ForSyDe-Atom: Design of Heterogeneous Embedded Systems : Taming Complexity with Layers, Atoms and Patterns

The design of embedded systems is inherently complex for two main reasons. Firstly, it entails the combined knowledge and results from a vast set of mature, well-established, yet separate disciplines, such as electrical engineering, computer science, mechanical engineering, etc. Secondly, it needs to account for the collective behavior of computing elements, infrastructure and physical environment. This behavior cannot be derived from the sum of its constituent components, rather it emerges from the manifold feedback interactions between them. One of the main tools that have enabled engineers to guide the development of systems with unprecedented complexity is abstraction, that is, capturing essential properties of phenomena into mathematical, well-behaved analyzable models. Yet combining models from different disciplines is largely limited due to the fact that these models, although well-acknowledged, are most often incompatible. In a system design process, this leads to the discovery and understanding of unwanted or hazardous behaviors during later stages such as prototyping or deployment phases, when design reiterations are extremely costly. This thesis introduces ForSyDe-Atom, a formal framework intended as an entry point for the disciplined design of embedded systems. This framework provides a set of rules for combining several domain specific languages as structured, enclosing layers in order to orthogonalize the many aspects of system behavior, yet study their interaction in tandem. It enables systematic exploitation of design properties in a system design flow by facilitating the step-wise projection of certain layers of interest, the isolated analysis and refinement on projections and the seamless reconstruction of a system model from (possibly refined) projections. As examples of languages hosted by this framework, five layers are presented: one for capturing timed interactions in heterogeneous systems, one for extending behaviors with controlled effects, one for structured parallelism, one for modeling uncertainty and one for describing component properties. The modeling capabilities are demonstrated through numerous didactic examples and four large case studies from the application domains of digital signal processing and avionics. A set of strategies for parallelizing timed simulation models, together with a preliminary component-based synthesis flow towards embedded platforms further highlight the potential of this framework as an entry point to system design. Design av inbyggda system är en komplex process av två skäl. För det första krävs det en kombination av kunskap och resultat från flera väletablerade discipliner. För det andra måste denna process ta ansvar för de ingående delarnas gemensamma beteende, deras infrastruktur samt fysiska miljö. Beteendet härrör inte från summan av beståndsdelarna, utan uppstår ur de talrika feedbackinteraktionerna mellan dem. Ett av de viktigaste verktygen som har gjort det möjligt att styra utvecklingen av komplexa system är abstraktion, dvs. att fånga fenomenens väsentliga egenskaper i analyserbara matematiska modeller. Kombinationen av modeller från separata väletablerade discipliner är dock starkt begränsad eftersom dessa modeller oftast är oförenliga, särskilt när det gäller inbyggda system. Oönskade eller farliga beteenden upptäcks sent i systemutvecklingsprocessen, under prototyp- eller distributionsfasen, när designändringar blir mycket kostsamma. Denna avhandling introducerar ForSyDe-Atom, ett formellt ramverk avsett som utgångspunkt för rigorös design av inbyggda system. Detta ramverk ger en uppsättning regler för att kombinera flera domänspecifika språk som strukturerade, täckande lager, vilka ortogonaliserar de många aspekterna av systembeteende, samtidigt som de gör det möjligt att studera deras interaktion i tandem. Det möjliggör ett systematiskt utnyttjande av designens egenskaper i ett systemdesignflöde, genom att underlätta den stegvisa projektionen av vissa intressanta lager, den isolerade analysen och förfiningen av projektioner samt den sammanhängande rekonstruktionen av en systemmodell från (möjligen förfinade) projektioner. Som exempel på språk som ryms i detta ramverk presenteras fem lager: ett för att fånga tidsinteraktioner i heterogena system, ett för att utvidga beteenden med kontrollerade effekter, ett för strukturerad parallellitet, ett för modelleringsosäkerhet och ett för att beskriva komponentegenskaper. Modelleringsfunktionerna demonstreras genom ett antal didaktiska exempel samt fyra stora fallstudier från applikationsområdena digital signalbehandling och avioniksystem. Potentialen som utgångspunkt för systemdesign framhävs genom en uppsättning strategier för parallellisering av tidsbestämda simuleringsmodeller och ett preliminärt komponentbaserat syntesflöde.QC 20211025