TIHA System Model Based Software Development Approach

Transkript

1 HA Program Model Tabanl Yaz m Geli tirme Yakla TIHA System Model Based Software Development Approach Celal Küçüko uz Aviyonik Yaz m Müdürlü ü TAI, Ankara ckucukoguz@tai.com.tr ur Çak r Aviyonik Yaz m Müdürlü ü TAI, Ankara ucakir@tai.com.tr Yal n Yar ma an Aviyonik Yaz m Müdürlü ü TAI, Ankara yyarimagan@tai.com.tr Özet Aviyonik yaz m sektöründe son y llarda geleneksel yaz m geli tirme yöntemlerine alternatif olarak model tabanl yaz m geli tirme yöntemleri uygulanmaya ba lam r. Bu yöntemde bir geli tirme arac ile model tabanl olarak tasar m yap lmakta ve ek bir kod geli tirme yap lmadan kaynak kodlar modellerden otomatik olarak üretilmektedir. Bu bildiride model tabanl yaz m geli tirme üzerine genel bir bilgilendirme yap ld ktan sonra Özgün T HA Geli tirme Program kapsam nda yap lan model tabanl geli tirme aktiviteleri ve kullan lan geli tirme araçlar tan lacakt r. Abstract There has been an ongoing trend in the avionics software industry of adapting model based software development approaches in place of conventional means of software development. In this approach, software is modeled using a development tool and source files are automatically generated from those models without any manual coding. In this paper, an overview about model based software development concepts and relevant activities within the scope of the Turkish Indigenous MALE UAV Development Program are presented. 1. Giri Yaz m her geçen gün daha da yayg nla arak gündelik hayat n her alan nda kar za ç kmaktad r. Teknolojide ya anan geli melere paralel olarak giderek daha fazla say da cihaz ve servisin arka plan nda çe itli boyutlarda yaz mlar yer almakta; bu yaz mlar n kalite ve maliyet özelliklerinin kullan lmakta olduklar ürünlere yans malar her geçen gün artmaktad r. Kullan m alan ndaki yayg nla maya paralel olarak yaz mlardan beklenti de giderek artmaktad r. Daha sa sürede geli tirilebilen, daha çok özellik içeren, daha h zl çal an, daha az hata bar nd ran yaz mlar n geli tirilmesine olanak sa layacak yakla m ve araçlara yönelik ara rmalar yaz m mühendisli inin en aktif ara rma konular aras nda yer almaktad r. Geli tirilen yaz mlar n yüksek kalite niteliklerine sahip olmas hemen tüm sektörlerin ortak beklentisidir. Ancak aviyonik gibi küçük yaz m hatalar n bile istenmeyen büyük sorunlar do urabilece i güvenlikkritik (safety critical) sektörlerde bu yöndeki beklenti daha da ön plana ç kmaktad r. Bat ülkelerinde aviyonik yaz mlar n yeterince güvenilir ve emniyetli oldu unun bir ölçütü olarak uzun y llardan beridir RTCA DO-178B, EUROCAE ED-12B gibi standartlara uygunluk art aranmaktad r. Ancak söz konusu standartlara uyumlulu un gerektirdi i ek do rulama ve gözden geçirme eforu aviyonik yaz m geli tirme süre ve maliyetlerinin önemli ölçüde artmas na neden olmaktad r. Hedeflenen güvenilirlik seviyeleri sa lan rken geli tirme süre ve maliyetlerinin de makul düzeylerde tutulmas hedefleyen aviyonik yaz m sektöründe Model Tabanl Yaz m Geli tirme yakla mlar n giderek yayg nla makta oldu u gözlenmektedir [1]. Bu bildiride, genel olarak model tabanl yaz m geli tirme yakla ve özelde Özgün T HA Geli tirme Program ndaki kullan m senaryosu tan lacakt r. Bildirinin 2. Bölümünde model tabanl yaz m geli tirme genel hatlar yla özetlenmekte; 3. Bölümde model tabanl yaz m geli tirme araçlar n yo un olarak kullan lmakta oldu u Özgün T HA Geli tirme Program tan lmaktad r. 4. Bölümde T HA program nda uygulanmakta olan model tabanl yaz m geli tirme yakla ve kullan lan geli tirme araçlar anlat lmaktad r. Bildirinin son bölümünde yap lan çal malar n bir özeti ve T HA program nda edinilen tecrübelere yer verilmektedir. 2. Model Tabanl Yaz m Geli tirme Yaz m geli tirme genel anlamda bilgisayar taraf ndan kar lanmas hedeflenen isterlerin bir programlama

2 dilinin kurallar ve sundu u olanaklar kullan larak gerçeklenmesi olarak özetlenebilir. Tarihsel geli imine bak ld nda yaz m geli tirme bilgisayar taraf ndan i lenebilir makine dili komutlar n (assembly code) do rudan haz rlanmas yöntemiyle ba lam r. Bu yakla n karma k yaz mlar n geli tirilmesi için yetersiz kalmas yla birlikte do al dillere daha yak n ifadeler arac yla geli tirme yap lmas na olanak sa layan üst seviye programlama dilleri kullan lmaya ba lanm r. Günümüzde yaz m geli tirme yayg n olarak bu tür üst seviye programlama dilleri kullan larak yap lmakta; kullan lan dilin kurallar na uygun olarak geli tirilen kaynak kodlardan derleyiciler arac yla makine dili komutlar üretilmektedir. Bu yakla mda geli tiricilerin bireysel yetenek ve bilgi seviyeleri kullan lan dilin özelliklerinin do ru ve etkin ekilde kullan lmas nda ve k sa süre içerisinde kaliteli, yüksek performansta, idame ettirilebilir, platformdan ba ms z gibi niteliklere sahip yaz m üretilmesinde önemli rol oynamaktad r. Model Tabanl Yaz m Geli tirme yakla nda ise geleneksel yaz m geli tirme yöntemlerinden farkl olarak kaynak kod de il hedeflenen yaz n modeli geli tirilmekte; kaynak kod bu modellerden otomatik olarak üretilmektedir. Geli tirilmek istenen yaz mlar n önce modellenmesi ve daha sonra o modeller kullan larak otomatik kod üretilmesi uzun y llard r gündemde olan bir konu olmakla birlikte [2] taraf ndan da özetlendi i üzere uygulamalar uzun süre dokümantasyon deste i sa lamak ve s f/metod taslaklar n (code skeletons) üretilmesi ile s rl kalm ve bu nedenle üretkenli e önemli bir katk bulunmam r. Özellikle kod üretiminin ard ndan model ve kodu ayr ayr idame ettirmenin gerektirdi i i gücü ihtiyac nedeniyle birçok projede modellerin güncellenmesine yeterli kaynak ayr lamam ve zaman içerisinde kodlar ile modeller aras ndaki tutarl k ve izlenebilirlik kaybedilmi tir. [2], bu soruna yönelik öncelikli çözüm aray lar n modelleri kaynak kodlardan tersine-mühendislik (reverse engineering) yöntemiyle otomatik güncellemek yönünde oldu unu; bu sayede kod ve model aras ndaki tutarl n korunabildi ini ancak tersine-mühendislik yoluyla üretilen modellerin okunabilirlik ve anla labilirlik özelliklerini önemli ölçüde yitirmesinin yakla n önemli bir dezavantaj oldu unu belirtmektedir. [3] ün de özetledi i üzere modellerden sadece taslak kod de il komple yaz m üretebilen geli tirme araçlar n ortaya ç kmas ve bu araçlar n zaman içinde olgunla mas ile model tabanl yaz m geli tirmenin potansiyeli belirginle mi ve kullan yayg nla maya ba lam r. Geleneksel yaz m geli tirme yakla nda üst seviye bir programlama dilinde yaz lan kaynak kodlardan derleyiciler arac yla makine dili komutlar üretilmekte ve çok özel durumlar hariç üretilen komutlar de tirilmeden kullan lmaktad r. Üretilen makine dili komutlar nda de iklik ihtiyac oldu unda do rudan komutlar de tirmek yerine derleyici parametreleri arac yla komut üretme yöntemini de tirmek ço unlukla tercih edilen yakla md r. Modelden kod üretme yakla nda da benzer ekilde kod üreten dönü üm kurallar parametreler arac yla kontrol edilmekte ve bu sayede kaynak kodlar n büyüklük, performans, bellek kullan gibi de ik ihtiyaçlara uygun üretilmesi sa lanmaktad r. Dönü üm kurallar n hatas z çal ve istenilen kalitede kod üretti i bir kez güvence alt na al nd ktan sonra üretilen kaynak kodlar de tirme ve inceleme ihtiyac ortadan kalkmakta, üretilen kodlar do rudan kullan labilmektedir. Özellikle yaz mlar n kullan labilmesi için ilgili otoriteler taraf ndan sertifikaland lmas gereken aviyonik gibi sektörlerde, söz konusu otorite ve kullan lan standartlar bak ndan güvenilir kod üretti i belgelenmi modelleme araçlar n kullan sertifikasyon risklerinin azalt lmas na ve ilgili maliyetlerin dü ürülmesine önemli katk sa lamaktad r. [4], model tabanl yaz m geli tirme yakla n ba ca avantajlar a daki ekilde özetlemektedir: Geli tirmenin model tabanl yap lmas öncelikli olarak üretkenli in art lmas hedefler; kaynak kodun haz rlanan modellerden otomatik üretilmesi geli tirme süresinin k salmas sa lar. Otomatik kod üretiminde standart dönü ümlerin kullan lmas üretilen kodlarda standardizasyon sa lar. Kod üretiminde do rulu u ispatlanm standart dönü ümlerin kullan lmas yaz m geli tiriciler taraf ndan s kl kla yap lan basit programlama hatalar ndan kaç nmay garanti alt na al r. Üretilen modeller yaz m uzman olmayan ki iler için kaynak kodlara k yasla daha anla labilir oldu u için mü teri ve alan uzman gibi payda lardan geri bildirim almak kolayla r. Kaynak kodla k yasland nda modeller üzerinde gözden geçirme ve güncelleme yapmak kolayla r, yeni geli tiricilerin adaptasyon süresi k sal r. Modellerin çal ma zaman davran lar n incelenmesi gereksinim ve tasar m hatalar n hata ay klamaya k yasla daha kolay ve erken fark edilmesini sa lar.

3 Modellerin hem kaynak kod hem dokümantasyon yerine geçmesi güncelleme maliyetinin önemli ölçüde azalmas sa lar. Tek bir modelden farkl platformlara yönelik kaynak kod üretilebilmesi platform ba ms zl a katk da bulunur T HA Yaz m Bile enleri HA K0 konfigürasyonunda yer alan yaz m bile enleri ekil-2 de verilmi tir. 3. Özgün T HA Geli tirme Program 3.1. Sistem Özellikleri Özgün Türk nsans z Hava Arac (T HA) Geli tirme Program, Medium Altitude Long Endurance (MALE) bir nsans z Hava Arac ( HA) sisteminin milli olanaklarla geli tirilmesini hedefleyen bir programd r. ekil 1 de yer alan T HA sistemi; ft maksimum irtifada 24 saat süre ile ke if gözetleme görevi yapmak üzere tasarlanm bir Hava Arac ve 200 km yar çap içerisinde Hava Arac n takip ve kontrolünün yap labildi i Yer Kontrol stasyonu temel bile enlerinden olu maktad r. ekil 2- T HA Yaz m Bile enleri ekil 1- T HA Sistemi Art ml bloklar halinde geli tirilen T HA sisteminin K0 konfigürasyonunda temel uçu, takip ve kontrol özellikleri yer almaktad r. Blok-A kapsam nda K0 konfigürasyonuna ke if gözetleme görevlerinde kullan lacak elektro-optik/termal özellikli kamera sistemi entegre edilecektir. Blok-B kapsam nda ise Blok-A konfigürasyonuna Sentetik Aç kl Radar (SAR) sistemi entegre edilecektir. Hava Arac na ait tüm uçu kritik fonksiyonlar yedekli Uçu Kontrol Bilgisayarlar üzerinde çal an gerçek zamanl Harekat Uçu Yaz (HUY) taraf ndan yönetilmektedir. HUY un temel i levleri a da listelenmi tir: Hava Arac ndaki motor, ini tak mlar, aviyonik ekipmanlar dahil tüm alt-sistemlerin kontrol ve yönetimi Otopilot ve uçu yönetim sistemi fonksiyonlar n gerçekle tirilmesi Uçu modlar n yönetimi Hata ve yedeklilik yönetimi Hava Arac n yerden kontrolü Yer Kontrol stasyonu içerisinde yer alan yedekli Hava Arac Kontrol Bilgisayarlar üzerinde çal an gerçek zamanl Hava Arac Kontrol Yaz (HAKY) arac yla gerçekle tirilmektedir. HAKY nin temel i levleri da listelenmi tir: Löyve, pedal ve MFD ler arac yla hava arac n kumanda edilmesi Hava Arac n durum ve statü takibi Hava Arac ndan gelen telemetri ve pilot kameras görüntülerinin gösterimi

4 Görev planlar n hava arac na yüklenmesi Yer Kontrol stasyonu içerisinde HAKY ye ek olarak sistem yönetimi, veri yönetimi ve görev planlama levlerinden sorumlu yak n-gerçek zamanl Sistem Yönetim Yaz, Veri Yönetim Yaz ve Görev Planlama Yaz bile enleri yer almaktad r. 4. T HA Program - Model Tabanl Yaz m Geli tirme Yakla HA program kapsam nda bir önceki bölümde k saca aç klanan gerçek zamanl ve yak n-gerçek zamanl yaz m bile enleri geli tirilmi tir. Bu bile enler aras nda uçu kritik i levleri sa layan HUY ve HAKY yaz mlar n geli tirilmesinde model tabanl geli tirme yakla yayg n ekilde uygulanm r. Bu yakla m kapsam nda takip eden Geli tirme Araçlar alt-ba alt nda k saca tan lan SCADE Suit ve Virtual Applications Prototyping System (VAPS) araçlar kullan lm r. SCADE Suit arac HAKY ve HUY yaz m bile enlerinin uygulama ve kontrol mant içeren modüllerinin geli tirilmesi için, VAPS arac da HAKY yaz m bile eninin kullan arayüz modüllerinin geli tirilmesi için kullan lm r. Her iki yaz m bile eninin giri /ç (I/O) ve veri dönü ümü yapan modülleri geleneksel geli tirme yakla ile geli tirilmi tir. Detaylar Program Metrikleri alt ba alt nda verildi i üzere uçu kritik olarak s fland lan T HA yaz m bile enlerinin %83 i model tabanl yaz m geli tirme araçlar kullan larak geli tirilmi tir. Geli tirilen modellerden üretilen kaynak kodlar herhangi bir de iklik yap lmadan derlenerek hedef ortamda çal an uygulamalar üretilmektedir. Model tabanl geli tirilen yaz m bile enlerinde ortaya ç kan düzeltme/güncelleme ihtiyaçlar do rudan ilgili modeller üzerinde yap lmakta ve kod üretimi tekrarlanarak yap lan de iklikler uygulamalara yans lmaktad r. 4.1 Geli tirme Araçlar SCADE Suite Esterel Technologies firmas n bir ürünü olan SCADE Suite; aviyonik, ula m, enerji gibi sektörler için güvenlik-kritik gömülü yaz mlar n geli tirilmesinde yayg n ekilde kullan lan model tabanl bir yaz m geli tirme arac r. SCADE arac kullan larak geli tirilen yaz m bile enleri için yaz n sa lamas gereken durumlar ve durumlar aras geçi ko ullar Durum Makineleri (State Machine) arac yla modellenmekte ve her bir durum içerinde yap lmas gereken i lemler için Blok Diyagramlar geli tirilmektedir. Örnek bir Durum Makinesi ekil-3 de, örnek bir Blok Diyagram ise ekil-4 de verilmi tir. ekil 3- Örnek Durum Diyagram ekil 4 - Örnek Blok Diyagram Blok diyagramlar sabit zaman aral nda girdi de erlerini okuyan, ilgili hesaplamalar yapan ve ç kt alanlar güncelleyen operatörlerden olu maktad r. Basit matematik ve mant k operatörleri hiyerar ik olarak birbirine ba lanarak karma k operatörler üretilmekte; bu yap ya uygun olmayan birim çevrimi (unit conversion) gibi i lemler için geleneksel yöntemlerle geli tirilen kod parçalar özel operatörler arac yla sarmalanarak (encapsulation) di er operatörlerle birlikte çal abilir hale getirilmektedir. Tüm bu operatörler durum makineleri ile ili kilendirilerek yaz n gerçekle tirmesi gereken tüm fonksiyonlar en küçük ayr nt na kadar modellenmektedir. Geli tirilen modeller araç taraf ndan sa lanan kontrollerden geçirilerek tan ms z ve kullan lmayan de kenler, veri tipleri ve operatörler aras tutars zl klar, model topolojilerindeki hatalar, hiçbir

5 yere ba lanmam durumlar (orphan states), durum makineleri aras tutars zl klar gibi pek çok yaz msal (syntax) ve mant ksal (semantic) hata modelleme amas nda belirlenerek düzeltilmektedir. Bu kontrollerden ba ar yla geçen modeller üzerinde arac n simülasyon özelli i kullan larak ve zaman/girdi de erleri kontrollü ekilde de tirilerek operatörlerin çal ma-zaman (run-time) davran lar gözlenmekte ve hatal i leyi ler geli tirme ortam nda düzeltilmektedir. Yeterli olgunluk seviyesine eri en modeller için kod üreticiler arac yla kod üretilmekte ve üretilen kodlar herhangi bir de iklik yap lmadan derlenerek hedef ortamda çal an uygulamalar haz rlanmaktad r. SCADE kod üreticisi bellek atama (memory allocation) lemlerinin statik yap lmas, gösterge aritmeti i (pointer arithmetic) ve özyineleme (recursion) gibi lemlerden kaç nma, döngü s rlar n (loop bounds) statik kullan mla s rlanmas gibi güvenlik-kritik gömülü yaz m özelliklerine uygun, RTCA DO-178B Seviye A kritiklik seviyesinde uygulamalar için kullan labilirli i onaylanm kod üretmektedir [5]. Araç taraf ndan üretilen kodun güvenilirli i sayesinde geli tirme ekibi geleneksel geli tirme yöntemlerinde önemli zaman alan programlama hatalar n düzeltilmesi, programlama dilinin etkin kullan gibi konular için enerji harcamak zorunda kalmamakta ve tüm dikkatini yaz n i levselli ine ve performans özelliklerine yöneltebilmektedir VAPS Presagis firmas n bir ürünü olan VAPS, gömülü sistemlerde ve özellikle aviyonik projelerinde grafik tabanl insan makine arayüz uygulamas üretmek için yayg n olarak kullan lmakta olan bir geli tirme arac r. Temel grafik bile enler hiyerar ik yap da gruplanarak ekil 5 te bir örne i verilen karma k grafik nesneler üretilmekte ve bu sayede kullan arayüz ekranlar nda yer alan Attitude Direction Indicator, Kadran, Metin Kutusu gibi göstergeler yarat lmaktad r. ekil 5 - Örnek Gösterge VAPS tasar m arac ile görsel bir ortamda tasarlanan Dü me, Anahtar, Potansiyometre gibi girdi nesneleri Metin Alan, Yükseklik Göstergesi, Etiket, Kadran, ADI gibi ç kt nesnelerine veri besleyecek ekilde kurgulanmaktad r. Tasarlanan modellerin çal ma-zaman davran lar arac n simülasyon özelli i kullan larak girdi nesneleri arac yla geli tirme ortam nda gözlenmekte, beklenmeyen davran ve hatalar hedef ortam için kod üretmeye ihtiyaç kalmadan belirlenmektedir. Hedef ortamda hata ay klamak ile k yasland nda bu yakla m geli tirme ve hata düzeltme zaman ndan önemli ölçüde tasarruf edilmesini sa lamaktad r. VAPS ile yap lan tasar mlar araç ile entegre çal an kod üreticiler taraf ndan kaynak koda dönü türülmektedir. RTCA-DO178B uyumluluk ihtiyac olan yaz m bile enleri için Qualifiable Code Generator arac yla standard n ihtiyaçlar na uygun kod üretilmektedir. Kod üreticiler hedef ortam olan Integrity i letim sistemi ve geli tirme ortam olan Windows i letim sistemi için ve OpenGL, GDI, DirectX grafik kütüphaneleri üzerinde çal r kod üretebilmektedir. Ayn tasar mdan geli tirme ortam ve hedef ortam için çal abilir kod üretme özelli i ilk seviye yaz m entegrasyon aktivitelerinin geli tirme ortam nda yap lmas na olanak sa lamaktad r. 4.2 Program Metrikleri HA K0 konfigürasyonu kapsam nda geli tirilen uçu kritik HUY ve HAKY yaz m bile enlerindeki model tabanl geli tirme oranlar Tablo-1 de listelenmektedir.

6 Tablo 1 T HA Yaz m Büyüklükleri Bile en MTYG Oran (%) HUY 76,46 HAKY-GUI 93,21 HAKY-Kontrol 69,79 Toplam 83,42 Buna göre HUY yaz n %76,46 l k bölümü SCADE geli tirme arac kullan larak model tabanl olarak geli tirilen ve modellerden otomatik üretilen kaynak kodlardan olu maktad r. Benzer ekilde HAKY yaz n kullan arayüz bile enlerinin %93,21 lik bölümü VAPS geli tirme arac kullan larak ve kullan arayüz harici bile enlerin de %69,79 luk bölümü SCADE geli tirme arac kullan larak geli tirilmi tir. Tablo-2, aviyonik yaz m projelerindeki ortalama yaz m geli tirme üretkenli ine (Software Development Productivity) yönelik olarak NASA taraf ndan yay nlanm olan bir kaynakta yer alan de erleri ortaya koymaktad r [6]. Tablo 2 Aviyonik Yaz m Projeleri için Ortalama Üretkenlik De erleri [6] Yaz m Türü Ortalama Üretkenlik (SLOC/LM) Üretkenlik Aral (SLOC/LM) Uçu Yaz mlar Yer Yaz mlar HAKY ve HUY yaz m bile enlerinin geli tirilmesi için harcanan efor miktarlar göz önüne al nd nda model tabanl geli tirme uygulanan modüllerdeki üretkenli in Tablo-2 de yer alan sektör ortalamalar n oldukça üzerinde gerçekle ti i ölçülmektedir. Yaz m modüllerinin geli tirilmesindeki üretkenlik modülün karma kl, geli tiricilerin tecrübe seviyesi, gereksinimlerin olgunlu u gibi pek çok faktörden etkilenmekle birlikte tüm modüllerde gözlenen ortak art içerisinde model tabanl geli tirme yakla n çok önemli bir pay oldu u de erlendirilmektedir. tabanl yaz m geli tirme yakla mlar n kullan giderek yayg nla maktad r. Bu bildiride Özgün T HA Geli tirme Program kapsam nda uygulanan model tabanl yaz m geli tirme yakla ve kullan lan araçlar tan lm r. HA Program ndaki kullan m tecrübesi, geleneksel yöntemler ile k yasland nda model tabanl geli tirme yakla n üretilen yaz mlar n güvenilirli ine ve geli tirme ekiplerinin üretkenli ine önemli katk yapt göstermektedir. Yakla n bir di er önemli özelli inin de modellerin çal ma-zaman davran lar n görsel olarak izlenmesine olanak sa lamak oldu u ve bu özelli in karma k sistemlerin geli tirilmesini önemli ölçüde kolayla rd de erlendirilmektedir. 6. Kaynaklar [1] Schmidt, D.C. Model-Driven Engineering, IEEE Computing, February 2006 (Vol.39, No 2), pp [2] Selic, B The Pragmatics of Model-Driven Development. IEEE Softw. 20, 5 (Sep. 2003), [3] Stahl, T., Voelter, M., and Czarnecki, K Model-Driven Software Development: Technology, Engineering, Management. John Wiley & Sons, [4] Krasner, J., Model Driven Development of Certifiable Software: A Best Practice for Safety- Critical Applications. [5] Camus, J.L., Dion, B., Efficient Development of Airborne Software with SCADE Suit, 2003, WhitePapers/ [6] 2008 NASA Cost Estimating Handbook, Volume 3: Economic and Supporting Analysis, 5. Sonuç Yüksek yaz m güvenilirli inin olmazsa olmaz bir ko ul oldu u aviyonik yaz m sektöründe hem bu ihtiyaca kar k verebilmek hem de geli tirme süre ve maliyetlerini makul düzeylerde tutabilmek için model