{"id":3585,"date":"2019-08-16T16:14:26","date_gmt":"2019-08-16T14:14:26","guid":{"rendered":"http:\/\/medtech-ingenieur.de\/?p=3585"},"modified":"2021-08-06T14:37:29","modified_gmt":"2021-08-06T13:37:29","slug":"zustandsautomaten-modellieren-ein-blick-in-die-uml-und-sysml","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/medtech-ingenieur.de\/en\/zustandsautomaten-modellieren-ein-blick-in-die-uml-und-sysml\/","title":{"rendered":"Modeling state machines \u2013 A look at UML and SysML"},"content":{"rendered":"

Endliche Zustandsautomaten, auch bekannt als Zustandsmaschinen, State Machines oder State Diagrams, definieren die einnehmbaren Zust\u00e4nde eines Systems. Die Dokumentation kann sowohl tabellarisch als auch grafisch erfolgen. Da die Anzahl der Tabellenzeilen mit der Anzahl der Zust\u00e4nde stark ansteigt, ist es \u00fcbersichtlicher, auf die grafische L\u00f6sung zur\u00fcckzugreifen. Dieser Artikel soll zeigen, wie Zustandsautomaten modelliert werden k\u00f6nnen.<\/p>\n

Einstieg<\/h2>\n
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Abb. 1: Einfacher Zustandsautomat<\/figcaption><\/figure>\n

In einem Zustandsdiagramm werden immer die Zust\u00e4nde und die Zustands\u00fcberg\u00e4nge dargestellt (siehe Abb. 1). Anhand der grafischen Ausarbeitung k\u00f6nnen Verklemmungen und isolierte Zust\u00e4nde direkt erkannt werden. Zu einer Verklemmung kommt es, wenn der Zustand betreten, aber nicht mehr verlassen werden kann. Isolierte Zust\u00e4nde k\u00f6nnen erst gar nicht erreicht werden. Zust\u00e4nde werden oftmals durch Kreise dargestellt und \u00dcberg\u00e4nge durch gerichtete Pfeile. Wichtig ist, dass immer nur ein Zustand aktiv sein kann.\u00a0 Au\u00dferdem wird immer ein Initial-Zustand definiert, der bei einem Reset eingenommen wird.<\/p>\n

Zustandsautomaten in UML \/SysML<\/h2>\n

Etwas komplexer als eben beschrieben sind allerdings die Zustandsautomaten in UML und SysML. Hier ist die Semantik des Zustandsautomaten so detailliert spezifiziert, dass die Automaten ausgef\u00fchrt und f\u00fcr die automatische Codegenerierung verwendet werden k\u00f6nnen. Das Konzept der Zustandsautomaten in der UML geht auf den Informatiker David Harel zur\u00fcck, der u. a. die Eigenschaften der Mealy- und Moore-Automaten zusammenf\u00fchrte. In jedem System gibt es Zust\u00e4nde. Durch Ereignisse werden je nach Zustand interne Reaktionen ausgel\u00f6st und m\u00f6glicherweise Zustands\u00e4nderungen durchgef\u00fchrt. Ereignisse k\u00f6nnen auch verworfen werden, wenn der Zustand sie nicht interpretieren kann. In der UML und SysML werden Zust\u00e4nde durch abgerundete Rechtecke dargestellt. Der Zustandsname steht im Rechteck. Die UML kennt des Weiteren drei definierte Verhalten, um einen Zustand weiter zu spezialisieren. So kann das Eintrittsverhalten (entry), das Zustandsverhalten (do) und das Austrittsverhalten (exit) f\u00fcr jeden Zustand definiert werden. Die Verhalten werden ebenfalls innerhalb des Rechtecks festgehalten.\u00a0 Zustands\u00fcbergange werden in den Modellierungssprachen auch Transition genannt. Eine Transition ist ein gerichteter Pfeil zwischen zwei Zust\u00e4nden und definiert den Ausl\u00f6ser, die Bedingung f\u00fcr den \u00dcbergang und ein m\u00f6gliches Verhalten. Die Notation sieht wie folgt aus:<\/p>\n

Notation:<\/strong>\r\nAul\u00f6serA, Ausl\u00f6serB, ... [Bedingung] \/ Verhalten\r\nBeispiel:<\/strong>\r\nBenutzer[bet\u00e4tigt Aus-Taster] \/ herunterfahren()<\/pre>\n
Die UML kennt des Weiteren f\u00fcnf Arten von Ereignissen, die zu einer Transition f\u00fchren k\u00f6nnen. Darunter geh\u00f6rt das Aufrufereignis (call event), das \u00c4nderungsereignis (change event), das Signalereignis (signal event), das Zeitereignis (time event) und das Empfangsereignis (any receive event). Das Zeitereignis kann wiederum in das relative- und absolute Zeitereignis separiert werden.<\/p>\n
In der folgenden Tabelle werden die eben genannten Elemente grafische aufgezeigt und kurz beschrieben.
\nBilder k\u00f6nnen zum Vergr\u00f6\u00dfern angeklickt werden.<\/strong><\/span><\/p>\n
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Symbol<\/th>\nName<\/th>\nBedeutung<\/th>\n<\/tr>\n
\"\"<\/a><\/td>\nZustand<\/td>\nZust\u00e4nde des Zustandsautomaten werden als abgerundete Rechtecke dargestellt. Der Zustandsname wird ins Innere geschrieben.<\/td>\n<\/tr>\n
\"\"<\/a><\/td>\nZustandsautomat<\/td>\nZust\u00e4nde k\u00f6nnen in kleinere Zust\u00e4nde aufgeteilt werden. Auf h\u00f6herer allgemeiner Ebene kann dieses Symbol verwendet werden, um die aufgeteilten Zust\u00e4nde zu beschreiben.<\/td>\n<\/tr>\n
\"\"<\/a><\/td>\nTransition<\/td>\nEine Transition ist ein gerichteter Pfeil zwischen zwei Zust\u00e4nden. Der Zustand wird in Pfeilrichtung gewechselt. Zus\u00e4tzlich kann der Ausl\u00f6ser, die Bedingung und das Verhalten hinzugef\u00fcgt werden (siehe oben).<\/td>\n<\/tr>\n
\"\"<\/a><\/td>\nAufrufereignis<\/td>\nEine Operation wird aufgerufen.<\/td>\n<\/tr>\n
\"\"<\/a><\/td>\n\u00c4nderungsereignis<\/td>\nIm Wert \u00e4ndert sich ein Wert. Ist der boolesche Ausdruck wahr, wird der n\u00e4chste Zustand aufgerufen.<\/td>\n<\/tr>\n
\"\"<\/a><\/td>\nSignalereignis<\/td>\nEin Signal wird empfangen.<\/td>\n<\/tr>\n
\"\"<\/a><\/td>\nRelatives Zeitereignis<\/td>\nDer Zustand wird nach einer definierten Zeit ge\u00e4ndert.<\/td>\n<\/tr>\n
\"\"<\/a><\/td>\nAbsolutes Zeitereignis<\/td>\nDer Zustand wird zu einer definierten Zeit ge\u00e4ndert.<\/td>\n<\/tr>\n
\"\"<\/a><\/td>\nInitial Zustand<\/td>\nDer Initial Zustand oder auch Startzustand gibt an, wo der Zustandsautomat nach einem Reset oder nach dem Einschalten beginnt. Er zeigt mithilfe einer Transition immer auf den initialen Zustand.<\/td>\n<\/tr>\n
\"\"<\/a><\/td>\nEndzustand<\/td>\nDer Endzustand gibt an, wo der Zustandsautomat beendet wird. Der Ausf\u00fchrung ist danach abgeschlossen. Ein m\u00f6glicher Fall w\u00e4re z. B. das Abschalten eines Ger\u00e4ts.<\/td>\n<\/tr>\n
\"\"<\/a><\/td>\nEntscheidung<\/td>\nEine Entscheidung hat immer eine eingehende und mehrere abgehende Transitionen. Es wird eine Entscheidung auf Basis von Werten getroffen.<\/td>\n<\/tr>\n
\"\"<\/a><\/td>\nHistorie<\/td>\nMithilfe der Historisierung k\u00f6nnen Zust\u00e4nde gespeichert werden. Wird ein Ger\u00e4t z. B. erneut eingeschaltet, wird der Zustand der letzten Ausf\u00fchrung gemerkt und wieder aufgerufen. Ein Beispiel ist eine Waschmaschine mit Auswahl des Programms \u00fcber einen Drehregler. Jedes Programm stellt einen Zustand dar. Die Waschmaschine springt in den Zustand, der \u00fcber den Drehregler ausgew\u00e4hlt ist.<\/td>\n<\/tr>\n
\"\"<\/a><\/td>\nSplitten und synchronisieren<\/td>\nMithilfe dieses Symbols lassen sich Parallelisierungen erm\u00f6glichen. Durch das Splitten werden mehrere Zustandsautomaten parallel ausgef\u00fchrt, die dann wieder durch das Synchronisieren zusammengef\u00fchrt werden k\u00f6nnen.<\/td>\n<\/tr>\n
\"\"<\/a><\/td>\nEingangspunkt<\/td>\nMithilfe des Eingangspunkts k\u00f6nnen weitere Einstiege in den Zustandsautomaten beschrieben werden.<\/td>\n<\/tr>\n
\"\"<\/a><\/td>\nAusgangspunkt<\/td>\nMithilfe des Ausgangspunkts k\u00f6nnen weitere Ausg\u00e4nge des Zustandsautomaten beschrieben werden. Ein Ausgangspunkt beendet die Ausf\u00fchrung.<\/td>\n<\/tr>\n
\"\"<\/a><\/td>\nTerminierung<\/td>\nAuch eine Terminierung beendet den Zustandsautomaten. Allerdings gibt es keinen Endzustand.<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<\/div>\n
Beispiel<\/h2>\n
Wenn Sie die automatische Codegenerierung oder die Ausf\u00fchrung des Zustandsautomaten in speziellen Programmen nicht verwenden m\u00f6chten, empfiehlt es sich generell, den Zustandsautomaten so einfach wie m\u00f6glich zu halten. Im Folgenden wird ein Beispiel eines Zustandsautomaten f\u00fcr einen Ventilator gezeigt:<\/p>\n
\"\"<\/a>
Abb. 2: Zustandsautomat eines sehr einfachen Ventilators<\/figcaption><\/figure>\n
In Abbildung 2 ist der Zustandsautomat eines sehr einfachen Ventilators zu sehen. Er kennt die Zust\u00e4nde aus und ein. Eingeschaltet wird der Ventilator \u00fcber einen Taster. Er geht entweder automatisch nach zwei Stunden aus, um Energie zu sparen oder kann auch durch den Anwender abgeschaltet werden. Der Ventilator merkt sich \u00fcber einen Drehregler die ausgew\u00e4hlte St\u00e4rke des Benutzers. Er kann zwischen drei St\u00e4rken ausw\u00e4hlen. Der Zustandsautomat des Ventilators wird nie verlassen.<\/p>\n
Weitere Diagramme<\/h2>\n