Überdeckungskriterien auf Modellebene - Erfahrungsbericht -

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1 Überdeckugskriterie auf Modellebee - Erfahrugsbericht - Mirko Corad DaimlerChrysler AG DaimlerChrysler.com Sadegh Sadeghipour ITPower Cosultats Eileitug State-of-the-Art: Model Coverage Experimetelle Utersuchuge Lessos leared Zusammefassug ud Ausblick

2 1 Research & Techology Modell-basierte Etwicklug VehicleData DesiredSpeed km/h -> m/s 1/3. 2 DesiredSpeed DesiredSpeed DesiredOutTorqueSC VehicleSpeed SpeedCotroller VehicleSpeed max_overshoot_flag DesiredSpeed Watchdog1 Watchdog2 step_respose_ flag VehicleSpeed step_respose_flag DesiredSpeed VehicleSpeed DesiredOutTorqueDC 1/ T_Ab_100(v) v_act [m/s] ActualSpeed T_Ab_70(v) 1/70 phi_accpedal [%] phi_accpedal [%] 2 Demux PedalPositios phi_brakepedal[%] u>=pedalthreshold 2000/100 Simulik Subsystem Mux f(u) selectio T_des_Ab [Nm] Mux 1 T_des_Brake [Nm] DesiredTorques_Drv 2 PedalFlags 2 TargetData DriverWarig 3 TargetData DriverWarig 6 DistaceFactor DR 6 DistaceFactor DR DistaceCotroller u==active CCS_flag 5 CotrolLever SystemState CotrolLever 4 BrakePedal DesiredSpeedIit PedalFlags DesiredSpeed iit() 3 DesiredOutTorque DesiredSpeed Driver Settig Desired Torques DesiredOutTorqueCCS DesiredSpeed Icrease DesiredSpeed icrease() DesiredSpeed VehicleSpeed Decrease m/s -> km/h 3.6 DesiredSpeed decrease() TempomatCtrl Modell-basiertes Desig mit Blockschaltbildsimulatore wie Simulik/Stateflow erstellte ausführbare Spezifikatioe, d.h. Fuktiosblock-orietierte, berechugskausale mathematische Modelle Komplexitätsbeherrschug durch hierarchisch strukturierte Modularität (Dekompositio i Subsysteme) Stateflow Subsystem RIC/SM - M. Corad / S. Sadeghipour

3 Research & Techology Modell-basierter Test Die Modell-basierte Etwicklug ermöglicht ud erfordert zugleich eue Heragehesweise a de Softwaretest. Nutzug des ausführbare Modells als zusätzliche, reichhaltige Iformatiosquelle für de Test: Modell als Testobjekt (Modelltest / MiL) Modell als Testbasis für die Ermittlug der Testszearie Wiederverwedug der Testszearie aus Modelltest (MiL SiL PiL HiL) Modell als Testorakel Modell als Basis für strukturorietierte Überdeckugsmessuge (Model Coverage) Modell-basierter Test mit der Modell-basierte Etwicklug eg verzahter Testprozess, der eie Kombiatio uterschiedlicher, sich gut ergäzeder Testmethode umfasst ud dabei das ausführbare Modell als reichhaltige Iformatiosquelle für de Test beutzt. RIC/SM - M. Corad / S. Sadeghipour

4 Research & Techology State-of-the-Art: Model Coverage Kompoete verschiedeer Simulatios/Modellierugswerkzeuge Statemate Coverage Tool ObjectGEODE TestComposer IAR Visual State Dyamic Aalysis Tool Test RealTime / Rose RealTime itegratio Statecharts SDL Statecharts Statecharts Reactis Simulator / Tester Beaco Tester (AUTT) Simulik / Stateflow Model Coverage Tool Blockdiagramme / Statecharts Blockdiagramme / Statecharts Blockdiagramme / Statecharts RIC/SM - M. Corad / S. Sadeghipour

5 Research & Techology State-of-the-Art: Commercial Model Coverage Tools for Simulik/Stateflow (Oct. 2002) Reactis Simulator / Tester Reactive Systems Ic. test vector geeratio for structural coverage 2 coverage metrics for SL models / 3 coverage metrics for SF models Beaco Tester Applied Dyamics Iteratioal test vector geeratio for structural coverage > 15 coverage / static aalysis metrics for SL/SF models Simulik / Stateflow Model Coverage Tool The MathWorks Ic. 4 coverage metrics for SL/SF models RIC/SM - M. Corad / S. Sadeghipour

6 Research & Techology State-of-the-Art: Reactis Simulator /Tester record how may of a give class of sytactic costructs that appear i a model have bee executed at least oce Simulik metrics: Coditioal subsystem coverage. A (coditioal) subsystem is deemed covered if has bee executed at least oce i some simulatio step. Brach coverage. Blocks iclude: switch, multiport switch, relatioal op., logical op., dead zoe, ad saturatio. Stateflow metrics: State coverage. which states have bee etered at least oce. Coditio actio coverage. which trasitio segmets have had their coditio actios executed at least oce. Trasitio actio coverage. which trasitio segmets have had their trasitio actios executed at least oce. RIC/SM - M. Corad / S. Sadeghipour

7 Research & Techology State-of-the-Art: Beaco Tester (1) exhaustively aalyse ad examie the coverage of the software architecture Path-Related (Structural Coverages) Structured Path Coverage Modified Coditio / Decisio Coverage Decisio (Brach) Coverage Statemet Coverage Boudary Value Aalysis (arithmetic comparisos) Value-Related Stressig (Numerical Coverages) Iput Rage Stressig Output Rage Stressig TableDataAccess Iterface-Related Stub Hierarchy Coverage Ilied Hierarchy Coverage RIC/SM - M. Corad / S. Sadeghipour

8 Research & Techology State-of-the-Art: Beaco Tester (2) Static Aalysis Metrics McCabe Cylcomatic Complexity Metric (Stadard / Modified) Predicate Equatio Productio for Cotrol Paths Cotrol Path Eumeratio Data Item Listig with Usage Iformatio Vertical Output Couplig Aalysis Supremum Rage Aalysis Supremum Scalig Aalysis RIC/SM - M. Corad / S. Sadeghipour

9 Research & Techology State-of-the-Art: Simulik/Stateflow Model Coverage Tool SL/SF Model Coverage Tool part of the Simulik performace tools available sice advet of Matlab R12 (2000) 4 differet coverage metrics for SL/SF models Decisio Coverage (D1) 1) 2) 3) Coditio Coverage (C1) 1) 3) MCDC Coverage (MCDC) 1) 3) Look-up Table Coverage (LUT) 1) 1) for selected SL blocks 2) for SF states 3) for SF trasitios: RIC/SM - M. Corad / S. Sadeghipour

10 Research & Techology Simulik/Stateflow Model Coverage Tool Decisio Coverage (D1) Examies items that represet decisio poits i a model, such as the Switch blocks ad Stateflow states. For each item, decisio coverage determies the percetage of the total umber of simulatio paths through the item that the simulatio actually traverse Decisio DecisioCoverage Path A I 1 Cotrol I 2 Path B Switch Switch Pass through I1 whe Cotrol Threshold; otherwise, pass through I2 RIC/SM - M. Corad / S. Sadeghipour

11 Research & Techology Simulik/Stateflow Model Coverage Tool Coditio Coverage (C1) Examies blocks that output the logical combiatio of their iputs, e.g., the Logic block, ad Stateflow trasitios. A test case achieves full coverage if it causes each iput to each istace of a logic block i the model ad each coditio o a trasitio to be true at least oce durig the simulatio ad false at least oce durig the simulatio. Coditio CoditioCoverage Coverage I 1 : true /false I 1 I 2 I 2 : true /false AND Logical Operator RIC/SM - M. Corad / S. Sadeghipour

12 Research & Techology Simulik/Stateflow Model Coverage Tool Modified Coditio/Decisio Coverage (MCDC) Bei diesem Überdeckugskriterium wird die Abhägigkeit des logische Gesamtausdrucks vo de eizele Eigabe gemesse. Durch Variatio der eizele Eigabevariable bei festgehaltee adere Eigabe soll der Wahrheitswert des Gesamtausdrucks eimal wechsel: Gegebe Eigabe i 1,.. i Das Kriterium ist zu 100 % erfüllt, we es zu jedem i k Beleguge i 1k,.. i k gibt, so dass allei die Variatio vo i k de Gesamtwert vo falsch zu wahr wechsel lässt. RIC/SM - M. Corad / S. Sadeghipour

13 Research & Techology Simulik/Stateflow Model Coverage Tool Look-Up Table Coverage (LUT) Examies blocks, such as the 1D Look-Up block, that output the result of lookig up oe or more iputs i a table of iputs ad outputs, iterpolatig betwee or extrapolatig from table etries as ecessary. Lookup table coverage records the frequecy that table lookups use each iterpolatio iterval. A test case achieves full coverage if it executes each iterpolatio ad extrapolatio iterval at least oce. RIC/SM - M. Corad / S. Sadeghipour

14 Research & Techology Experimetelle Utersuchuge - Fragestelluge (1) Läßt sich aus vorhadee Model Coverage Messuge die zu erwartede Code Coverage abschätze?? > MCov = CCov CCov = f(mcov) < Welche Kriterie stehe miteiader i Beziehug?? MCov D1 C1 MCDC TBL CCov C0 C1 D1... Subsumatio verschiedeer Modellüberdeckugskriterie? D1 > C1 etc. RIC/SM - M. Corad / S. Sadeghipour

15 Research & Techology Experimetelle Utersuchuge - Fragestelluge (2) Grüde für Uterschiede zw. Model- ud CodeCoverage... verschiedee Implemetieruge ei ud desselbe Modellelemets Optimieruge des Codegeerators RIC/SM - M. Corad / S. Sadeghipour

16 Research & Techology Experimetelle Utersuchuge - Überblick Modellüberdeckugsmessug (SL/SF Model Coverage Tool, MTest) Testszeario Testszeario Modelltest Modelltest / / Model-i-the-loop Model-i-the-loop Testobjekt als ausführbares Modell Automatische Codegeerierug (TargetLik) Systemreaktio Systemreaktio Black-Box Testszearie Zufällige Testszearie Softwaretest Softwaretest / / Software-i-the-loop Software-i-the-loop Testobjekt als C-Code Codeüberdeckugsmessug (TESSY) Systemreaktio Systemreaktio RIC/SM - M. Corad / S. Sadeghipour

17 Research & Techology Experimetally determied model ad code coverage (summary) Test Object Subsystem 1 Subsystem 2 Subsystem 3 Test Model Coverage [%] Code Coverage [%] D1 C1 C0 C1 Σ Test Scearios Black-box Test # Σ Test Scearios Black-box Test # Σ Test Scearios Black-box Test # Σ Test Scearios Black-box Test # Σ Black-box Tests Σ Test Scearios Radom Test Σ Total Σ Test Scearios Black-box Test # Σ Test Scearios Black-box Test # Σ Black-box Tests Σ Test Scearios Radom Test Σ Total Σ Test Scearios Black-box Test # Σ Black-box Tests Σ Total RIC/SM - M. Corad / S. Sadeghipour

18 Research & Techology Correlatio betwee model ad code coverage calculated correlatio betwee D1 ad C1 is betwee D1 ad C % (takig the idividual scearios ito 90% accout) 80% close statistical iterrelatio betwee D1 coverage at model level ad C1 or C0 coverage at code level Code Coverage (C0/C1) 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% CCov-C0 CCov-C1 0% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100 % Model Coverage (D1) RIC/SM - M. Corad / S. Sadeghipour

19 Research & Techology Subsumatio Relatiosships Subsumatio 100% 90% 80% 70% Cov 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% MCov-C1 MCov-D1 MCov-MCDC RIC/SM - M. Corad / S. Sadeghipour

20 Research & Techology Simulik/Stateflow Model Coverage Tool Berücksichtigte Modellelemete uterschiedliche Modellelemete für die eizele Coverage-Kriterie uterschiedliche Modellelemete i de eizele Werkzeugversioe keie tool-uabhägige Beschreibug der Kriterie Erschwerte Vergleichbarkeit durch Versios- ud Werkzeugabhägigkeit Block Decisio Coditio MC/DC LUT 1D Look-Up 2D Look-Up Abs Combi. Logic For If Logic MiMax Multiport Switch Relay Saturatio Subsystem Switch SwitchCase While Matlab R12.1 RIC/SM - M. Corad / S. Sadeghipour

21 Research & Techology Lessos leared (1) Die Modell-Überdeckugsmetrike des SL/SF Model Coverage Tools sid überwieged kotrollfluss-orietiert (Ausahme LUT coverage) Währed die gägige Code-Coverage-Kriterie allgemeier Natur (d.h. werkzeuguabhägig defiiert) sid ud auf verschiedee imperative Programmiersprache der 3. Geeratio awedbar sid, sid die durch das Model Coverage Tool bestimmbare Überdeckugsmaße eher toolspezifisch Die vier durch das Model Coverage Tool bereitgestellte Überdeckugskriterie habe teilweise deutlich uterschiedliche 'Bemessugsgrudlage. Die breiteste Bemessugsgrudlage hat das Decisio Coverage. Diese Tatsache erschwert die Vergleichbarkeit der eizele Model Coverage Maße utereiader. Die uterschiedliche Modell-Überdeckugskriterie erlaubte adererseits eie differeziertere Betrachtug der Modell-Überdeckuge: Decisio Coverage (D1) ermöglicht eie erste Eidruck über die Güte der Tests hisichtlich der Modell- Überdeckug. Die weitere Metrike köe da zur Ermittlug der Ursache fehleder Überdeckuge heragezoge werde. RIC/SM - M. Corad / S. Sadeghipour

22 Research & Techology Lessos leared (2) Die mittels Black-box-Tests erreichte Modellüberdeckugsgrade liege i der Größeordug vergleichbarer Code-Überdeckuge Durch Zufallstests wurde ur gerige Überdeckugsgrade erreicht, jedoch truge sie zur Erhöhug der Gesamtüberdeckug bei. Die erreichte Modell-Überdeckug für ei- ud deselbe Testlauf hägt vo der gewählte Simulatiosschrittweite ab. Es ist deshalb darauf zu achte, dass Modell ud Code mit der gleiche Schrittweite ausgeführt werde. Das selbe trifft auch auf de Solver zu. Wird er beim Übergag zum Code geädert, so ka dadurch die Überdeckug empfidlich abweiche. I de Experimete ergab sich ei starker statistischer Zusammehag zwische D1-Modellüberdeckug ud C0/C1-Codeüberdeckug. Uter de gegebee Radbediguge ka also die C1-Code-Überdeckug durch die D1-Modell-Überdeckug ageähert werde. Die D1-Modell-Überdeckug erlaubt hier eie Abschätzug der zu erwartede C1-Code-Überdeckug. RIC/SM - M. Corad / S. Sadeghipour

23 Research & Techology Lessos leared (3) Der exakte mathematische Zusammehag variiert i Abhägigkeit vo de bei der Codegeerierug verwedete Übersetzugsalgorithme. So köe uterschiedliche Codegeeratore bzw. uterschiedliche Codegeeratoreistelluge zu uterschiedliche Umsetzuge ei ud des selbe Modellteils ud damit poteziell zu uterschiedliche Überdeckuge führe. Ebeso erscheit es möglich, dass durch Optimieruge des Codegeerators bestimmte im Modell vorhadee Zweige 'wegoptimiert' werde. Eie Nichtüberdeckug dieser Zweige im Modell würde da im Code icht mehr auftrete. RIC/SM - M. Corad / S. Sadeghipour

24 Research & Techology Zusammefassug ud Ausblick (1) Die Modell-basierte Etwicklug ermöglicht, dass ebe de verbreitete strukturorietierte Überdeckugsmaße auf Code-Ebee auch Strukturtestkriterie auf Modell-Ebee ermittelt ud i die Steuerug ud Bewertug des Testprozesses eifließe köe. Diese Überdeckugsmaße köe bereits frühzeitig im Etwicklugs- ud Testprozess, d.h. bevor C-Code vorhade ist, erhobe werde. Die Modell-Überdeckug ka währed der Durchführug der (fuktioale) Modelltests im Hitergrud erhobe werde. Der Tester ka durch eie grobe Aalyse der erzeugte Coverage-Reports feststelle, welche Modellteile icht geprüft wurde. Zur Abdeckug der zugehörige Fuktioalitäte müsse da eue Testsequeze erstellt werde. Es existiere vergleichbare Modell- ud Code-Überdeckugsmaße. Die Korrelatio zwische diese Maße hägt vo der Art der (mauelle oder automatische) Umsetzug des Modells i Code sowie vo de verwedete Simulatiosparameter ab. RIC/SM - M. Corad / S. Sadeghipour

25 Research & Techology Zusammefassug ud Ausblick (2) Zu erreichede Modell-Überdeckuge köe (ebe adere Kriterie) zur Steuerug des Testumfags ud als (otwediges) Testedekriterium für de fuktioale Modelltest verwedet werde. Uter bestimmte Umstäde erlaube sie eie Abschätzug der zu erwartede Code-Überdeckug ud köe zuküftig für die mittels Codegeeratore erzeugte Programmteile möglicherweise bestimmte Strukturtestkriterie auf Code-Ebee ersetze. Ziel weiterer Utersuchuge sollte es sei, die aus dem klassische Software-Test bekate effektive Teststrategie a die Besoderheite des Modell-basierte Tests ud der Möglichkeit der Erhebug vo Strukturtestkriterie auf Modell-Ebee azupasse. I diese effektive Teststrategie für de Modell-basierte Test sollte auch euere Etwickluge im Bereich der Verifikatios- ud Testwerkzeuge eifließe. Bspw. köte mit Model-Checker ud evolutioäre Algorithme automatisiert Testdate zur Erreichug bisher icht überdeckter Modell- oder Codeteile ermittelt bzw. die Nichterreichbarkeit bestimmter Strukturelemete utermauert oder gar bewiese werde. RIC/SM - M. Corad / S. Sadeghipour

26 Research & Techology Ausblick - Effektive Teststrategie Modell-basierter Test Fuktiostest Moitorig % Strukturtest Modelltest Modellüberdeckugsmessug Modelltest Software-Test? Sigalvergleich geprüft Test des Eigebettete Systems RIC/SM - M. Corad / S. Sadeghipour

27 Research & Techology Literatur Model Coverage /Ald02/ W. J. Aldrich: Usig Model Coverage Aalysis to Improve the Cotrols Developmet Process. Proc. of AIAA Modelig ad Simulatio Techologies Coferece ad Exhibit, Moterey, USA, 2002 /CS02/ M. Corad, S. Sadeghipour: Eisatz vo Überdeckugskriterie auf Modellebee Erfahrugsbericht ud experimetelle Ergebisse. Softwaretechik-Treds 22:2, S. 1-6, Mai 2002 RIC/SM - M. Corad / S. Sadeghipour

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