Este trabalho descreve o desenvolvimento de um ambiente integrado para modelagem, simulação e implementação de sistemas de tempo real distribuídos (STRD), especialmente aqueles voltados para automação industrial. O ambiente proposto faz use do paradigma de orientação a objetos, sendo baseado no ambiente SIMOO, desenvolvido no Âmbito de uma tese de doutorado no CPGCC. A motivação para a realizado deste trabalho surgiu através de alguns estudos de caso, que constataram que as ferramentas CASE existentes não incorporavam todas as propriedades desejadas em termos de suporte para modelagem e implementação dos STRD. Dentre estas propriedades, destacam-se a capacidade para especificação de restrições temporais, o suporte a simulação do modelo desenvolvido e a capacidade de geração automática de código para a aplicação final. O ambiente proposto tem por objetivo suprir as carências observadas, adicionando ao ambiente SIMOO original facilidades para a descrição de restrições temporais e facilidades para descried° de comportamento do modelo desenvolvido. Além disso, é incorporada ao ambiente a capacidade de geração automática de código em uma linguagem que suporte as restrições temporais descritas no modelo. Este trabalho foi desenvolvido no contexto do projeto ADOORATA (A Distributed Object-Oriented Architecture for Real-Time Automation), como parte do Programa de Cooperação entre Brasil e Alemanha, financiado pelas agencias CNPq e DLR. / This work describes the development of an integrated object-oriented environment for modeling, simulation and implementation of distributed real-time systems (DRTS), especially those conceived for industrial automation. This work extends the SIMOO environment, conceived as part of a Ph.D. thesis in the CPGCC at Federal University of Rio Grande do Sul. Its motivation began during some case studies, which concluded that existing CASE tools don't incorporate all the desired features for modeling and implementation of DRTS. Among these features, capacities to specify timing constraints, to simulate/animate the model and to automatically generate the final application code are highlighted. The proposed environment intends to overcome these lacks, adding to the original environment features for the specification of timing requirements and the application behavior, allowing the creation of an object-oriented simulation model. Additionally it automatically generates the application executable code, which makes use of the incorporated specifications to guarantee its correctness. This work has been developed within the context of the ADOORATA project (A Distributed Object-Oriented Architecture for Real-Time Automation), as part of the Brazilian-German Cooperation Program, sponsored by CNPq and DLR.

Sistemas de tempo-real embarcados distribuídos se caracterizam pela complexidade e especificidade de seus projetos. Tanto a complexidade quanto a especificidade apresentam forte influência dos diversos requisitos ligados às restrições advindas das três características que distinguem tais sistemas, i.e. presença de fortes restrições temporais, restrições de sistemas embarcados e distribuição de processamento. Estes requisitos, chamados de requisitos não-funcionais, afetam diversas partes do sistema de maneira não uniforme, tornando-se por esta razão difícil o seu gerenciamento. Metodologias orientadas a objetos não apresentam mecanismos específicos para tratar tais requisitos, o que implica na aplicação de um significativo esforço ao se realizar o reuso ou a manutenção de componentes afetados por requisitos de natureza nãofuncional. Novas tecnologias têm surgido com o objetivo de contornar este problema, notadamente a orientação a aspectos. Este paradigma propõe a separação no tratamento dos requisitos não-funcionais contribuindo com a modularização do sistema. Esta dissertação propõe a aplicação de orientação a aspectos para a especificação de sistemas tempo-real embarcados distribuídos. Para isto realizou-se a adaptação de uma metodologia de desenvolvimento de sistemas orientada a aspectos, a FRIDA (From RequIrements to Design using Aspects), contextualizando-a para o domínio de interesse. A utilização desta metodologia provê suporte ao mapeamento de requisitos em elementos de projeto de modo a promover a rastreabilidade entre as fases de análise e projeto. Na fase de projeto é proposta a utilização de aspectos em conjunto com elementos do perfil RT-UML para o tratamento dos requisitos identificados e especificados na fase de análise. / Distributed real-time embedded systems generally have complex and very specific projects. Those characteristics are influenced by several requirements that have relation with constraints about the time, embedded and distribution restrictions. Those requirements, called non-functional requirements, can affect the whole system in a nonuniform way, what makes it difficult to handle with this kind of requirement. Objectoriented methodologies do not present specific mechanisms to handle those requirements, what imply in a significant effort to perform reuse and maintainability tasks in those components affected by non-functional requirements. New technologies are emerging to fulfill this gap, noteworthy the aspect orientation. This paradigm proposes the separation in handling functional and non-functional requirements, giving a contribution to the system modularity. This dissertation proposes the use of aspect orientation to specify distributed realtime embedded systems. To support this proposal, it was performed an adaptation of an aspect-oriented method called FRIDA (From RequIrements to Design using Aspects). The use of this method supports the mapping of requirements in design model elements, in order to promote traceability between analysis and design phases. The presented approach proposes the use of RT-UML together with aspect oriented elements in design phase aiming to improve the handling of those requirements specified in the analysis phase.

Atualmente, o projeto de sistemas tempo-real embarcados e distribuídos está crescendo em complexidade devido à sua natureza heterogênea e ao crescente número e diversidade de funções que um único sistema desempenha. Sistemas de automação industrial, sistemas eletrônicos em automóveis e veículos aéreos, equipamentos médicos, entre outros, são exemplos de tais sistemas. Tais sistemas são compostos por componentes distintos (blocos de hardware e software), os quais geralmente são projetados concorrentemente utilizando modelos, ferramentas e linguagens de especificação e implementação diferentes. Além disso, estes sistemas tem requisitos específicos e importantes, os quais não representam (por si só) as funcionalidades esperadas do sistema, mas podem afetar a forma como o sistema executa suas funcionalidades e são muito importantes para a realização do projeto com sucesso. Os chamados requisitos não-funcionais são difíceis de tratar durante todo o ciclo de projeto porque normalmente um único requisito não-funcional afeta vários componentes diferentes. A presente tese de doutorado propõe a integração automatizada das fases de projeto de sistemas tempo-real embarcados e distribuídos focando em aplicações na área da automação. A abordagem proposta usa técnicas de engenharia guiada por modelos (do inglês Model Driven Engineering ou MDE) e projeto orientado a aspectos (do inglês Aspect-Oriented Design ou AOD) juntamente com o uso de plataformas previamente desenvolvidas (ou desenvolvida por terceiros) para projetar os componentes de sistemas tempo-real embarcados e distribuídos. Adicionalmente, os conceitos de AOD permitem a separação no tratamento dos requisitos de naturezas diferentes (i.e. requisitos funcionais e não-funcionais), melhorando a modularização dos artefatos produzidos (e.g. modelos de especificação, código fonte, etc.). Além disso, esta tese propõe uma ferramenta de geração de código, que suporta a transição automática das fases iniciais de especificação para as fases seguintes de implementação. Esta ferramenta usa um conjunto de regras de mapeamento, que descrevem como elementos nos níveis mais altos de abstração são mapeados (ou transformados) em elementos dos níveis mais baixos de abstração. Em outras palavras, tais regras de mapeamento permitem a transformação automática da especificação inicial, as quais estão mais próximo do domínio da aplicação, em código fonte para os componentes de hardware e software, os quais podem ser compilados e sintetizados por outras ferramentas para se obter a realização/implementação do sistema tempo-real embarcado e distribuído. / Currently, the design of distributed embedded real-time systems is growing in complexity due to the increasing amount of distinct functionalities that a single system must perform, and also to concerns related to designing different kinds of components. Industrial automation systems, embedded electronics systems in automobiles or aerial vehicles, medical equipments and others are examples of such systems, which includes distinct components (e.g. hardware and software ones) that are usually designed concurrently using distinct models, tools, specification, and implementation languages. Moreover, these systems have domain specific and important requirements, which do not represent by themselves the expected functionalities, but can affect both the way that the system performs its functionalities as well as the overall design success. The so-called nonfunctional requirements are difficult to deal with during the whole design because usually a single non-functional requirement affects several distinct components. This thesis proposes an automated integration of distributed embedded real-time systems design phases focusing on automation systems. The proposed approach uses Model- Driven Engineering (MDE) techniques together with Aspect-Oriented Design (AOD) and previously developed (or third party) hardware and software platforms to design the components of distributed embedded real-time systems. Additionally, AOD concepts allow a separate handling of requirement with distinct natures (i.e. functional and non-functional requirements), improving the produced artifacts modularization (e.g. specification model, source code, etc.). In addition, this thesis proposes a code generation tool, which supports an automatic transition from the initial specification phases to the following implementation phases. This tool uses a set of mapping rules, describing how elements at higher abstraction levels are mapped (or transformed) into lower abstraction level elements. In other words, suchmapping rules allow an automatic transformation of the initial specification, which is closer to the application domain, in source code for software and hardware components that can be compiled or synthesized by other tools, obtaining the realization/ implementation of the distributed embedded real-time system.

Esta dissertação aborda um ramo da computação que se encontra em crescente desenvolvimento: a computação em tempo real. Os sistemas de computação tempo real surgiram a partir da necessidade de substituição do controle humano, que muitas vezes é falho, em situações complexas ou críticas, onde máxima confiabilidade e disponibilidade são exigidas para garantir a segurança do sistema. A área de aplicação diferencia-se de outras convencionais por possuir diferentes tipos de restrições de tempo e operar em ambientes não-determinísticos. Entretanto, atualmente tais sistemas estão tornando-se grandes, complexos, distribuídos, adaptativos e cada vez mais presentes nas aplicações do dia-a-dia,o que tende a exigir soluções mais simples e generalizadas. Pelo fato de tais sistemas normalmente atuarem sobre aplicações críticas, importante salientar que, em algumas situações, pequenos erros no sistema podem levar a grandes catástrofes. Mesmo atrasos mínimos no tempo de resposta são problemáticos, podendo ocasionar degradações ou ações erradas no mundo físico controlado pelo sistema tempo real. Como nestes casos máxima confiabilidade e disponibilidade são exigidas para garantir a sua segurança, tornou-se importante a construção de sistemas tempo real tolerantes a falhas. Dessa forma, é visivelmente crescente a necessidade de utilização de mecanismos capazes de abordar os requisitos de tempo real e tolerância a falhas de forma integrada durante o desenvolvimento do sistema. Assim, o processo de desenvolvimento de sistemas tempo real confiáveis torna-se mais simples e mais eficiente. A necessidade de maior conhecimento do uso de tolerância a falhas para obter segurança no funcionamento de aplicações tempo real levou ao desenvolvimento deste trabalho, onde buscou-se um caminho de solução para a adequação das técnicas de tolerância a falhas a estas aplicações. Sabe-se que para produzir software confiável e, desta forma de maior qualidade, além do emprego de boas técnicas de engenharia de software, é necessário compreender os principais conceitos e técnicas de tolerância a falhas. Por outro lado, é importante ter-se conhecimento dos mecanismos oferecidos pelas diversas camadas de software de um sistema - protocolo de comunicação, sistema operacional e linguagem de programação - para apoiar estas atividades de tolerância a falhas. Este trabalho busca analisar os mecanismos e técnicas usados na implementação de software tolerante a falhas frente às situações mencionadas, uma vez que nem todas as técnicas conhecidas podem ser indistintamente aplicáveis a estas situações. Os resultados desta análise são organizados na forma de uma taxonomia, visando assim auxiliar projetistas de desenvolvimento de software a tomarem decisões importantes na construção de sistemas tempo real tolerantes a falhas. Os mecanismos são agrupados de acordo com o nível de implementação: sistemas operacionais, linguagens de programação e protocolos de comunicação, destacando suas características e aplicabilidade. Por fim uso da classificação é demonstrado com a análise de três casos-exemplo. / This dissertation is about a, computer science field which is in growing development, that is, real-time computation. Real-time computing systems have emerged from the necessity of substituting. human control which is sometimes failed in complex or critical situations. In these ones maximum availability and reliability are requested in order to guarantee the system dependability. The application area differs from the conventional ones because it has particular time constraints and operates in nondeterministic environments. Nevertheless, nowadays such systems are becoming large, complex, distributed and adaptive but tend to demand simpler and generalized solutions as they are more present in daily applications. Since such systems normally act on critical applications it is important to reinforce, that in some situations, subtle systems errors may generate big catastrophes. Even slight delays in response time are troublesome and they may cause degradation or wrong acts in physical world controlled by real-time systems. In these cases maximum reliability and availability are requested in order to guarantee system dependability. Thereby, the requirement of including mechanisms capable of achieving real-time and fault tolerance in an integrated way during the system design has been increased. Thus, the developing process of reliable real-time systems becomes simpler and more effective. The necessity of improving designers knowledge on using fault tolerance in order to obtain dependability on real-time applications has motivated this study. Our main goal has been to find an adequate way of using fault tolerance techniques to these applications. It is known that the development of reliable software not only requires appropriate software engineering techniques but also demands understanding of main politics and mechanisms used to implement fault tolerance techniques in these situations. Otherwise, it is very important to know the related support that is offered by the different software levels of a system - communication protocol, operating system and programming language. This study has as purpose analyzing the mechanisms and techniques used in implementation of fault-tolerant software applied to the previously mentioned situations. The basic supposition is that not all the known techniques may be applied indistinctly to these situations. The properties of the software are organized according to a taxonomy, where the mechanisms are bracketed in groups according to implementation level: operating systems, programming languages and communication protocols. In this presentation, the characteristics and applicability of the software tools are stood out in order to help developing-software designers to decide what is important to build faulttolerant software. Finally, the use of the classification is demonstrated by analyzing three case-examples.

Atualmente, o projeto de sistemas tempo-real embarcados e distribuídos está crescendo em complexidade devido à sua natureza heterogênea e ao crescente número e diversidade de funções que um único sistema desempenha. Sistemas de automação industrial, sistemas eletrônicos em automóveis e veículos aéreos, equipamentos médicos, entre outros, são exemplos de tais sistemas. Tais sistemas são compostos por componentes distintos (blocos de hardware e software), os quais geralmente são projetados concorrentemente utilizando modelos, ferramentas e linguagens de especificação e implementação diferentes. Além disso, estes sistemas tem requisitos específicos e importantes, os quais não representam (por si só) as funcionalidades esperadas do sistema, mas podem afetar a forma como o sistema executa suas funcionalidades e são muito importantes para a realização do projeto com sucesso. Os chamados requisitos não-funcionais são difíceis de tratar durante todo o ciclo de projeto porque normalmente um único requisito não-funcional afeta vários componentes diferentes. A presente tese de doutorado propõe a integração automatizada das fases de projeto de sistemas tempo-real embarcados e distribuídos focando em aplicações na área da automação. A abordagem proposta usa técnicas de engenharia guiada por modelos (do inglês Model Driven Engineering ou MDE) e projeto orientado a aspectos (do inglês Aspect-Oriented Design ou AOD) juntamente com o uso de plataformas previamente desenvolvidas (ou desenvolvida por terceiros) para projetar os componentes de sistemas tempo-real embarcados e distribuídos. Adicionalmente, os conceitos de AOD permitem a separação no tratamento dos requisitos de naturezas diferentes (i.e. requisitos funcionais e não-funcionais), melhorando a modularização dos artefatos produzidos (e.g. modelos de especificação, código fonte, etc.). Além disso, esta tese propõe uma ferramenta de geração de código, que suporta a transição automática das fases iniciais de especificação para as fases seguintes de implementação. Esta ferramenta usa um conjunto de regras de mapeamento, que descrevem como elementos nos níveis mais altos de abstração são mapeados (ou transformados) em elementos dos níveis mais baixos de abstração. Em outras palavras, tais regras de mapeamento permitem a transformação automática da especificação inicial, as quais estão mais próximo do domínio da aplicação, em código fonte para os componentes de hardware e software, os quais podem ser compilados e sintetizados por outras ferramentas para se obter a realização/implementação do sistema tempo-real embarcado e distribuído. / Currently, the design of distributed embedded real-time systems is growing in complexity due to the increasing amount of distinct functionalities that a single system must perform, and also to concerns related to designing different kinds of components. Industrial automation systems, embedded electronics systems in automobiles or aerial vehicles, medical equipments and others are examples of such systems, which includes distinct components (e.g. hardware and software ones) that are usually designed concurrently using distinct models, tools, specification, and implementation languages. Moreover, these systems have domain specific and important requirements, which do not represent by themselves the expected functionalities, but can affect both the way that the system performs its functionalities as well as the overall design success. The so-called nonfunctional requirements are difficult to deal with during the whole design because usually a single non-functional requirement affects several distinct components. This thesis proposes an automated integration of distributed embedded real-time systems design phases focusing on automation systems. The proposed approach uses Model- Driven Engineering (MDE) techniques together with Aspect-Oriented Design (AOD) and previously developed (or third party) hardware and software platforms to design the components of distributed embedded real-time systems. Additionally, AOD concepts allow a separate handling of requirement with distinct natures (i.e. functional and non-functional requirements), improving the produced artifacts modularization (e.g. specification model, source code, etc.). In addition, this thesis proposes a code generation tool, which supports an automatic transition from the initial specification phases to the following implementation phases. This tool uses a set of mapping rules, describing how elements at higher abstraction levels are mapped (or transformed) into lower abstraction level elements. In other words, suchmapping rules allow an automatic transformation of the initial specification, which is closer to the application domain, in source code for software and hardware components that can be compiled or synthesized by other tools, obtaining the realization/ implementation of the distributed embedded real-time system.

Esta dissertação aborda um ramo da computação que se encontra em crescente desenvolvimento: a computação em tempo real. Os sistemas de computação tempo real surgiram a partir da necessidade de substituição do controle humano, que muitas vezes é falho, em situações complexas ou críticas, onde máxima confiabilidade e disponibilidade são exigidas para garantir a segurança do sistema. A área de aplicação diferencia-se de outras convencionais por possuir diferentes tipos de restrições de tempo e operar em ambientes não-determinísticos. Entretanto, atualmente tais sistemas estão tornando-se grandes, complexos, distribuídos, adaptativos e cada vez mais presentes nas aplicações do dia-a-dia,o que tende a exigir soluções mais simples e generalizadas. Pelo fato de tais sistemas normalmente atuarem sobre aplicações críticas, importante salientar que, em algumas situações, pequenos erros no sistema podem levar a grandes catástrofes. Mesmo atrasos mínimos no tempo de resposta são problemáticos, podendo ocasionar degradações ou ações erradas no mundo físico controlado pelo sistema tempo real. Como nestes casos máxima confiabilidade e disponibilidade são exigidas para garantir a sua segurança, tornou-se importante a construção de sistemas tempo real tolerantes a falhas. Dessa forma, é visivelmente crescente a necessidade de utilização de mecanismos capazes de abordar os requisitos de tempo real e tolerância a falhas de forma integrada durante o desenvolvimento do sistema. Assim, o processo de desenvolvimento de sistemas tempo real confiáveis torna-se mais simples e mais eficiente. A necessidade de maior conhecimento do uso de tolerância a falhas para obter segurança no funcionamento de aplicações tempo real levou ao desenvolvimento deste trabalho, onde buscou-se um caminho de solução para a adequação das técnicas de tolerância a falhas a estas aplicações. Sabe-se que para produzir software confiável e, desta forma de maior qualidade, além do emprego de boas técnicas de engenharia de software, é necessário compreender os principais conceitos e técnicas de tolerância a falhas. Por outro lado, é importante ter-se conhecimento dos mecanismos oferecidos pelas diversas camadas de software de um sistema - protocolo de comunicação, sistema operacional e linguagem de programação - para apoiar estas atividades de tolerância a falhas. Este trabalho busca analisar os mecanismos e técnicas usados na implementação de software tolerante a falhas frente às situações mencionadas, uma vez que nem todas as técnicas conhecidas podem ser indistintamente aplicáveis a estas situações. Os resultados desta análise são organizados na forma de uma taxonomia, visando assim auxiliar projetistas de desenvolvimento de software a tomarem decisões importantes na construção de sistemas tempo real tolerantes a falhas. Os mecanismos são agrupados de acordo com o nível de implementação: sistemas operacionais, linguagens de programação e protocolos de comunicação, destacando suas características e aplicabilidade. Por fim uso da classificação é demonstrado com a análise de três casos-exemplo. / This dissertation is about a, computer science field which is in growing development, that is, real-time computation. Real-time computing systems have emerged from the necessity of substituting. human control which is sometimes failed in complex or critical situations. In these ones maximum availability and reliability are requested in order to guarantee the system dependability. The application area differs from the conventional ones because it has particular time constraints and operates in nondeterministic environments. Nevertheless, nowadays such systems are becoming large, complex, distributed and adaptive but tend to demand simpler and generalized solutions as they are more present in daily applications. Since such systems normally act on critical applications it is important to reinforce, that in some situations, subtle systems errors may generate big catastrophes. Even slight delays in response time are troublesome and they may cause degradation or wrong acts in physical world controlled by real-time systems. In these cases maximum reliability and availability are requested in order to guarantee system dependability. Thereby, the requirement of including mechanisms capable of achieving real-time and fault tolerance in an integrated way during the system design has been increased. Thus, the developing process of reliable real-time systems becomes simpler and more effective. The necessity of improving designers knowledge on using fault tolerance in order to obtain dependability on real-time applications has motivated this study. Our main goal has been to find an adequate way of using fault tolerance techniques to these applications. It is known that the development of reliable software not only requires appropriate software engineering techniques but also demands understanding of main politics and mechanisms used to implement fault tolerance techniques in these situations. Otherwise, it is very important to know the related support that is offered by the different software levels of a system - communication protocol, operating system and programming language. This study has as purpose analyzing the mechanisms and techniques used in implementation of fault-tolerant software applied to the previously mentioned situations. The basic supposition is that not all the known techniques may be applied indistinctly to these situations. The properties of the software are organized according to a taxonomy, where the mechanisms are bracketed in groups according to implementation level: operating systems, programming languages and communication protocols. In this presentation, the characteristics and applicability of the software tools are stood out in order to help developing-software designers to decide what is important to build faulttolerant software. Finally, the use of the classification is demonstrated by analyzing three case-examples.

Sistemas de tempo-real embarcados distribuídos se caracterizam pela complexidade e especificidade de seus projetos. Tanto a complexidade quanto a especificidade apresentam forte influência dos diversos requisitos ligados às restrições advindas das três características que distinguem tais sistemas, i.e. presença de fortes restrições temporais, restrições de sistemas embarcados e distribuição de processamento. Estes requisitos, chamados de requisitos não-funcionais, afetam diversas partes do sistema de maneira não uniforme, tornando-se por esta razão difícil o seu gerenciamento. Metodologias orientadas a objetos não apresentam mecanismos específicos para tratar tais requisitos, o que implica na aplicação de um significativo esforço ao se realizar o reuso ou a manutenção de componentes afetados por requisitos de natureza nãofuncional. Novas tecnologias têm surgido com o objetivo de contornar este problema, notadamente a orientação a aspectos. Este paradigma propõe a separação no tratamento dos requisitos não-funcionais contribuindo com a modularização do sistema. Esta dissertação propõe a aplicação de orientação a aspectos para a especificação de sistemas tempo-real embarcados distribuídos. Para isto realizou-se a adaptação de uma metodologia de desenvolvimento de sistemas orientada a aspectos, a FRIDA (From RequIrements to Design using Aspects), contextualizando-a para o domínio de interesse. A utilização desta metodologia provê suporte ao mapeamento de requisitos em elementos de projeto de modo a promover a rastreabilidade entre as fases de análise e projeto. Na fase de projeto é proposta a utilização de aspectos em conjunto com elementos do perfil RT-UML para o tratamento dos requisitos identificados e especificados na fase de análise. / Distributed real-time embedded systems generally have complex and very specific projects. Those characteristics are influenced by several requirements that have relation with constraints about the time, embedded and distribution restrictions. Those requirements, called non-functional requirements, can affect the whole system in a nonuniform way, what makes it difficult to handle with this kind of requirement. Objectoriented methodologies do not present specific mechanisms to handle those requirements, what imply in a significant effort to perform reuse and maintainability tasks in those components affected by non-functional requirements. New technologies are emerging to fulfill this gap, noteworthy the aspect orientation. This paradigm proposes the separation in handling functional and non-functional requirements, giving a contribution to the system modularity. This dissertation proposes the use of aspect orientation to specify distributed realtime embedded systems. To support this proposal, it was performed an adaptation of an aspect-oriented method called FRIDA (From RequIrements to Design using Aspects). The use of this method supports the mapping of requirements in design model elements, in order to promote traceability between analysis and design phases. The presented approach proposes the use of RT-UML together with aspect oriented elements in design phase aiming to improve the handling of those requirements specified in the analysis phase.

Sistemas de tempo-real embarcados distribuídos se caracterizam pela complexidade e especificidade de seus projetos. Tanto a complexidade quanto a especificidade apresentam forte influência dos diversos requisitos ligados às restrições advindas das três características que distinguem tais sistemas, i.e. presença de fortes restrições temporais, restrições de sistemas embarcados e distribuição de processamento. Estes requisitos, chamados de requisitos não-funcionais, afetam diversas partes do sistema de maneira não uniforme, tornando-se por esta razão difícil o seu gerenciamento. Metodologias orientadas a objetos não apresentam mecanismos específicos para tratar tais requisitos, o que implica na aplicação de um significativo esforço ao se realizar o reuso ou a manutenção de componentes afetados por requisitos de natureza nãofuncional. Novas tecnologias têm surgido com o objetivo de contornar este problema, notadamente a orientação a aspectos. Este paradigma propõe a separação no tratamento dos requisitos não-funcionais contribuindo com a modularização do sistema. Esta dissertação propõe a aplicação de orientação a aspectos para a especificação de sistemas tempo-real embarcados distribuídos. Para isto realizou-se a adaptação de uma metodologia de desenvolvimento de sistemas orientada a aspectos, a FRIDA (From RequIrements to Design using Aspects), contextualizando-a para o domínio de interesse. A utilização desta metodologia provê suporte ao mapeamento de requisitos em elementos de projeto de modo a promover a rastreabilidade entre as fases de análise e projeto. Na fase de projeto é proposta a utilização de aspectos em conjunto com elementos do perfil RT-UML para o tratamento dos requisitos identificados e especificados na fase de análise. / Distributed real-time embedded systems generally have complex and very specific projects. Those characteristics are influenced by several requirements that have relation with constraints about the time, embedded and distribution restrictions. Those requirements, called non-functional requirements, can affect the whole system in a nonuniform way, what makes it difficult to handle with this kind of requirement. Objectoriented methodologies do not present specific mechanisms to handle those requirements, what imply in a significant effort to perform reuse and maintainability tasks in those components affected by non-functional requirements. New technologies are emerging to fulfill this gap, noteworthy the aspect orientation. This paradigm proposes the separation in handling functional and non-functional requirements, giving a contribution to the system modularity. This dissertation proposes the use of aspect orientation to specify distributed realtime embedded systems. To support this proposal, it was performed an adaptation of an aspect-oriented method called FRIDA (From RequIrements to Design using Aspects). The use of this method supports the mapping of requirements in design model elements, in order to promote traceability between analysis and design phases. The presented approach proposes the use of RT-UML together with aspect oriented elements in design phase aiming to improve the handling of those requirements specified in the analysis phase.

Atualmente, o projeto de sistemas tempo-real embarcados e distribuídos está crescendo em complexidade devido à sua natureza heterogênea e ao crescente número e diversidade de funções que um único sistema desempenha. Sistemas de automação industrial, sistemas eletrônicos em automóveis e veículos aéreos, equipamentos médicos, entre outros, são exemplos de tais sistemas. Tais sistemas são compostos por componentes distintos (blocos de hardware e software), os quais geralmente são projetados concorrentemente utilizando modelos, ferramentas e linguagens de especificação e implementação diferentes. Além disso, estes sistemas tem requisitos específicos e importantes, os quais não representam (por si só) as funcionalidades esperadas do sistema, mas podem afetar a forma como o sistema executa suas funcionalidades e são muito importantes para a realização do projeto com sucesso. Os chamados requisitos não-funcionais são difíceis de tratar durante todo o ciclo de projeto porque normalmente um único requisito não-funcional afeta vários componentes diferentes. A presente tese de doutorado propõe a integração automatizada das fases de projeto de sistemas tempo-real embarcados e distribuídos focando em aplicações na área da automação. A abordagem proposta usa técnicas de engenharia guiada por modelos (do inglês Model Driven Engineering ou MDE) e projeto orientado a aspectos (do inglês Aspect-Oriented Design ou AOD) juntamente com o uso de plataformas previamente desenvolvidas (ou desenvolvida por terceiros) para projetar os componentes de sistemas tempo-real embarcados e distribuídos. Adicionalmente, os conceitos de AOD permitem a separação no tratamento dos requisitos de naturezas diferentes (i.e. requisitos funcionais e não-funcionais), melhorando a modularização dos artefatos produzidos (e.g. modelos de especificação, código fonte, etc.). Além disso, esta tese propõe uma ferramenta de geração de código, que suporta a transição automática das fases iniciais de especificação para as fases seguintes de implementação. Esta ferramenta usa um conjunto de regras de mapeamento, que descrevem como elementos nos níveis mais altos de abstração são mapeados (ou transformados) em elementos dos níveis mais baixos de abstração. Em outras palavras, tais regras de mapeamento permitem a transformação automática da especificação inicial, as quais estão mais próximo do domínio da aplicação, em código fonte para os componentes de hardware e software, os quais podem ser compilados e sintetizados por outras ferramentas para se obter a realização/implementação do sistema tempo-real embarcado e distribuído. / Currently, the design of distributed embedded real-time systems is growing in complexity due to the increasing amount of distinct functionalities that a single system must perform, and also to concerns related to designing different kinds of components. Industrial automation systems, embedded electronics systems in automobiles or aerial vehicles, medical equipments and others are examples of such systems, which includes distinct components (e.g. hardware and software ones) that are usually designed concurrently using distinct models, tools, specification, and implementation languages. Moreover, these systems have domain specific and important requirements, which do not represent by themselves the expected functionalities, but can affect both the way that the system performs its functionalities as well as the overall design success. The so-called nonfunctional requirements are difficult to deal with during the whole design because usually a single non-functional requirement affects several distinct components. This thesis proposes an automated integration of distributed embedded real-time systems design phases focusing on automation systems. The proposed approach uses Model- Driven Engineering (MDE) techniques together with Aspect-Oriented Design (AOD) and previously developed (or third party) hardware and software platforms to design the components of distributed embedded real-time systems. Additionally, AOD concepts allow a separate handling of requirement with distinct natures (i.e. functional and non-functional requirements), improving the produced artifacts modularization (e.g. specification model, source code, etc.). In addition, this thesis proposes a code generation tool, which supports an automatic transition from the initial specification phases to the following implementation phases. This tool uses a set of mapping rules, describing how elements at higher abstraction levels are mapped (or transformed) into lower abstraction level elements. In other words, suchmapping rules allow an automatic transformation of the initial specification, which is closer to the application domain, in source code for software and hardware components that can be compiled or synthesized by other tools, obtaining the realization/ implementation of the distributed embedded real-time system.

Esta dissertação aborda um ramo da computação que se encontra em crescente desenvolvimento: a computação em tempo real. Os sistemas de computação tempo real surgiram a partir da necessidade de substituição do controle humano, que muitas vezes é falho, em situações complexas ou críticas, onde máxima confiabilidade e disponibilidade são exigidas para garantir a segurança do sistema. A área de aplicação diferencia-se de outras convencionais por possuir diferentes tipos de restrições de tempo e operar em ambientes não-determinísticos. Entretanto, atualmente tais sistemas estão tornando-se grandes, complexos, distribuídos, adaptativos e cada vez mais presentes nas aplicações do dia-a-dia,o que tende a exigir soluções mais simples e generalizadas. Pelo fato de tais sistemas normalmente atuarem sobre aplicações críticas, importante salientar que, em algumas situações, pequenos erros no sistema podem levar a grandes catástrofes. Mesmo atrasos mínimos no tempo de resposta são problemáticos, podendo ocasionar degradações ou ações erradas no mundo físico controlado pelo sistema tempo real. Como nestes casos máxima confiabilidade e disponibilidade são exigidas para garantir a sua segurança, tornou-se importante a construção de sistemas tempo real tolerantes a falhas. Dessa forma, é visivelmente crescente a necessidade de utilização de mecanismos capazes de abordar os requisitos de tempo real e tolerância a falhas de forma integrada durante o desenvolvimento do sistema. Assim, o processo de desenvolvimento de sistemas tempo real confiáveis torna-se mais simples e mais eficiente. A necessidade de maior conhecimento do uso de tolerância a falhas para obter segurança no funcionamento de aplicações tempo real levou ao desenvolvimento deste trabalho, onde buscou-se um caminho de solução para a adequação das técnicas de tolerância a falhas a estas aplicações. Sabe-se que para produzir software confiável e, desta forma de maior qualidade, além do emprego de boas técnicas de engenharia de software, é necessário compreender os principais conceitos e técnicas de tolerância a falhas. Por outro lado, é importante ter-se conhecimento dos mecanismos oferecidos pelas diversas camadas de software de um sistema - protocolo de comunicação, sistema operacional e linguagem de programação - para apoiar estas atividades de tolerância a falhas. Este trabalho busca analisar os mecanismos e técnicas usados na implementação de software tolerante a falhas frente às situações mencionadas, uma vez que nem todas as técnicas conhecidas podem ser indistintamente aplicáveis a estas situações. Os resultados desta análise são organizados na forma de uma taxonomia, visando assim auxiliar projetistas de desenvolvimento de software a tomarem decisões importantes na construção de sistemas tempo real tolerantes a falhas. Os mecanismos são agrupados de acordo com o nível de implementação: sistemas operacionais, linguagens de programação e protocolos de comunicação, destacando suas características e aplicabilidade. Por fim uso da classificação é demonstrado com a análise de três casos-exemplo. / This dissertation is about a, computer science field which is in growing development, that is, real-time computation. Real-time computing systems have emerged from the necessity of substituting. human control which is sometimes failed in complex or critical situations. In these ones maximum availability and reliability are requested in order to guarantee the system dependability. The application area differs from the conventional ones because it has particular time constraints and operates in nondeterministic environments. Nevertheless, nowadays such systems are becoming large, complex, distributed and adaptive but tend to demand simpler and generalized solutions as they are more present in daily applications. Since such systems normally act on critical applications it is important to reinforce, that in some situations, subtle systems errors may generate big catastrophes. Even slight delays in response time are troublesome and they may cause degradation or wrong acts in physical world controlled by real-time systems. In these cases maximum reliability and availability are requested in order to guarantee system dependability. Thereby, the requirement of including mechanisms capable of achieving real-time and fault tolerance in an integrated way during the system design has been increased. Thus, the developing process of reliable real-time systems becomes simpler and more effective. The necessity of improving designers knowledge on using fault tolerance in order to obtain dependability on real-time applications has motivated this study. Our main goal has been to find an adequate way of using fault tolerance techniques to these applications. It is known that the development of reliable software not only requires appropriate software engineering techniques but also demands understanding of main politics and mechanisms used to implement fault tolerance techniques in these situations. Otherwise, it is very important to know the related support that is offered by the different software levels of a system - communication protocol, operating system and programming language. This study has as purpose analyzing the mechanisms and techniques used in implementation of fault-tolerant software applied to the previously mentioned situations. The basic supposition is that not all the known techniques may be applied indistinctly to these situations. The properties of the software are organized according to a taxonomy, where the mechanisms are bracketed in groups according to implementation level: operating systems, programming languages and communication protocols. In this presentation, the characteristics and applicability of the software tools are stood out in order to help developing-software designers to decide what is important to build faulttolerant software. Finally, the use of the classification is demonstrated by analyzing three case-examples.