Mehr Effizienz durch skalierbare und selbst-adaptierende automatische Softwareentwicklungsprozesse. 2. Raumfahrttechnologietage 2003

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1 Mehr Effizienz durch skalierbare und selbst-adaptierende automatische Softwareentwicklungsprozesse Rainer Gerlich BSSE System and Software Engineering 2. Raumfahrttechnologietage 2003 DLR, Bonn, November 2003 Dr. Rainer Gerlich Tel. +49/7545/ Auf dem Ruhbühl 181 Fax +49/7545/ Immenstaad Mobil +49/171/ Germany Copyright Dr. Rainer Gerlich BSSE System and Software Engineering 2003 All Rights Reserved

2 Inhalt Automatische Software Produktion Prozessoptimierung 2

3 Automatische Software Produktion 3

4 Begriffsklärung Automation Teil- vs. Vollautomatisierung Teilautomatisierung z nur einzelne Schritte automatisiert, noch hoher manueller Aufwand z ~ 1:1 Umsetzung Grafik in Quellcode z Testausführung, aber keine Testfallerzeugung z V&V kaum abgedeckt Vollautomation z Umsetzung von systemtechnischen Anforderungen in ausführbare Software mit Test, V&V ohne Softwarekenntnisse z automatische Testfallerzeugung und Testdurchführung z fache Produktivitätssteigerung z hohe und gleichbleibende Qualität (x100) z kurze Entwicklungszyklen 4

5 State-Of-The-Art ASaP Improvements z Productivity: 1 man-hour LOC z Bug Rate typical: 10-2 / LOC very good: 10-3 / LOC N.E.Fenton, 2000 Automated Software Production and Test (ASaP) z Productivity 1 PC-hour 16, ,600,000 LOC man-years (my) 1600 mh/my 10 LOC / mh z Bug Rate / LOC 5

6 Ergebnisse bei Einsatz von Automation verteiltes Echtzeitsystem (Material Science Laboratory, ISS) z innerhalb 5 Minuten Äquivalent von ca. 5 Mann-Jahren (MJ) z 80,000 LOC (Gesamtgröße: 200,000 LOC) verteilte, synchronisierte Datenbank z innerhalb 5 Minuten Äquivalent von etwa 1 MJ + z 16,000 LOC und mehr Operationen auf Datentypen, Schnittstellen etc. z innerhalb 1 Minute Äquivalent von etwa 2 MJ ca. 100 MJ pro PC-Stunde 6

7 Examples (PC-800MHz) distributed real-time systems z two processor system (space), z 16-processor system (nuclear power plant), data processing z distributed synchronised database, ~ 600 Items 10 minutes 10 minutes 10 minutes z telecommanding, data acquisition to telemetry frame generation interfaces z language adaption, ~600 functions, 3 minutes stack alignment, parameter and type transformation z GUIs from type definitions some seconds to minutes complementary functionality z training facility for library, 600 functions, 4000 files, 3 minutes documentation z 1500 graphics, 500 pages, RTF, 10 minutes z automated merge with additional user descriptions 7

8 Incremental System Development Cycle of ASaP Structural & Behavioural Refinements User Inputs ASaP Software Utilities Templates Libraries Experience Functional Refinements Automated Production Host/Target Source Code Environment + Organsiation Visualisation of Properties Executable Distributed Code Automated Distribution Automated Execution Automated Reporting Feedback Result Evaluation User Interaction Automation 8

9 Historie ESTEC Anforderungen 1992 z frühzeitige System- / Entwurfsvalidierung embedded Systems z Minimierung Entwicklungsrisiko für neue Architekturen z deep space... z funktional, Performance, Exception Handling Stufe 1: Übungsphase Zuverlässigkeit z TRP-Studien basierend auf Simulation und weitere Arbeiten z Ergebnis: Simulation nicht hilfreich bei dieser Art von Software z geringer Aufwand nicht genügend repräsentativ z hoher Aufwand repräsentativ, aber kein Vorteil Stufe 2: Optimierungsphase Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit z Einsatz in realen Projekten, Feedback, Benchmarking 9

10 Optimierungsphase Problem Technologieoptimierung z repräsentative Umgebung notwendig: Druck wie im realen Projekt z aber: Projektleiter scheuen Risiko für neue Technologie z fehlender Marktdruck: Einführung und Optimierung sehr schwierig auch bei Raumfahrt-Prime BSSE Lösung z Kombination: Technologie und Projekte in einer Hand z kurze Innovationszyklen z großer Fortschritt durch kleine Schritte Technology Transfer Programme (TTP) z mehr Projekte als in Raumfahrt, Diversifizierung z sichtbarer Fortschritt z möglicherweise Rücktransfer in Raumfahrt 10

11 Anwendungsbereiche Anfang in Raumfahrt z höhere Zuverlässigkeit z höhere Kosten akzeptiert z zusätzliche Entwicklungszeit akzeptiert z Erwartung: Einsparung durch weniger Fehlschläge aktueller Status z höhere Zuverlässigkeit z niedrigere Kosten z kürzere Entwicklungszeit Anwendungsbereiche z Anfang mit embedded systems z allmähliche Erschließung weiterer Bereiche z vollständige Testautomation für legacy software z automatische Portierung von legacy software z GUIs, Interfaceanpassungen, Bridging 11

12 Abstraktion der Vorgehensweise Automatische Software Produktion, Test, V&V ASaP z Umsetzung von systemtechnischen Anforderungen z Ergebnis: korrekte Software mit nachweisbaren Eigenschaften Abstraktion z Brücken bauen zwischen verschiedenen Welten z Welt des Anforderers (z.b. Systemingenieur) z Ziel des Anforderers (z.b. Software) z Anforderer kann Ziel erreichen, ohne Kenntnisse über Umsetzung zu benötigen Vorteile z weniger Risiko z kurze Zyklen z höhere Qualität durch reproduzierbaren Produktionsprozess z geringere Kosten 12

13 Embedded Systems Anwendungsbeispiele (1/2) z MSL / ISS: Material Science Laboratory z CADIS: verteiltes, fehlertolerantes System (Telekommunikation) z CS3: Energietechnik (KKW) Algorithmen z Typ-Hierarchiebaum Template alle benötigten Instanzen für alle Typen Adaptierung z Interpreter C z Funktionale Interfaces Traningsumgebung z Datenformate (Ground Segment) Benutzeroberflächen / GUIs 13

14 Anwendungsbeispiele (2/2) Medizintechnik z Verifikationsverfahren (Testfallerzeugung, fault injection) z skalierbare Systeme Datenbanken z Abdeckung aller SQL-Komponenten + GUI Systemauslegung z Kleinserien: kundenspezifische Anforderungen umsetzen z kleine Betriebe: Auslegung komplexerer Systeme ermöglichen Portierung z PDP / PEARL SPS oder C z Ada C 14

15 Inputs in User Notation and Derived Output (MSL Database) Name of Signal Data Type Input Range Physical Range Acqui. Rate HW Module Calibration Type CFDdrive_pot REAL V mm 100 ASM F1 FctASM1_Std CFDrot_pot1 REAL V ASM F1 FctASM1_Std CFDrot_pot2 REAL V ASM F1 FctASM1_Std CF_reg_v_pot REAL V ASM F1 FctASM1_Std GS_press_low REAL V 0-2 bar abs. 10 ASM F1 FctASM1_Std CFVpenn_chamb REAL V 1.e mbar 1 ASM F1 FctASM1_Pressure VGSpenning_ms REAL V 1.e mbar 1 ASM F1 FctASM1_Pressure T_database_entry MSL_db_desc[]={ { /* address in DB */ (int*)&msl_db.lrt_hk_a1.cfddrive_pot, /* offset in DB */ (int)cfddrive_potdboff, /* #samples */ 100, /* size of data type */ sizeof(real32), /* id of type */ 7, /* copy DB data */ 0, /* calibration function */ {(int*)fctasm1_std_cfddrive_pot, /* supervision structure */ { /* SV function */ (int*)&limchckreal32, /* limit definitions */ CFDdrive_pot_suarr, } }, /* post-processing function */ {(int*)null} }, 15

16 Automated Generation of Database-Software (MSL/ISS) Hardware Interface Sensors Actuators Boards and Modules Firmware Software from Spreadsheet Memory-Mapped I/O Data Acquisition System Processing Calibration Limit Monitoring Database Software from Spreadsheet Post-Processing Telemetry Handling Ground Control Telecommanding Software from Spreadsheet 16

17 Prozessoptimierung 17

18 Example: Distributed Real-Time System (MSL / ISS) Peripherals Ultrasonic Device Waterpump package Pyrometer Seebeck measure. unit Mass Spectromet er Magnetic Field Generator TMP MIL-Bus 2 x Sparc embedded (ESA SPLC) MILbus ( RTU ) SPLC 5 x RS422 MIL-Bus M- Mod. on Dig. I/O (BC) analogue in digital in/out temp. TC in heaters 5 x RS422 SPLC MIL-Bus M-Mod. (RTU) FCU PSU MIL-bus 18

19 skalierbar in der Zeit Skalierbare Produktionsprozesse z die Generierungszeit hängt nur von der Generierungsplattform ab z Maß für den Grad der Automatisierung z ASaP 2000: UltraSparc 140 z ASaP 2003: PC-2.5GHz skalierbar in Menge und Komplexität ca. 2 Stunden ca. 5 Minuten z alle (Kunden-) Anforderungen können umgesetzt werden z die Systemkomplexität erhöht sich ggf. um mehrere Größenordnungen z Aufwand und Komplexität für den Anwender wachsen nicht oder nur gering 19

20 Configuration Options: Distributed RT System Principal Configuration Options of a Distributed / Real-Time System Process1 behaviour functionality performance data flow messages inter-process communication Process2 behaviour functionality performance intra-process communication intra-process communication Intra-Process Activities Finite State Machines synchronous processing asynchronous / sporadic processing time-out exception handling Distribution Mapping Process - Processor Communication Channels Topology Fault Tolerance OS 20

21 Complexity: No Problem! within 10 minutes (code + documentation + V&V) from scratch / spreadsheet 21

22 Selbst-Adaptierende Produktionsprozesse Umsetzung von Produktionsanforderungen z Systemstruktur gemäß Anforderung z Umsetzung anwenderdefinierter (unbestimmter) Mengen wie Messages, Commands, States, Prozessen, Netzwerkstruktur Adaptierung der Test-, Verifikations- und Validierungsumgebung z Test- und Fehlerfälle generieren für kundenspezifische Konfiguration z Berichte über Systemeigenschaften spezifisch erstellen z spezifisches Endergebnis dokumentieren z generische Verifikations- und Validierungsverfahren 22

23 Verfahrensansatz automatische Produktion als Ziel Organisation z Produktionsprozess, Test, V&V z Überwindung plattformspezifischer Hindernisse Systemcompiler z Compiler höherer Abstraktion z syntaktische Prüfungen z semantische Prüfungen z Instrumentierung 23

24 Zusammenfassung höhere und gleichbleibende Qualität bei niedrigen Kosten z ca x niedrigere Fehlerrate z ca. 10 x höhere Produktivität z bis zu 1,000,000 LOC pro PC-h 50 Mann-Jahre in einer Stunde Skalierbarkeit und Anpassungsfähigkeit der Produktionsprozesse z kundenspezifische Produktionsanforderungen z Verifikation und Validierung der Systemeigenschaften anpassungsfähig hinsichtlich Anwendungsbereichen z nutzbar in den verschiedensten Bereichen Raumfahrt, Telekommunikation, Medizintechik, Energietechnik, Automatisierungstechnik, Systemkomponenten 24

25 Das Potenzial von ASaP Risiken Kostendruck Termindruck Qualitätsmängel Kundenanforderungen Kundensysteme Kundensoftware Rationalisierungspotenzi ale ASaP Technologie Know-how Produkte adaptierte Produkte Systeme Testumgebung Dokumentation automatisch erstellt automatisch getestet sofort verfügbar fehlertolerant robust Produktivität x Qualität x

26 Ansprechpartner Dr. Rainer Gerlich Tel. +49/7545/ Auf dem Ruhbühl 181 Fax +49/7545/ Immenstaad Mobil +49/171/ Germany Status: February 2003 Copyright Dr. Rainer Gerlich BSSE System and Software Engineering 2003 All Rights Reserved 26