystem debuggen

Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Entwicklung von Embedded Software ist das Debugging.

Mit dem UML Target Debugger kann das modellierte Verhalten mit der Ausführung auf dem tatsächlichen Zielsystem verbunden werden. Entwickler können damit nicht nur den generierten Quellcode betrachten, sondern die Verbindung zwischen Modell und Ausführung nachvollziehen. Das ist insbesondere bei komplexen Zustandsautomaten und zeitkritischem Verhalten interessant. Fehler können dadurch auf der Ebene untersucht werden, auf der die Software ursprünglich entworfen wurde: im UML-Modell.

Adapter für Compiler, Zielplattformen und Real-time Betriebssysteme

Embedded-Projekte unterscheiden sich stark hinsichtlich ihrer Hardware, Compiler und Betriebssysteme. Deshalb gehört zu Embedded UML Studio neben IBM Rhapsody und den SodiusWillert-Modulen auch eine Reihe von Adaptern für Compiler, Zielplattformen und Real-time Betriebssysteme.

Die ready-to-use Adapter erleichtern die Anbindung der modellbasierten Entwicklung an die konkrete Entwicklungsumgebung des jeweiligen Projekts. Damit lässt sich der modellbasierte Ansatz auf unterschiedliche Embedded-Software-Projekte übertragen, ohne das UML-Modell unnötig mit plattformspezifischen Details zu belasten.

Für wen eignet sich Embedded UML Studio?

Embedded UML Studio richtet sich insbesondere an Entwickler, die Software für Embedded Systeme designen, entwickeln und testen.

Interessant ist die Lösung insbesondere für Teams, die:

• komplexe Embedded-Software-Architekturen entwickeln,
• UML als Modellierungssprache einsetzen möchten,
• Softwareverhalten bereits auf Modellebene simulieren wollen,
• Fehler möglichst früh im Entwicklungsprozess erkennen möchten,
• aus getesteten Modellen automatisch C/C++ Code erzeugen wollen,
• Modelle gleichzeitig als technische Dokumentation nutzen möchten,
• Embedded Software direkt auf dem Zielsystem debuggen möchten,
• unterschiedliche Compiler, Zielplattformen oder Real-time Betriebssysteme einsetzen.

On-Premise oder Cloud mit Citrix

Embedded UML Studio kann entsprechend der technischen Umgebung des Unternehmens eingesetzt werden. Die Lösung steht für On-Premise-Szenarien zur Verfügung und kann auch in einer Cloud-Umgebung mit Citrix eingesetzt werden. Die Integration in eine Jazz-Umgebung sowie die Unterstützung von Windows und Linux ermöglichen eine flexible Einbindung in bestehende Entwicklungslandschaften. Damit kann die Anwendung zur Software-Entwicklung für Embedded Systems an die organisatorischen und technischen Rahmenbedingungen des jeweiligen Unternehmens angepasst werden.

Flexible Lizenzmodelle für unterschiedliche Anforderungen

Nicht jedes Embedded-Software-Projekt hat dieselben Anforderungen. Deshalb ist auch das Lizenzmodell ein wichtiger Bestandteil einer geeigneten Entwicklungsumgebung. Für Embedded UML Studio stehen flexible Kauf- und Mietlizenzen zur Verfügung. Das Angebot wird entsprechend dem konkreten Bedarf und den Vereinbarungen mit dem Kunden zusammengestellt.

Bei Bedarf kann zunächst für einen begrenzten Zeitraum eine Evaluierungslizenz eingesetzt werden. Die Preise beginnen abhängig vom Lizenzmodell und der Anzahl der Benutzer im niedrigen vierstelligen Bereich und können bei größeren Konfigurationen bis in den fünfstelligen Bereich reichen.

Software für Embedded Systems muss Modell und Zielsystem verbinden

Embedded Systems werden immer leistungsfähiger und übernehmen immer komplexere Aufgaben. Eine passende Anwendung, die den Umgang mit Software für Embedded Systems vereinfacht, sollte deshalb nicht nur das Schreiben von Code unterstützen. Entscheidend ist eine durchgängige Verbindung von Architektur, Modellierung, Simulation, Test, Debugging und Implementierung. So können Entwickler komplexe Softwarestrukturen besser verstehen, Verhalten frühzeitig simulieren, Fehler bereits auf Modellebene erkennen, getestete Modelle zur Codegenerierung verwenden und die Modelle gleichzeitig als aktuelle Dokumentation nutzen.