Funktionale Sicherheit in Automotive und Avionik: Ein Staffellauf
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- Erwin Roland Weiß
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1 Funktionale Sicherheit in Automotive und Avionik: Ein Staffellauf Andreas Schwierz, Georg Seifert und Sebastian Hiergeist Andreas Schwierz 1
2 Historischer Verlauf DO-178A ARP-4754 /-4761 DO-254 ISO Jahr der Erstveröffentlichung A Andreas Schwierz 2
3 Motivation Entwicklung künftiger zulassbarer sicherheitskritischer Avionik? Funktionale/Technische Leistungsanforderungen steigen Verfügbarkeit von Recheneinheiten für bewährte Systemarchitekturen sinkt Technologiewechsel zu komplexen MCUs findet statt Andreas Schwierz 3
4 Ziel: Nutzbarmachung dieser Technologie für sicherheitskritische Avionik Avionik-Entwicklung Bewertung der COTS- Entwicklungsqualität COTS-Zusicherung Verifikationsmethoden der WCET Realisierung einer Redundanzarchitektur Andreas Schwierz 4
5 Forschungsziele Bewertung der COTS-Entwicklungsqualität Entwicklungsqualität Automotive/Avionik Realisierung einer Redundanzarchitektur Redundanznetzwerk mit MCU-Mittel Verifikationsmethoden der WCET CPU und DMA zur effizienten E/A-Datenverarbeitung Andreas Schwierz 5
6 Forschungsziele Bewertung der COTS-Entwicklungsqualität Entwicklungsqualität Automotive/Avionik Realisierung einer Redundanzarchitektur Redundanznetzwerk mit MCU-Mittel Verifikationsmethoden der WCET CPU und DMA zur effizienten E/A-Datenverarbeitung Andreas Schwierz 6
7 Motivation Zulassungsbehörde fordert diese Ansätze für komplexe Hardware- Komponenten: Verifikation und Redundanz ersetzt dies nicht Systematische Fehler können durch einen disziplinierten und strukturierten Entwicklungsprozess vermieden werden DO-254? ISO Andreas Schwierz 7
8 Herausforderung Domänenspezifische Standards unterscheiden sich in Struktur und Nomenklatur Aktualität und Realisierungsdetails Zulassungsbehörde erweitert die relevanten Standards um Handlungsempfehlungen und konkretisiert die Anwendbarkeit. Dies steigert den Umfang des Vergleichs Andreas Schwierz 8
9 Herausforderung Evaluierung der gewonnen Erkenntnisse Because we cannot demonstrate how well we have done, we will show how hard we have tried. (John Rushby, 2006) Andreas Schwierz 9
10 Zwischenfazit Konzept für den Domänen-Standard-Vergleich aufgestellt Aktuell laufend: Befüllen der Vergleichsmatrix und Definition eines qualitativen Bewertungsschema Initiierung eines Kooperation zwischen TÜV Süd und EASA Weiteres Vorgehen: Darstellung der Vergleichsergebnisse zur Verwertung innerhalb des Zulassungsverfahrens Andreas Schwierz 10
11 Forschungsziele Bewertung der COTS-Entwicklungsqualität Entwicklungsqualität Automotive/Avionik Realisierung einer Redundanzarchitektur Redundanznetzwerk mit MCU-Mittel Verifikationsmethoden der WCET CPU und DMA zur effizienten E/A-Datenverarbeitung Andreas Schwierz 11
12 Motivation Wiederverwendung bewährter Redundanzarchitektur basierend auf proprietären NEs Ansatz für künftige UAV- Anwendungen ungeeignet Sensoren Sensoren Sensoren MPU in NE out Aktoren MPU in NE out Aktoren MPU in NE out Aktoren Sensoren in MCU out Aktoren Integration des Redundanznetzwerkes in MCUs Sensoren Sensoren in MCU out Aktoren in MCU out Aktoren Andreas Schwierz 12
13 Herausforderungen Synchroner Betrieb Datenkonsolidierung Rückwirkungsfreiheit Anforderungen Technische Herausforderungen: - Rechenleistung des Redundanzansatzes - Untersuchung der Einflussfaktoren auf Synchronität Andreas Schwierz 13
14 Zwischenfazit Konzeption und Aufbau der Netzwerkarchitektur abgeschlossen Aktuell laufend: Bewertungsschema für Auswahl eines Synchronisations-Algorithmus Anregungen aus der Luftfahrtindustrie Weitere Steigerung des Vertrauens durch redundanten Einsatz nichtbaugleicher MCUs Ausschluss von Design-Fehlern Andreas Schwierz 14
15 Forschungsziele Bewertung der COTS-Entwicklungsqualität Entwicklungsqualität Automotive/Avionik Realisierung einer Redundanzarchitektur Redundanznetzwerk mit MCU-Mittel Verifikationsmethoden der WCET CPU und DMA zur effizienten E/A-Datenverarbeitung Andreas Schwierz 15
16 Motivation Betriebsstrategie: Ausschluss von gemeinsamen Ressourcen durch eingeschränkte Hardwarenutzung. DMA als synchroner Helfer. Grund: Verfügbare WCET-Analysen erlauben keinen DMA als asynchronen Helfer. Ausschluss von gemeinsam genutzte Ressourcen ist nicht mehr praktikabel: Nicht ausreichend Zwischenpuffer in MCU-EA-Controllern. CPU im Dauerstress. Anstieg des MCU-internen Datenaufkommens (z.b. Redundanznetzwerk) Neue Strategien: Erweiterung der statischen WCET-Analysen um DMA Andreas Schwierz 16
17 Herausforderungen CPU DMA Crossbar Switch Crossbar Switch Speicher EA EA EA Datenbuch Stichproben Integrität der WCET-Schätzung Andreas Schwierz 17
18 Herausforderungen Gemeinsame Ressource CPU Zwischensegment Gemeinsame Ressource Gemeinsame Ressource DMA Zwischensegment Gemeinsame Ressource Datenbuch Stichproben Modell Integrität der WCET-Schätzung Andreas Schwierz 18
19 Herausforderungen Gemeinsame Ressource CPU + Zugriffszeiten Zwischensegment + Zugriffsart Gemeinsame Ressource Gemeinsame Ressource DMA + Priorität Zwischensegment + Bandbreite Gemeinsame Ressource + Zugriffsart + Wortbreite Datenbuch Stichproben Modell Integrität der WCET-Schätzung Andreas Schwierz 19
20 Herausforderungen CPU DMA Crossbar Switch Crossbar Switch Speicher EA EA EA Datenbuch Stichproben Mikrobenchmarks Modell Integrität der WCET-Schätzung Andreas Schwierz 20
21 Herausforderungen CPU DMA Crossbar Switch Crossbar Switch Speicher EA EA EA Datenbuch Stichproben Mikrobenchmarks Modell Integrität der WCET-Schätzung Andreas Schwierz 21
22 Herausforderungen CPU DMA Crossbar Switch Crossbar Switch Speicher EA EA EA Datenbuch Stichproben Mikrobenchmarks Modell Integrität der WCET-Schätzung Andreas Schwierz 22
23 Herausforderungen CPU + Geschwindigkeit + Priorität + Zugriffszeiten DMA + Priorität + Zugriffszeiten Zwischensegment + Bandbreite + Verzug Zwischensegment + Bandbreite + Verzug Gemeinsame Ressource + Zugriffsart + Wortbreite + Häufigkeit Gemeinsame Ressource + Zugriffsart + Wortbreite + Häufigkeit Datenbuch Stichproben Modell Mikrobenchmarks Gemeinsame Ressource + Zugriffsart + Wortbreite + Häufigkeit Gemeinsame Ressource + Zugriffsart + Wortbreite + Häufigkeit Integrität der WCET-Schätzung Andreas Schwierz 23
24 Zwischenfazit Datenbuchanalyse abgeschlossen und Testinfrastruktur realisiert Aktuell laufend: Analyse des Systems mithilfe von Mikrobenchmarks Ableiten von Modellen der MCU-Kommunikationsarchitektur Weiteres Vorgehen: Modellvalidierung Andreas Schwierz 24
25 Resümee: Synergiepotentiale Gegenüberstellung der Entwicklungsanforderungen beider Domänen erlaubt wechselseitige Akzeptanz und hat Einfluss auf den MCU-Markt Fail-Operational-Systemverhalten autonomer Systeme bedarf einer redundanten, synchron arbeitenden Rechnerarchitektur Modelle der MCU-internen Kommunikation ermöglichen den DMA als effizienten asynchroner Helfer zu verwenden Andreas Schwierz 25
26 Resümee: Der Staffellauf DO-178A ARP-4754 /-4761 DO-254 ISO Jahr der Erstveröffentlichung A Autonome Systeme Andreas Schwierz 26
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