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Die synchrone 

Programmiersprache 

ESTEREL 

Daniel Rotar und Maximilian Schröder 

Seminar über Programmiersprachen 

im WS 11/12 

1

Agenda 

1. Einleitung und Grundlagen 

2. Syntax und Aufbau von ESTEREL 

3. Implementierungsbeispiel 

4. Semantik von ESTEREL 

1. Verhaltenssemantik 

2. Ausführungssemantik 

3. Äquivalenz der Semantikarten 

5. Zusammenführung und Ausblick 

Die synchrone Programmiersprache ESTEREL, Seminar über 

2

Reaktive Programme 

- Klimaanlagen und Mikrowellen 

Permanente Interaktion mit Umwelt 

Senden Ausgaben, als Reaktion 

auf Nutzereingaben 

Identische Reaktionen auf 

gleichbleibende Eingaben 

Eingebettete Systeme 

Reaktive Systeme 

Echtzeitsysteme 

- Reaktive Systeme mit oben genannten 

Eigenschaften und reaktivem Programm 

als Hauptbestandteil (nach Berry & Gonthier, 1992) 


3

Reaktive Systeme 

Schnittstelle 

- Empfang und Ausgabe 

von Informationen 

Reaktiver Kernel 

- Logik des Systems 

(Steuereinheit) 

Datenverarbeitungsschicht 

- Berechnungen aller Art 

- ESTEREL: Programmgenerator für reaktive Kernel, 

keine vollwertige Programmiersprache 


4

Vertreter reaktiver Sprachen und deren 

Problematik 

Deterministische Automaten 

- Bilden kleine, reaktive Kernel 

- Sequentiell, unterstützen keine Parallelität 

ADA (imperative, objektorientierte Sprache) 

- Nebenläufig, allerdings nicht-deterministisch 

Reaktive Sprachen zwingen zur Wahl: Determinismus vs. Parallelität 

- Probleme: 

(Keine Regel): Wann Signal gesendet und Ziel erreicht 

Sensor durch zwei Prozesse in gleicher Reaktion gelesen 

 

zwei Werte 


5

Synchronitätshypothese 

„Jede Reaktion wird sofort/unmittelbar ausgeführt und ist daher atomar, da 

Änderungen an den Eingängen des Systems sofort zu Ergebnissen führen.“ 

- Instruktionsausführung kostet „keine Zeit“ 

Prozessabwicklung, Kommunikation, Datenverarbeitung 

- Interprozesskommunikation via sofortiges Broadcasten von Events 

Prozesse haben gleiche Sicht auf Umgebung 

Realismus von „unendlich schnellen“ Reaktionen? 

- Synchrone Programme in effiziente Automaten umgewandelt 

- Berechenbar und Laufzeiteffizient 


6

Vom ESTEREL-Programm zum Automat 

Umwandlung vom ESTEREL-Programm in Automaten 

- Knoten bilden ESTEREL-Befehle, Pfeile dazugehörige Ausführungssequenzen 

Umwandlung in Automat erfüllt Synchronitätshypothese 

- Reaktionen des Automaten sind so schnell wie nur möglich 

- Minimale Automatensequenzen zur Laufzeit ausgeführt 

- Prozesshandhabung und Synchronisation während Kompilierung 


7

Agenda 










8

Grundlegender Programmaufbau und 

Datentypen 

module Modulname: 

Deklarationsabschnitt 

Modulkörper 

. 

Nur primitive Datentypen (Arrays & Structs fehlen) 

- In ESTEREL zwei Ausprägungen mit unterschiedlicher Datentypzahl 

Basic: Integer, Boolean und triv 

Plain: zusätzlich String und Float 

- Notwendig für Umwandlung von Plain in Basic ESTEREL 


9

Schnittstellenkommunikation 

Kommunikation des reaktiven Kernels durch Schnittstelle via Signale / 

Sensoren 

Signale 

- Via Interrupts werden Steuerungsinformationen übermittelt 

- Verfügen über persistenten Wert eines Typs 

- Wertänderung nur via Interrupt möglich 

Sensoren 

- Für passive, externe Geräte 

- Sind readonly und erzeugen keine Interrupts 


10

Schnittstellenkommunikation(2) und 

Relationen 


11

Basic ESTEREL Anweisungen 

- 

Im Modulkörper zur Verfügung stehenden Befehle 

- 

Vollständig unabhängig voneinander 

- 

Kein Befehl kann auf einen anderen reduziert werden. 

- 

Unterscheidung zwischen Groß- und Kleinschreibung 

- 

Emit != emit != EMIT 

Befehl 

nothing 

halt 

call P(variable-list) 

(expression-list) 

emit S(exp) 

stat1 ; stat2 

loop stat end 

Beschreibung 

Dummy-Befehl 

Halte-Befehl 

Externer Methodenaufruf 

Ausgabe eines Signals 

Sequenzielle Abarbeitung 

Schleife 


12

Basic ESTEREL Anweisungen (2) 

Befehl 

if exp 

then stat1 

else stat2 

end 

present S 

then stat1 

else stat2 

end 

Beschreibung 

Bedingung 

Überprüfung auf Vorhandensein eines Signals 

- 

Der then- oder else-Block kann weggelassen werden. 

- 

Beispiel: present S else stat end 

- 

Wird jedoch intern wieder auf folgendes Konstrukt zurückgeführt: 

present S then nothing else stat end 


13


Befehl 

do 

stat 

watching S 

trap T in 

stat 

end 

exit T 

stat1 || stat2 

Beschreibung 

Watchdog-Konstrukt 

Trap-Konstrukt 

Verlässt das Trap-Konstrukt 

Parallele Abarbeitung* 

* ; bindet stärker als ||. 

Beispiel: stat1 ; stat2 || stat3 ; stat4 

Alternativ: stat1 ; [ stat2 || stat3 ] ; stat4 


14


Befehl 

X := exp 

var X : type in 

stat 

end 

signal S (combine type with 

comb) in 

stat 

end 

Beschreibung 

Zuweisung 

Deklaration einer lokalen Variable 

Deklaration eines lokalen Signals 

- 

Grundsätzlich gilt: Alle verwendeten Variablen, Signale und/oder Traps 

müssen vor ihrer ersten Verwendung deklariert worden sein! 

- 

Insgesamt nur 15 unabhängige Befehle 

- 

Aber dennoch sehr mächtig! 


15

Basic ESTEREL Anweisungen Beispiel 

trap T1 in 

trap T2 in 

X := 1 

|| 

Y := 2 ; exit T1 

|| 

Z := 3 ; exit T2 ; Z := 

0 

end ; 

X := 0 

end 

- 

Beispiel zeigt nur einen Ausschnitt des 

Modulkörpers (nicht vollständig!) 

- 

Nach der Ausführung: 

- 

X=1 

- 

Y=2 

- 

Z=3 


16


trap T1 in 

trap T2 in 

X := 1 

|| 

Y := 2 ; exit T1 

|| 

Z := 3 ; exit T2 ; Z := 

0 

end ; 

X := 0 

end 

- 



- 


- 

X=1 

- 

Y=2 

- 

Z=3 

- 

Z := 0 wird niemals ausgeführt! 


17


trap T1 in 

trap T2 in 

X := 1 

|| 

Y := 2 ; exit T1 

|| 

Z := 3 ; exit T2 ; Z := 

0 

end ; 

X := 0 

end 

- 



- 


- 

X=1 

- 

Y=2 

- 

Z=3 

- 


- 

X := 0 wird niemals ausgeführt! 


18


trap T1 in 

trap T2 in 

X := 1 

|| 

Y := 2 ; exit T1 

|| 

Z := 3 ; exit T2 ; Z := 

0 

end ; 

X := 0 

end 

- 



- 


- 

X=1 

- 

Y=2 

- 

Z=3 

- 


- 

X := 0 wird niemals ausgeführt! 


19

Gültige ESTEREL-Programme 

- Nicht jedes syntaktisch korrekte ESTEREL-Programm ist ein gültiges 

ESTEREL-Programm 

Beispiel: loop nothing end 

● 

● 

Endlosschleife (unendlich viele Anweisungen müssen „sofort“ ausgeführt 

werden!) 

Nicht erlaubt!!! 

Beispiel 2: loop halt end 

● 

Ist diese Anweisung erlaubt? 

– JA! 

– Es müssen nicht unendlich viele Anweisungen „sofort“ ausgeführt werden. 

Beispiel 3: X := 1 || X := 2 

● 

● 

Veränderungen der gleichen Variable in einem parallel-Block 

Nicht erlaubt!!! 


20

Das „sharing law“ 

- 

Während einer Reaktion hat ein Signal immer einen festen, 

gleichbleibenden Status (es ist vorhanden oder es ist nicht 

vorhanden). 

- 

Während einer Reaktion hat ein Signal immer einen festen, 

gleichbleibenden Wert (auch wenn das Signal nicht aktiv ist. 

In diesem Fall hat das Signal dann den Wert, den es in der 

letzten Reaktion gehabt hat. War es noch nie aktiv, hat es 

den undefinierten Wert.) 


21

Plain ESTEREL als Erweiterung von 

Basic ESTEREL 

- Neue Funktionalitäten lassen sich in drei Bereiche unterteilen: 

Erweiterung von Signalen 

Erweiterung von Modulen 

Neue Befehle 

Erweiterung von Signalen: 

- Z.B. Inputoutput Signale und Steuerungssignale (Signale ohne Werte) 

Erweiterung von Modulen: 

- Copymodule-Anweisung 

Neue Befehle: 

- Alle neuen Befehle lassen sich auf ein äquivalentes Basic ESTEREL-Konstrukt reduzieren 


22

Plain ESTEREL Anweisungen: 

repeat 

repeat exp times 

stat 

end 

- Wiederholt das innere Statement exp-mal. 

- Zurückzuführen auf: loop-end mit innerem trap-Konstrukt und einem trapexit. 

- Kann ebenfalls vom Compiler verweigert werden: 

Z.B. repeat 3 times 

nothing 

end 

Da intern auf loop-end Schleife zurückgeführt wird. 


23


do-watch-timeout 

do stat1 watch S 

timeout stat2 

end 

- Erweitert den bestehenden do-watch Befehl um timeout 

- Der timeout-Teil wird nur dann ausgeführt, wenn die Ausführung durch auftreten von S abgebrochen 

wurde. 

- Zurückzuführen auf: 

trap T in 

do 

end 

stat1 ; exit T 

watching S 

stat2 


24


immediate 

do stat watching immediate S 

- Überprüft das Signal S schon beim Eintritt in das do-watching Konstrukt 

Ist S vorhanden wird stat erst gar nicht ausgeführt! 

- Nicht nur in Kombination mit watching zu verwenden: 

Z.B. await immediate 

- Zurückzuführen auf: 

present S else 

do stat watching S 

end 


25


Weitere in der Kurzübersicht 

Plain ESTEREL-Befehl 

Reduzierbar auf 

do stat upto S 

await S 

every S do 

stat 

end 

loop stat each S 

do 

stat ; 

halt 

watching S 

do halt watching S 

await S ; 

loop 


end 

loop 


end 


26


Weitere in der Kurzübersicht (2) 

Plain ESTEREL-Befehl 

Reduzierbar auf 

await 

case S_1 do stat_1 

case S_2 do stat_2 

… 

case S_n do stat_n 

end 

trap-Befehl + mehrere present-Befehle 

- 

Es stehen noch weitere neue Befehle durch Plain ESTEREL zur Verfügung. 

- 

Alle durch Plain ESTEREL zur Verfügung gestellten Befehle bringen keine neue 

Funktionalität im eigentlichen Sinne. 

- 

Sie sollen lediglich das Arbeiten mit ESTEREL erleichtern und häufig 

verwendete Code-Konstrukte auf einfache Anweisungen reduzieren. 


27

Plain ESTEREL Anweisungen Beispiel 

do 

every immediate I1 do emit O1 end 

watching I2 ; 

emit O2 


28


do 


watching I2 ; 

emit O2 

Beispiel 1: 

Input I1 I3 I1 I2 I1 

Output 


29


do 


watching I2 ; 

emit O2 

Beispiel 1: 


Output 

O1 


30


do 


watching I2 ; 

emit O2 

Beispiel 1: 


31


do 


watching I2 ; 

emit O2 

Beispiel 1: 


32


do 


watching I2 ; 

emit O2 

Beispiel 1: 


33


do 


watching I2 ; 

emit O2 

Beispiel 1: 


34


do 


watching I2 ; 

emit O2 

Beispiel 1: 

Beispiel 2: 


35


do 


watching I2 ; 

emit O2 

Beispiel 1: 

Beispiel 2: 


36


do 


watching I2 ; 

emit O2 

Beispiel 1: 

Beispiel 2: 


37


do 


watching I2 ; 

emit O2 

Beispiel 1: 

Beispiel 2: 


38


do 


watching I2 ; 

emit O2 

Beispiel 1: 

Beispiel 2: 


39


do 


watching I2 ; 

emit O2 

Beispiel 1: 

Beispiel 2: 


40


do 


watching I2 ; 

emit O2 

Beispiel 1: 

Beispiel 2: 

Beispiel 3: 


Output 


41


do 


watching I2 ; 

emit O2 

Beispiel 1: 

Beispiel 2: 

Beispiel 3: 


42


do 


watching I2 ; 

emit O2 

Beispiel 1: 

Beispiel 2: 

Beispiel 3: 


43


do 


watching I2 ; 

emit O2 

Beispiel 1: 

Beispiel 2: 

Beispiel 3: 


44


do 


watching I2 ; 

emit O2 

Beispiel 1: 

Beispiel 2: 

Beispiel 3: 


45


do 


watching I2 ; 

emit O2 

Beispiel 1: 

Beispiel 2: 

Beispiel 3: 


46

Agenda 










47

Implementierungsbeispiel 


48

Agenda 










49

Verhaltenssemantik 

- 

Wie verhält sich ein Programm bei einem Input und 

welchen Output erzeugt es? 

Nachfolgend: 

- 

Formale Definition von Events und Historys 

- 

Programm-Überführung 

- 

Induktionsregeln 


50



51


(2) 


52

Programm-Überführung 


53

Programm-Überführung Beispiel 

module LAMP_TEST: 

input BUTTON; 

output GREEN_LAP; 

await 2 BUTTON; 

emit GREEN_LAP. 


54



input BUTTON; 





input BUTTON; 





55



input BUTTON; 





input BUTTON; 





input BUTTON; 


halt. 


56

Induktionsregeln Beispiel 


57

Ausführungssemantik 

- 

Ausführungssemantik gewährleistet 

Korrektheit der jeweiligen Reaktionen. 

Nachfolgend: 

- 

Verhaltensregeln für Arbeit mit Signalen 

- 

Implementierung von Signalen und deren Status 

- 

Ausführungsregeln 


58

Verhaltensregeln für Lese- und 

Schreibvorgänge 

- Reaktionen durch Reihenfolge von Ausführungen realisiert 

- Nach Aktionsausführung erfolgt Expansionsschritt (+ Programmüberführung) 

Expansion nur dann möglich, wenn Ausführung korrekt angehalten 

Programm ist korrekt, wenn angehaltene Ausführung existiert 

- Alle angehaltenen Reaktionen führen zu gleichen Ergebnissen, wenn 

Ergebnis nach Expansionsschritt mit Verhaltenssemantik übereinstimmt 

Verhaltenssemantik eines korrekten Programms einzigartig ist 

Nachfolgende Verhaltensregeln sind korrekte Implementierung des sharing 

law 


59

Implementierung von Signalen 


60

Ausführungsregeln 


61

Ausführungsregeln Beispiel 


62

Äquivalenz von Verhaltens- und 

Ausführungssemantik 


63

Agenda 










64

Fazit 


65

Ausblick 


66

Vielen Dank für 

die Aufmerksamkeit! 

Daniel Rotar und Maximilian Schröder 

Seminar über Programmiersprachen 

im WS 11/12 

67

Literaturverzeichnis 

Berry, G., & Gonthier, G. (1992). The ESTEREL synchronous programming language: design, 

semantics, implementation. Science of Computer Programming 19, Seiten 87 - 152. 

Hochberger, C. (1. Oktober 2010). Professur für Mikrorechner TU Dresden. Abgerufen am 1. 

August 2011 von http://www.mr.inf.tu-dresden.de/?ln=de&tl=lehre_ 

ws&sl=es&bl=ws1011&site=ws1011 

Mauras, C., & Richard, M. (11. April 2007). How to use synchronous languages to play with the 

Lego Mindstorms? Abgerufen am 20. August 2011 von http://www.emn.fr/z-info/lego/ 

Palshikar, G. K. (01. November 2001). EE Times: The global electronics engineering community. 

Abgerufen am 01. August 2011 von http://www.eetimes.com/design/embedded/4024644/An- 

Introduction-to-Esterel 

Syncronous Reactive Team. Esterel Synchronous Language Web Main Page. Abgerufen am 20. 

August 2011 von http://www-sop.inria.fr/esterel.org/filesv5_92/ 


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