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.

Uma das questões mais importantes nas linguagens e arcabouços orientados a aspectos atuais é a expressividade da linguagem ou mecanismo de definição de pointcuts. A expressividade de uma linguagem de pointcuts impacta diretamente a qualidade dos pointcuts, uma propriedade que pode ser decisiva para a eficácia das implementações de aspectos. Neste trabalho, propomos os seletores de pontos de junção como um mecanismo de extensão simples para enriquecer linguagens de pointcut atuais com elementos que fazem o papel de \"novos pointcuts primitivos\". Os seletores de pontos de junção permitem a criação de pointcuts com maior valor semântico. Apesar de existirem mecanismos similares em algumas abordagens existentes, o conceito subjacente não foi claramente definido ou completamente explorado. Apresentamos também uma arquitetura simples para a adição de seletores de pontos de junção a um arcabouço orientado a aspectos existente, e mostramos exemplos do uso de seletores para melhorar a qualidade de pointcuts e facilitar o desenvolvimento de aspectos. / One of the main issues in modern aspect-oriented programming languages and frameworks is the expressiveness of the pointcut language or mechanism. The expressiveness of pointcut languages directly impacts pointcut quality, a property that can be decisive for the effectiveness of aspect implementations. In this work we propose join point selectors as a simple extension mechanism for enriching current pointcut languages with constructs that play the role of \"new primitive pointcuts\". Join point selectors allow the creation of pointcuts with greater semantic value. Although similar mechanisms can be found in some existing approaches, the underlying concept has not yet been clearly defined nor fully explored. We also present a simple architecture for adding join point selectors to an existing aspect-oriented framework, and show examples of usage of join point selectors to enhance the quality of pointcuts and make aspect development easier.

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.

Esse trabalho define K-Aspects (Knowledge Aspects), uma abordagem para a implementação de Sistemas de Conhecimento (SC) em linguagens orientadas a objetos usando o paradigma orientado a aspectos (OA) e anotações de metadados. Essa abordagem define uma forte correspondência entre o Modelo de Conhecimento (MC) e sua implementação no paradigma da orientação a objetos (OO). K-Aspects fornece um conjunto de anotações documentacionais para facilitar a leitura da associação entre o modelo de implementação e o modelo conceitual do conhecimento; um conjunto de anotações para facilitar a separação de interesses na implementação do SC usando OA; um conjunto de bibliotecas para realizar a interpretação das anotações e sua execução em aspectos; e uma ferramenta para geração de documentação do MC a partir das anotações no código. A abordagem busca atender tanto os engenheiros de conhecimento quanto os engenheiros de desenvolvimento em projetos de SC. Os engenheiros de conhecimento tem ao seu alcance um modo adequado para elaborar a especificação do MC que resulta em uma especificação em uma linguagem orientada a objetos, permitindo aos engenheiros de desenvolvimento implementarem o sistema preservando a estrutura do modelo conceitual e mantendo clara distinção entre os requisitos associados ao MC dos demais requisitos. K-Annotations adicionam recursos de OA ao modelo conceitual do conhecimento OO, oferecendo facilidades de tratamento separado de diversas funcionalidades transversais de um SC, através do particionamento do sistema em aspectos que implementam funcionalidades específicas, ativadas através das anotações inseridas no componente do modelo conceitual. Anotações distinguem, clara e visualmente, no código, os elementos do MC em relação ao restante do código do programa, facilitando a leitura do código pelos engenheiros de conhecimento. A função principal das anotações é prover as informações necessárias para a interpretação dos elementos de conhecimento durante a execução do programa. Anotações identificam as funcionalidades transversais relativas aos construtos do modelo e são gerenciadas pela biblioteca de aspectos. A abordagem foi validada re-escrevendo com o uso de K-Annotations um sistema de conhecimento no domínio da análise da qualidade de reservatórios de petróleo. O modelo desse sistema representa uma ontologia de domínio sobre o qual métodos de solução de problemas para interpretação e classificação de rochas são aplicados. A análise dos resultados identificou um conjunto de vantagens no uso de K-Aspects, como distinção clara entre a implementação do MC e a implementação dos demais requisitos, suporte nativo aos construtos providos no modelo de conhecimento e alto grau de rastreabilidade entre o modelo e sua implementação. Além disso, provê redução de tarefas repetitivas de implementação e redução da dispersão de código a partir da geração automática de código. As bibliotecas de aspectos garantem o encapsulamento de inferências e tarefas. As bibliotecas tratam os construtos do modelo para garantir a reutilização em diferentes projetos de SCs. / This work defines K-Aspects (Knowledge Aspects), an approach for implementing Knowledge Systems (KS) with object-oriented languages using the aspect-oriented paradigm (AO) and metadata annotations. This approach defines a strong link between the knowledge model (KM) and its implementation in the object-oriented paradigm (OO). K-Aspects provides a set of documentational annotations to make the association between the implementation model and the knowledge conceptual model easier to read; a set of annotations to enable the separation of concerns, using aspect orientation, of the implementation of the different requirements of the knowledge system; a set of libraries to perform the interpretation and execution as aspects of annotations; and a tool for documentation generation of the KM extracted from the annotations on the code. The approach aims to support both knowledge engineers and development engineers in KS projects, by providing to the knowledge engineers a well-defined way to elaborate the KS specification, which results in a specification presented in an object oriented language, making it easily understandable and extensible by development engineers that can thus implement the knowledge system preserving its conceptual knowledge structure and keeping a clear distinction of the requirements associated to the KM from the other requirements. K-Annotations add aspect oriented resources to the OO conceptual knowledge model, providing features to manage separately the multiple crosscutting concerns of a KS, partitioning the system in aspects that implement specific features, activated by annotations inserted in the knowledge conceptual model. Annotations distinguish, clearly and visually, within the code, KM elements from the rest of the code, making easier the code reading by the knowledge engineers. The most important function of the annotations is to provide information necessary for interpreting knowledge elements during runtime. Annotations identify several crosscutting concerns related to the model constructs. Annotations are managed and executed by the aspect libraries. This approach was validated by re-coding, using K-Annotations, a complex commercial KS on the domain of oil reservoir quality analysis. The model of this system represents a domain ontology on which problem-resolving methods for rock interpretation and classification are performed. The analysis of the results identified several advantages of using K-Aspects as: a clear distinction of the KM implementation among other requirements; native support for knowledge model constructs; and high traceability between the knowledge conceptual model and its implementation. Moreover, the use of K-Aspects reduces repetitive implementation tasks and code dispersion because of the automatic code generation. The provided aspect libraries enable the encapsulation of inferences and the execution of several tasks. The libraries manage the constructs of the model thus providing reusability among multiple KS projects.

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.

Orientador: Cecilia Mary Fischer Rubira / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-15T17:42:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Santos_PetersonPeixotodos_M.pdf: 1073315 bytes, checksum: 7071b3cca814f678b2dae606f78f6eff (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: À medida que os sistemas de software evoluem, precisam garantir requisitos funcionais e de qualidade cada vez mais complexos e com maior rigor de qualidade. Nos _últimos anos, várias abordagens e ferramentas t^em sido propostas para guiar o processo de desenvolvimento de software visando atingir altos níveis de qualidade. O Desenvolvimento Baseado em Componentes (DBC) _e uma das técnicas mais bem aceitas tanto na indústria quanto no meio acadêmico e se propõe a compor sistemas de software a partir de componentes reutilizáveis já prontos e, se possível, de uma relativamente pequena quantidade de linhas de código específicas para a aplicação. Existem diversas plataformas para DBC, das quais Java Enterprise Edition (Java EE) _e uma das mais populares. Por outro lado, tolerância a falhas _e uma das abordagens mais empregadas para construir sistemas que consigam prover seus serviços especificados mesmo na presença de diferentes tipos de falhas de forma a atingir os níveis desejados de confiabilidade. O conceito de Ação Atômica Coordenada (CA Action) foi proposto para prover tolerância a falhas em sistemas concorrentes orientados a objetos, integrando os conceitos complementares de conversação (concorrência cooperativa) e transação atômica (concorrência competitiva) e estabelecendo uma semântica para tratamento de exceções concorrentes (exceções lançadas simultaneamente por threads concorrentes) além de dar suporte ao uso conjunto de recuperação de erro por avanço e por retrocesso. A proposta deste trabalho _e acrescentar _a plataforma de desenvolvimento baseado em componentes Java Enterprise Edition (Java EE) alguns mecanismos de tolerância a falhas propostos pelo conceito de CA Action. A implementação da solução proposta foi baseada em Java, programação orientada a aspectos e no conceito de comunicação assíncrona implementada pelos componentes message-driven beans da plataforma Java Enterprise Edition. A solução foi avaliada através da construção de 2 estudos de caso: (i) uma aplicação JBoss baseada em message-driven beans e (ii) um sistema real de faturamento de energia elétrica. Desta forma, procuramos demonstrar a factibilidade de proporcionar mecanismos simples para adaptações permitindo que aplicações desta plataforma possam usufruir de mais benefícios de tolerância a falhas sem grandes modificações em seu código fonte já previamente implementado e implantado / Abstract: As software systems evolve, they should provide stronger functional and quality requirements. In the last years, many diferent approaches and tools have been proposed to guide software development process aiming to achieve higher quality levels. Component-Based Development (CBD) is one of the most accepted techniques in the academy as well as in the industry and proposes to build software systems from pre-existing reusable components and, if possible, a relative low quantity of application specific glue code. There are many CBD platforms and Java Enterprise Edition (Java EE) is one of the most popular. Fault tolerance is one of the most adopted means to build up systems that are capable of providing their intended service, even if only partially, when faults occur, so as the desired reliability levels be achieved. The Coordinated Atomic Action (CA Action) concept was proposed to provide fault tolerance in concurrent object-oriented software systems and to integrate two complementary concepts, conversations (cooperative concurrency) and transactions (competitive concurrency). It establishes a semantic for concurrent exception handling and also supports the combined use of forward and backward error recovery. This work proposes to extend the component-based development platform Java Enterprise Edition (Java EE) with some of the fault tolerance means proposed by CA Action's concept by incorporating a concurrent exception handling mechanism to the platform. The proposed solution implementation was based on Java, aspect oriented programming and on the asynchronous communication concept implemented by Java EE message-driven bean components. The solution was assessed by two case studies: (i) a JBoss application based on message-driven beans and (ii) a real billing system for electric power companies by which we try to demonstrate the feasibility of providing simple means for adapting Java Enterprise Edition applications in a way that they could appropriate more fault tolerance benefits without big changes in their previously implemented and deployed source code / Mestrado / Engenharia de Software / Mestre em Ciência da Computação

The increasing complexity in the development of a configurable real-time system has emerged new principles of software techniques, such as aspect-oriented software development and component-based software development. These techniques allow encapsulation of the system's crosscutting concerns and increase the modularity of the software. The properties of a component that influences the systems performance or semantics are specified separately in entities called aspects, while basic functionality of the property still remains in the component. When building a real-time system, different sets of configurations of aspects and components can be combined, resulting in different configurations of the system. The temporal behavior of the system changes and a way to ensure the predictability of the system is needed. This thesis presents a tool for aspect-level worst-case execution time analysis, which gives a priori information about the temporal behavior of the system, before the process of composing aspects with components.

Rising complexity in the development of real-time systems has made it crucial to have reusable components and a more flexible way of configuring these components into a coherent system. Aspect-oriented system development (AOSD) is a technique that allows one to put a system’s crosscutting concerns into"modules"that are called aspects. Applying AOSD in real-time and embedded system development one can expect reductions in the complexity of the system design and development. A problem with AOSD in its current form is that it does not support predictability in the time domain. Hence, in order to use AOSD in real-time system development, we need to provide ways of analyzing temporal behavior of aspects, components and resulting system (made from weaving aspects and components). Aspect analyzer is a tool that computes the worst-case execution time (WCET) for a set of components and aspects, thus, enabling support for predictability in the time domain of aspect-oriented real-time software. A limitation of the aspect analyzer, until now, were that no verification had been made whether the aspect analyzer would produce WCET values that were close to the measured or computed (with another WCET analysis technique) WCET of an aspect-oriented real-time system. Therefore, in this thesis we perform a verification of the correctness of the aspect analyzer using a number of different methods for WCET analysis. These investigations of the correctness of the output from the aspect analyzer gave confidence to the automated WCET analysis. In addition, performing this verification led to the identification of the steps necessary to compute the WCETs of a piece of program, when using a third party tool, which gives the ability to write accurate input files for the aspect analyzer.

During the last years the need for real-time database services has increased due to the growing number of data-intensive applications needing to enforce real-time constraints. The COMponent-based Embedded real-Time database (COMET) is a real-time database developed to meet these demands. COMET is developed using the AspeCtual COmponent-based Real-time system Development (ACCORD) design method, and consists of a number of components and aspects, which can be composed into a number of different configurations depending on system demands, e.g., Quality of Service (QoS) management can be used in unpredictable environments. In embedded systems with requirementson high up-time it may not be possible to temporarily shut down the system for reconfiguration. Instead it is desirable to enable dynamic reconfiguration of the system, exchanging components during run-time. This in turn sets demands on the feedback control of the system to adjust to these new conditions, since a new time variant system has been created. This thesis project implements improvements in COMET to create a more stable database suitable for further development. A mechanism for dynamic reconfiguration of COMET is implemented, thus, enabling components and aspects to be swapped during run-time. Adaptive feedback control algorithms are also implemented in order to better adjust to workload variations and database reconfiguration.

Requirement engineering is the most important phase within the software development phases since it is used to extract requirements from the customers which are used by the next phases for designing and implementation of the system. Because of its importance, this thesis focuses on the term aspect oriented requirement engineering, which is the first phase in aspect oriented software development used for the identification and representation of requirements gathered in the form of concerns. Besides the overall explanation of aspect oriented requirement engineering phase, detail attention is given to a specific activity within AORE phase called conflict resolution. Several techniques proposed for conflict resolution between aspects is discussed along with an attempt to give a new idea in the form of an extension of the already proposed model for conflict resolution. The need for extension to the already proposed model is justified by the use of a case study which is applied on both the models i.e. on the original model and on the extended model to compare the results. / Krav engineering är den viktigaste fasen inom mjukvaruutveckling faser eftersom det är användas för utvinning av krav från kunder som används av de följande faserna för utformning och genomförandet av systemet. På grund av dess betydelse, denna avhandling fokuserar på sikt aspekt orienterade krav på teknik, som är den första fasen i aspekt Orienten mjukvaran utveckling används för identifiering och representation krav som samlats in i form av oro. Förutom det övergripande förklaring av aspekt oriented Kravet tekniska fasen, detalj uppmärksamhet ges till en specifik verksamhet inom AORE fasen kallas konfliktlösning. Flera metoder som föreslås för konfliktlösning mellan aspekter diskuteras tillsammans med ett försök att ge en ny idé i form av en utvidgning av redan föreslagna modellen för konflikt resolution. Behovet av förlängning av redan föreslagna modellen är motiverad av att använda en fallstudie som appliceras på båda modellerna dvs i den ursprungliga modellen och om den utvidgade modell för att jämföra resultat. / faysal_hameed@hotmail.com, ijazbutt1@hotmail.com