Modellbasierte Software- Entwicklung eingebetteter Systeme

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1 Modellbasierte Software- Entwicklung eingebetteter Systeme Prof. Dr. Holger Schlingloff Institut für Informatik der Humboldt Universität und Fraunhofer Institut für Rechnerarchitektur und Softwaretechnik

2 Folie 2 Goya? Agnes? Moodle? Ungefähre Struktur: Embedded Systems: HW, SW, Programmierung, Anforderungen, Softwareprozesse, Automotive SWE Modellierung und Codegenerierung - UML, OCL, etc. - Simulink Validierung, Verifikation, Testgenerierung, Testautomatisierung Architekturen: Sensorik, Bussysteme, OS, Middleware, Autosar,... Entwicklung sicherheitskritischer Systeme - Normen und Standards (ISO 26262, DO-178B) - Risiko- und Sicherheitsanalysen - Modellbasierte Entwicklung sicherheitsrelevanter Software - Fehlertoleranz - Werkzeugeinsatz und Toolqualifikation Spezialthemen: Design-Pattern, Security, Multicore,...

3 Folie 3 Literatur Marwedel: Eingebettete Systeme. Springer 2007 Berns, Schürmann, Trapp: Eingebettete Systeme: Systemgrundlagen und Entwicklung eingebetteter Software. Vieweg+Teubner 2010 Schäuffele, Zurawka: Automotive Software Engineering - Grundlagen, Prozesse, Methoden und Werkzeuge effizient einsetzen. Vieweg, 4. Aufl Klaus Bender: Embedded Systems - qualitätsorientierte Entwicklung. Springer 2005 Roßner, Brandes, Götz, Winter: Basiswissen modellbasierter Test. dpunkt Verlag 2010 Georg Thaller: Software Engineering für Echtzeit und Embedded Systems, BHV 1999

4 Folie 4 Definition eingebettetes System (engl.: embedded system) Ein System ist etwas Zusammengesetztes (also eigentlich alles, ein bedeutungsleeres Wort); speziell von Menschen Zusammengesetztes in unserem Kontext immer: Informatiksystem, also informationsverarbeitende Maschine eingebettet bedeutet: für einen spezifischen Zweck in einer technischen Umgebung entworfen, eingebaut und betrieben (Computer als Komponente eines technischen Systems) kennzeichnende Merkmale fester Bestandteil eines technischen Systems Zweckbestimmtheit (im Gegensatz zum Universalrechner) Interaktion mit Umgebung durch Sensorik und Aktuatorik Reaktivität, meistens Realzeitabhängigkeit sekundäre Merkmale oft für Regelungs- / Steuerungsaufgaben vorgesehen häufig Massenware, Konsumgut, billig ( Kommodität ) vielfach schlecht bzw. nicht wartbar und nicht erweiterbar für viele unverzichtbar, manchmal auch sicherheitskritisch zunehmend auch vernetzt (ubiquitär)

5 Folie 5 andere (schlechte) Definitionen Wikipedia Embedded Systems ist der englische Fachbegriff für eingebettete (Computer-) Systeme, die weitestgehend unsichtbar ihren Dienst in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen und Geräten versehen, wie z.b. in Flugzeugen, Autos, Kühlschränken, Fernsehern, DVD-Playern oder allgemein Geräten der Unterhaltungselektronik. Embedded Systems vereinigen daher durch ihre oftmals sehr hardwarenahe Konstruktion die große Flexibilität von Software mit der Leistungsfähigkeit der Hardware. Computer-Fachlexikon Computersystem, bestehend aus Hardware und Software, das Bestandteil eines anderen Geräts, beispielsweise einer Büromaschine, eines Fahrzeugs oder eines Haushaltsgeräts, ist und einem bestimmten Zweck dient V-Modell XT des Bundes Unter einem eingebetteten System versteht man ein System, das über Sensoren und Aktoren mit seiner physischen Umgebung interagiert. Ein Beispiel für ein eingebettetes System ist ein Mikrocontroller, der mit Hilfe seines Programms die Airbagauslösung im Kraftfahrzeug steuert.

6 Folie 6 Beispiele wie viele eingebettete Systeme gibt es wohl hier im Raum? mit wie vielen sind Sie gestern in Berührung gekommen?

7 Folie 7 CPS Karikatur: Marwedel

8 Folie 8 Marktbereiche Verkehrstechnik Planes, Trains & Automobiles... Motor/Triebwerkssteuerung, X-by-wire, Lagestabilisierung, Dynamikregelung, ABS, Insassenkomfort, Verkehrsleitsystem, Ampelsteuerung, Radarerfassung, Automatisierungs-, Produktions- und Umwelttechnik Kraftwerks- und Fabriksteuerungen, Emissionskontrolle, Robotik Energie- und Gebäudetechnik Heizungs-, Lichtsteuerung, intelligent home, smart grid Medizintechnik Patientensysteme, Behandlungsgeräte, Meß- und Diagnosegeräte Hausgerätetechnik Mikrowelle, Waschmaschine, Gasbrenner, Fernbedienung, Spielzeug, Büro- und Kommunikationstechnik Fax, Kopierer, Drucker, Funkmaus, Handy, Dect-Apparat, DSL-Modem, Vermittlungsrechner, (?)

9 Folie 9 SPES 2020

10 Folie 10 Marktrelevanz Eingebettete Systeme beanspruchen einen Marktanteil bei der Prozessor- Produktion von 98.2 %. Die restlichen 1.8% dienen dem Aufbau von interaktiven Systemen wie z. B. Laptops, Desktops und Servern 87,6% der gesamten Microcontroller-Jahresproduktion sind prä-win98-cpus, davon allein 57,6% 8-Bit-Prozessoren W. Schröder-Preikschat, zitiert Quelle: D. Tennenhouse. Proactive Computing. Communications of the ACM, 43(5):43 50, May 2000

11 Folie 11 prognostizierte Entwicklung Die Schere geht weiter auseinander bereits heute mehr eingebettete Systeme als Menschen auf der Welt Elektronik als Wegwerf-Artikel (z.b. RFID, Grusspostkarten) Ubiquitous Computing : Der allgegenwärtige Computer Brille mit Hörgerät Jacke mit eingebautem MP3-Spieler Uhr, GPS im Ärmel? sprechende Krawatten? SoC, System-on-Chip Smart Dust, Sensornetzwerke Intelligente autonome Systeme

12 Folie 12 Vision? Bilder: Marwedel, Dobelle Institute

13 Folie 13 Nationale Roadmap Hausaufgabe: lesen!

14 Folie 14 hohe Marktrelevanz 71 Mrd. Weltmarktvolumen 25-35% Wertanteil im Auto 10-20% FuE-Kostenanteil Querschnittstechnologie für alternde Gesellschaft nachhaltige Mobilität Sicherheit, Schutz Umwelt und Energie Wissensgesellschaft, Globalisierung, Urbanisierung Forschungsbedarfe!

15 Folie 15 Pause!

16 Folie 16 spezifische Problemstellungen fester Bestandteil eines technischen Systems Notwendigkeit des mechanischen Einbaus, oft in unmittelbarer Nähe der Umgebung (Hohlräume, Motorraum, Ölwanne, Reifeninneres) physikalische Belastungen, Platz- und Energieprobleme Zweckbestimmtheit Effizienz der Funktionserbringung, minimaler Ressourceneinsatz Systemschnittstellen liegen i.a. vorher fest, nicht definierbar Interaktion mit Umgebung durch Sensorik und Aktuatorik Kenntnis der Umgebung, Schnittstellenbeschreibung Sensor- und Aktuatorverhalten, mechanische Ungenauigkeiten Rückkopplungseffekte Ausfallproblematik Reaktivität, meistens Realzeitabhängigkeit Forderungen an Betriebssystem

17 Folie 17 weitere Problemstellungen oft für Regelungs- / Steuerungsaufgaben vorgesehen Interaktion Informatiker / Ingenieure häufig Massenware, Konsumgut, billig ( Kommodität ) Kostendruck für die Produktion (Optimierungen im Cent-Bereich) Ressourcenbeschränktheit (z.b. Verarbeitungsbreite, Energie) vielfach schlecht bzw. nicht wartbar und nicht erweiterbar Instandsetzungskosten höher als Produktionskosten keine Patches, alles muss beim ersten Mal richtig funktionieren Rückruf / Garantieleistung kann Firma ruinieren für viele unverzichtbar, manchmal auch sicherheitskritisch Verlässlichkeit, Verfügbarkeit, Wiederverwendbarkeit (RAM) Fehlertoleranz zunehmend auch vernetzt (ubiquitär) Synchronisationsprobleme, Feature Interaction

18 Folie 18 Realzeitsysteme meistens Realzeitabhängigkeit als kennzeichnendes Merkmal Begriffe eingebettetes System und Realzeitsystem werden manchmal gleichgesetzt umgangssprachlich in Echtzeit heißt die Transformation von Daten (Encoding/Decoding) erfolgt in der selben Geschwindigkeit wie der Dateneingang Hier allgemeinere Definition nicht nur korrekte, sondern auch zeitgerechte Erbringung einer Leistung ist wichtig nicht: möglichst schnell Definition nach DIN Ein Betrieb eines Rechensystems, bei dem Programme zur Verarbeitung anfallender Daten ständig betriebsbereit sind, derart, dass die Verarbeitungsergebnisse innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne verfügbar sind.

19 Zeitschranken innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne verfügbar bedeutet: obere und untere Schranke können garantiert werden Beispiel Ampel Wenn der Knopf gedrückt wird, schaltet die Ampel frühestens nach 10 s und spätestens nach 120 s Beispiel Antiblockiersystem Zeitkritikalität offensichtlich untere und obere Schranken für die Druckphase Regelbereich 10-1 s (langsam) Garbage collection? Multitasking? Caching? aus [Fränzle] H. Schlingloff, SS2011 modellbasierte Software-Entwicklung eingebetteter Systeme Folie 19

20 Folie 20 Prinzipieller Aufbau eines ES Interaktion mit der Umwelt über Sensoren und Aktuatoren (Aktoren) Gehäuse und Stecker AD- und DA-Wandler digitale Kommunikationsschnittstellen (Bussysteme, Displays) Prozessor (Flash-) Speicher (ROM)

21 Folie 21 MS Gadgeteer

22 Folie 22 Donnerstag: Thema 'Software-basierte eingebettete Systeme im Automobil 15:15-16:45, Fraunhofer FIRST Artikel zur Vorbereitung: Bruce Morey: Managing for software success. Automotive Engineering International, Aug 2006, pp