A Framework supporting collaboration on the distributed design of integrated systems

Abstract

The work described in this thesis aims to support the distributed design of integrated systems and considers specifically the need for collaborative interaction among designers. Particular emphasis was given to issues which were only marginally considered in previous approaches, such as the abstraction of the distribution of design automation resources over the network, the possibility of both synchronous and asynchronous interaction among designers and the support for extensible design data models. Such issues demand a rather complex software infrastructure, as possible solutions must encompass a wide range of software modules: from user interfaces to middleware to databases. To build such structure, several engineering techniques were employed and some original solutions were devised. The core of the proposed solution is based in the joint application of two homonymic technologies: CAD Frameworks and object-oriented frameworks. The former concept was coined in the late 80's within the electronic design automation community and comprehends a layered software environment which aims to support CAD tool developers, CAD administrators/integrators and designers. The latter, developed during the last decade by the software engineering community, is a software architecture model to build extensible and reusable object-oriented software subsystems. In this work, we proposed to create an object-oriented framework which includes extensible sets of design data primitives and design tool building blocks. Such object-oriented framework is included within a CAD Framework, where it plays important roles on typical CAD Framework services such as design data representation and management, versioning, user interfaces, design management and tool integration. The implemented CAD Framework - named Cave2 - followed the classical layered architecture presented by Barnes, Harrison, Newton and Spickelmier, but the possibilities granted by the use of the object-oriented framework foundations allowed a series of improvements which were not available in previous approaches: - object-oriented frameworks are extensible by design, thus this should be also true regarding the implemented sets of design data primitives and design tool building blocks. This means that both the design representation model and the software modules dealing with it can be upgraded or adapted to a particular design methodology, and that such extensions and adaptations will still inherit the architectural and functional aspects implemented in the object-oriented framework foundation; - the design semantics and the design visualization are both part of the object-oriented framework, but in clearly separated models. This allows for different visualization strategies for a given design data set, which gives collaborating parties the flexibility to choose individual visualization settings; - the control of the consistency between semantics and visualization - a particularly important issue in a design environment with multiple views of a single design - is also included in the foundations of the object-oriented framework. Such mechanism is generic enough to be also used by further extensions of the design data model, as it is based on the inversion of control between view and semantics. The view receives the user input and propagates such event to the semantic model, which evaluates if a state change is possible. If positive, it triggers the change of state of both semantics and view. Our approach took advantage of such inversion of control and included an layer between semantics and view to take into account the possibility of multi-view consistency; - to optimize the consistency control mechanism between views and semantics, we propose an event-based approach that captures each discrete interaction of a designer with his/her respective design views. The information about each interaction is encapsulated inside an event object, which may be propagated to the design semantics - and thus to other possible views - according to the consistency policy which is being used. Furthermore, the use of event pools allows for a late synchronization between view and semantics in case of unavailability of a network connection between them; - the use of proxy objects raised significantly the abstraction of the integration of design automation resources, as either remote or local tools and services are accessed through method calls in a local object. The connection to remote tools and services using a look-up protocol also abstracted completely the network location of such resources, allowing for resource addition and removal during runtime; - the implemented CAD Framework is completely based on Java technology, so it relies on the Java Virtual Machine as the layer which grants the independence between the CAD Framework and the operating system. All such improvements contributed to a higher abstraction on the distribution of design automation resources and also introduced a new paradigm for the remote interaction between designers. The resulting CAD Framework is able to support fine-grained collaboration based on events, so every single design update performed by a designer can be propagated to the rest of the design team regardless of their location in the distributed environment. This can increase the group awareness and allow a richer transfer of experiences among them, improving significantly the collaboration potential when compared to previously proposed file-based or record-based approaches. Three different case studies were conducted to validate the proposed approach, each one focusing one a subset of the contributions of this thesis. The first one uses the proxy-based resource distribution architecture to implement a prototyping platform using reconfigurable hardware modules. The second one extends the foundations of the implemented object-oriented framework to support interface-based design. Such extensions - design representation primitives and tool blocks - are used to implement a design entry tool named IBlaDe, which allows the collaborative creation of functional and structural models of integrated systems. The third case study regards the possibility of integration of multimedia metadata to the design data model. Such possibility is explored in the frame of an online educational and training platform.

O trabalho de pesquisa apresentado nesta tese tem por objetivo apoiar o projeto distribuído de sistemas integrados, considerando especificamente a necessidade de interação colaborativa entre os projetistas. O trabalho enfatiza particularmente alguns problemas que foram considerados apenas marginalmente em abordagens anteriores, como a abstração da distribuição em rede dos recursos de automação de projeto, a possibilidade de interação síncrona e assíncrona entre projetistas e o suporte a modelos extensíveis de dados de projeto. Tais problemas requerem uma infra-estrutura de software significativamente complexa, pois possíveis soluções envolvem diversos módulos, desde interfaces com o usuário até bancos de dados e middleware. Para construir tal infra-estrutura, várias técnicas de engenharia foram empregadas e algumas soluções originais foram desenvolvidas. A idéia central da solução proposta é baseada no emprego conjunto de duas tecnologias homônimas: CAD Frameworks (ambientes integrados de apoio ao projeto) e frameworks orientados a objeto. O primeiro conceito foi criado no final da década de 80 na área de automação de projeto de sistemas eletrônicos e define uma arquitetura de software em níveis, voltada ao apoio a desenvolvedores de ferramentas de projeto, administradores de ambientes de projeto e projetistas. O segundo, desenvolvido na última década na área de engenharia de software, é um modelo para arquiteturas de software visando o desenvolvimento de sub-sistemas reusáveis de software orientado a objeto. No presente trabalho, propõe-se a criação de um framework orientado a objetos que inclui conjuntos extensíveis de primitivas de dados de projeto bem como de blocos para a construção de ferramentas de CAD. Esse framework orientado a objeto é agregado a um CAD Framework, onde ele passa a desempenhar funções tipicamente encontradas em tal ambiente, tais como representação e administração de dados de projeto, versionamento, interface com usuário, administração de projeto e integração de ferramentas. O CAD Framework implementado dentro do escopo desta tese foi chamado Cave2 e seguiu a clássica arquitetura em níveis apresentada por Barnes, Harrison, Newton e Spickelmier. Durante o projeto e a implementação do Cave2, uma série de avanços em relação as abordagens anteriores foi obtida com a exploração das vantagens advindas do uso de um framework orientado a objetos: - frameworks orientados a objetos são extensíveis por definição, então o mesmo pode ser dito a respeito das implementações dos conjuntos de primitivas de dados de projeto bem como de blocos para a construção de ferramentas de CAD. Isso implica que tanto o modelo de representação de projeto quanto os módulos de software processando tal modelo podem ser atualizados ou adaptados para uma metodologia de projeto específica, e que essas atualizações e adaptações ainda herdarão os aspectos arquiteturais e funcionais implementados nos elementos básicos do framework orientado a objetos; partes do framework orientado a objetos, mas em modelos claramente separados. Isso possibilita o uso de várias estratégias para a visualização de um conjunto de dados de 15 projeto, o que dá aos participantes de uma sessão de projeto colaborativo a flexibilidade de escolha individual de estratégia de visualização; - o controle de consistência entre semântica e visualização - uma questão particularmente importante em um ambiente de projeto onde coexistem múltiplas visualizações de cada projeto - também está incluído nas fundações do framework orientado a objetos implementado. Esse mecanismo é genérico o bastante para ser usado também pelas possíveis extensões do modelo de dados de projeto, uma vez que ele é baseado na inversão de controle entre a visualização e a semântica. A visualização recebe a intenção do usuário e propaga esse evento ao modelo da semântica, o qual avalia a possibilidade de uma mudança de estado. Se positivo, ele dispara a mudança de estado em ambos os modelos de visualização e semântica. A abordagem proposta nesta tese usa tal inversão de controle para incluir um nível adicional de processamento entre a semântica e a visualização, visando o controle de consistência nos casos de múltiplas visualizações; indisponibilidade de conexão entre elas; - o uso de objetos de proxy aumentou significativamente o nível de abstração da integração de recursos de automação de projeto, pois tanto ferramentas e serviços remotos quanto os instalados localmente são acessados através de chamadas de métodos em um objeto local. A conexão aos serviços e ferramentas remotos é obtida através de um protocolo de look-up, abstraíndo completamente a localização de tais recursos na rede e permitindo a adição e remoção em tempo de execução; - o CAD Framework foi implementato completamente usando a tecnologia Java, usando dessa forma a Java Virtual Machine como intermediário entre o sistema operacional e o CAD Framework, garantindo dessa forma a independência de plataforma. Todas as contribuições listadas anteriormente contribuiram com o aumento do nível de abstração da distribuição de recursos de automação de projeto e também apresentaram um novo paradigma para a interação remota entre projetistas. O CAD Framework no qual tais contribuições foram aplicadas é capaz de suportar colaboração de granularidade fina baseada em eventos, onde cada atualização feita por um projetista pode ser propagada para o restante da equipe, mesmo que estejam todos geograficamente distribuídos. Isto pode aumentar a sinergia de grupo entre os projetistas e permitir uma troca mais rica de experiências entre eles, aumentando significativamente o potencial de colaboração quando comparado com abordages baseadas em acesso a arquivos e registros propostas anteriormente. Três estudos de caso diferentes foram realizados para validar a abordagem proposta, cada um deles envolvendo um sub-conjunto das contribuições da presente tese. O primeiro utiliza a arquitetura de distribuição de recursos baseada em proxies para implementar uma plataforma de prototipação usando módulos de hardware reconfigurável. O segundo estende as fundações do framework orientado a objetos visando suportar projeto baseado em interfaces. Essas extensões - primitivas de representação de projeto e partes de ferramentas - são usadas na implementação de uma ferramenta chamada IBlaDe, que permite a criação colaborativa de modelos funcionais e estruturais de sistemas integrados. O terceiro estudo de caso aborda a possibilidade de integração de metadados multimídia ao modelo de dados de projeto. Essa possibilidade é explorada no contexto de uma plataforma online de educação e treinamento.