Di 6.3. Softwarefehler im All Qualitätssicherung bei missionskritischen Systemen. Hans-Joachim Popp
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- Johanna Heinrich
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1 Di 6.3 January 21-25, 2008, Munich, Germany ICM - International Congress Centre Munich Softwarefehler im All Qualitätssicherung bei missionskritischen Systemen Hans-Joachim Popp
2 Softwarefehler im All - Qualitätssicherung bei missionskritischen Systemen - Hans-Joachim Popp Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. Folie 1 > Inhalt Das DLR als Anwenderunternehmen. Historie der Softwareentwicklung in der Raumfahrt. Fehler und ihre Folgen: Beispiele. Software-Engineering bei kritischen Systemen am Beispiel des Projektes COROT. Fazit. Folie 2 > SW Engineering, H.-J. Popp
3 Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt Budget 1,2 Mrd (incl. Projektträger), 5100 MA erarbeitet wissenschaftliche Grundlagen, entwickelt neue Technologien, baut und betreibt Großversuchsanlagen, übernimmt Managementaufgaben in der Forschungsförderung, bildet wissenschaftlichen Nachwuchs aus, steuert seine Aktivitäten programmatisch über die Schwerpunkte: Raumfahrt Luftfahrt Energie Verkehr Budget für Softwareprojekte: ca. 130 Mio / p.a. Folie 3 > SW Engineering, H.-J. Popp Folie 4 > SW Engineering, H.-J. Popp
4 Inhalt Das DLR als Anwenderunternehmen. Historie der Softwareentwicklung in der Raumfahrt. Fehler und ihre Folgen: Beispiele. Software-Engineering bei kritischen Systemen am Beispiel von COROT. Fazit. Folie 5 > SW Engineering, H.-J. Popp Programmsteuerung Mariner 4, 1964 Folie 6 > SW Engineering, H.-J. Popp
5 Voyager 2, 1977 Folie 7 > SW Engineering, H.-J. Popp Bordrechner FDS, Voyager 2, 1977 Folie 8 > SW Engineering, H.-J. Popp
6 Inhalt Das DLR als Anwenderunternehmen. Historie der Softwareentwicklung in der Raumfahrt. Fehler und ihre Folgen: Beispiele. Software-Engineering bei kritischen Systemen am Beispiel von COROT. Fazit. Folie 9 > SW Engineering, H.-J. Popp Mehr Freiheit mehr Möglichkeiten mehr Fehler Schon in den 70er Jahren war es auch in den teuersten Software-Projekten (z.b. Apollo) nicht mehr möglich, fehlerarm zu arbeiten. Wahrnehmung der durch Software-Lösungen eingeführten Komplexität im Systems Engineering war über lange Zeit bei weitem zu gering. Umgang mit Softwarefehlern hieß: die eigenen mentalen Grenzen zu akzeptieren. Fehler bezogen sich nur selten auf die Kodierung, sondern vielmehr auf einen unvollständige beschriebenen Zustandsraum. Folie 10 > SW Engineering, H.-J. Popp
7 Ariane 5 Jungfernflug ein 900 Mio. Programmfehler 4. Juni 1996 Ariane 4 4. Juni 1996 Folie 11 > SW Engineering, H.-J. Popp Ariane 5 Jungfernflug ein 900 Mio. Programmfehler Von Ariane 4 übernommener Programmcode 4. Juni 1996 declare vertical_veloc_sensor: float; horizontal_veloc_sensor: float; vertical_veloc_bias: integer; horizontal_veloc_bias: integer;... begin declare pragma suppress(numeric_error, horizontal_veloc_bias); begin sensor_get(vertical_veloc_sensor); sensor_get(horizontal_veloc_sensor); vertical_veloc_bias := integer(vertical_veloc_sensor); horizontal_veloc_bias :=integer(horizontal_veloc_sensor);... exception when numeric_error => calculate_vertical_veloc(); when others => use_irs1(); end; end irs2; Ariane 4 Folie 12 > SW Engineering, H.-J. Popp
8 Mars Climate Orbiter Statt Meter/kg/Newton. Yards/Pfund/Pfund/sek. Folie 13 > SW Engineering, H.-J. Popp Mühlhausen Folie 14 > SW Engineering, H.-J. Popp
9 LH 2904 Warschau Folie 15 > SW Engineering, H.-J. Popp A 320: Zustandsdiagramm der Bremsvorrichtungen Folie 16 > SW Engineering, H.-J. Popp
10 Inhalt Das DLR als Anwenderunternehmen. Historie der Softwareentwicklung in der Raumfahrt. Fehler und ihre Folgen: Beispiele. Software-Engineering bei kritischen Systemen am Beispiel von VIRTIS und COROT. Fazit. Folie 17 > SW Engineering, H.-J. Popp VIRTIS (Visible and Infrared Thermal Imaging Spectrometer) Gewinnung von spektralen Bilddaten zur: - Untersuchung der niederen Venus Atmosphäre (z.b. Wolkenstruktur und Zusammensetzung) - Globale Kartierung der Venusoberfläche (z.b. Temperatur, Suche nach Hot Spots, Zusammensetzung) Folie 18 > SW Engineering, H.-J. Popp
11 Bsp.: VIRTIS Main Electronics Backplane/Electronics On-Board Software Structure Cooler Controller Electronics DLR, Kayser Threde Astrium Power Supply DPU Folie 19 > SW Engineering, H.-J. Popp Bsp.:VIRTIS Block Diagram / europäische Beteiligungen Frankreich/PI VIRTIS-H Italien/PI System + VIRTIS-M M-COVER H-COVER Virtis-H Optical Head IR SHUTTER CALIB. SOURCE H-COOLER HEATERS M-COOLER Virtis-M Optical Head IR/VIS SHUTTER SCAN MIRROR VIRTIS-H VIR9H VIR10H VIR11H VIR12H VIR13H VIR14H PROXIMITY ELECTRONIC MODULE (PEM-H) VIR6H ACTIVE COOLING SYSTEM VIR7H PROXIMITY ELCTRONIC MODULE (PEM-M) VIR5H VIR8H VIR9H H - Interface Electronics H-Cooler Control electronics M-Cooler Control electronics M - Interface Electronics H- Power Supply DHSU S/C interface electronics DPU Houskeeping DHSU Power Supply M- Power Supply VIR1H VIR2H VIR3H VIR4H CALIB. SOURCE OPTICS MODULE (OM) VIRTIS-M VIRTIS.VSD, V3.1, Deutschland/Co-PI Electronics/Software MAIN ELECTRONICS MODULE (ME) Folie 20 > SW Engineering, H.-J. Popp
12 Bsp.: COROT seit 27. Dezember 2006 unterwegs Folie 21 > SW Engineering, H.-J. Popp COROTLOG on DPU COROTCASE Application Software (APS) stored and changable in EEPROM Primary Boot Software (PBS) permanently stored in PROM COROT DPU, ESA/Astrium GmbH Folie 22 > SW Engineering, H.-J. Popp
13 Prozessorientiertes Software-Engineering Software Development Model Process Areas (e.g. CMMI): Project Planning / -controlling Configuration Management / Problem Tracking Requirement Engineering Technical Solution (Design, Coding Unittests) Product Integration (Integrationstests) Verification / Validation (System/Validation Tests) Quality Assurance (Measurement, Analysis) Folie 23 > SW Engineering, H.-J. Popp Software Life Cycle Folie 24 > SW Engineering, H.-J. Popp
14 HIL-Testsystem für Testautomation (System Test) Prozess Tools Implementierung Hardware Requirement Verif./Valdation Plan Test Case Test Report Requisit Pro Test RT / Script Test Manager Visual Studio Virtual Tester/Sim. Driver/Library I/F Hardware I/F Digital Processing Unit I/F Summary Report Word Processor I/F Hardware Driver/Library Virtual Tester/Sim. LAN Folie 25 > SW Engineering, H.-J. Popp DLR Software Engineering Tools Requirement Engineering Modellierung RequisitPro Rose RT Problem Tracking ClearQuest Visual C, G21K,Simulator, Emulator Entwicklung PolySpace ClearCase Code Verification Test RT Test Automation, Code Coverage Configuration Management Folie 26 > SW Engineering, H.-J. Popp
15 Productivity Metrics: Bsp. COROT On-Board Software System / Validation Tests, Test Tool Development; 40% Design, Coding, Unit and Integration Tests; 35% LOC On-Ground Test Software inkl. Scripts for Test Automation Management / System Engineering; 25% Productivity (full life cycle): 0,58 LOC/h LOC (On-Board SW) C (75%), ASM (25%) Folie 27 > SW Engineering, H.-J. Popp Metrics: Anomaly vs. Schedule COROT On-Board Software Anomalies On-Board Software / Digital Channel Issued Closed Open Sep 04 Nov 04 Jan 05 Mrz 05 Mai 05 Jul 05 Sep 05 Nov 05 Jan 06 Mrz 06 Mai 06 Jul 06 Sep 06 Qualitätsfortschritt über den Entwicklungszeitraum 9/ /2006 Ab Sep 2005 war der Entwicklungsprozess so stabil, dass mehr Anomalien und Probleme gelöst wurden als neue gefunden Folie 28 > SW Engineering, H.-J. Popp
16 Verantwortungsverteilung im Build Zyklus Zusammenspiel von Entwickler & Infrastrukturbetreiber Dokumentation Javadoc Projekt Seiten Distribution Integrated Development Environment code build test deploy Integrated Deployment System Code-Generierung Kompilieren Abhängigkeiten Unittests Integrationstests Systemtests Profiling Folie 29 > SW Engineering, H.-J. Popp Interaktiver Code Review im Team: worum geht es? Entwickler A: und was soll an dieser Stelle passieren? Entwickler B: meine Güte, Augenblick... Das war nur wegen des neuen Sensors, ist jetzt nicht mehr relevant Entwickler A: OK, dann nehmen wir es raus.. Folie 30 > SW Engineering, H.-J. Popp
17 Interaktiver Code Review im Team: was sind die Benefits? Zwang zur echten Reflexion der eigenen Gedanken. psychisch belastend und sehr aufwendig, aber unglaublich wirksam. Nebeneffekte: Weiterbildung für jüngere Entwickler (durch den Reviewer). Zuwachs an Disziplin in den weiteren Phasen der Projekte. Folie 31 > SW Engineering, H.-J. Popp Code Coverage als Ergänzung zur Test Case Coverage Geringe Überdeckung der Testcases kann kompensiert werden. Hinweise für Code Reading / Code Inspection Method entered 18 times. Coverage Expression evaluated to true 0 times, false 18 times Folie 32 > SW Engineering, H.-J. Popp
18 On-Board-Software für L&R: Facts Für jede Zeile Kode werden ca. 12 Zeilen an Testsoftware erstellt. 0,6 LOC/h über den gesamten Entwicklungszyklus. Development Effort: 35%. Nur 40% der Fehler in der Codierung, alles andere: Systems Engineering, unvollständige Specs etc. Config-Management umfasst ca. 1 File/ 2 LOC. Folie 33 > SW Engineering, H.-J. Popp System-Redundanz, zu Ende gedacht. Fehlermöglichkeiten in allen Ebenen suchen: Methodisch/gedanklich, Programmebenen, Compilerebenen, CPU, Speicher Wirkliche Redundanz bedeutet: für jede Fehlerebene eine Alternative. Also: zwei verschiedene Prozessoren, zwei RAM-Typen, zwei Programmiersprachen, zwei separate Implementationsteams, ein Vermittler. Folie 34 > SW Engineering, H.-J. Popp
19 Inhalt Das DLR als Anwenderunternehmen. Historie der Softwareentwicklung in der Raumfahrt. Fehler und ihre Folgen: Beispiele. Software-Engineering bei kritischen Systemen am Beispiel von COROT. Fazit. Folie 35 > SW Engineering, H.-J. Popp Fazit: Gutes Software Engineering (nicht nur bei hochkritischen Projekten) heißt: Die Toolumgebung schränkt die Freiheiten (also Fehlerquellen!) ausreichend ein. Die Arbeitsumgebung ist von einer gegenseitigen Akzeptanz der menschlichen Grenzen geprägt (keine Ausreden nötig). Projektleiter muß jeden Einwand ernst nehmen. Dazu muß er/sie uneingeschränktes Backup der Missionsleitung haben. Konservatives Vorgehen ( was nicht getestet ist, funktioniert nicht ) ist zielführend. Größtes Problem bei der Einführung von Verfahren: begreiflich machen, dass es wirklich Aufwand spart! Folie 36 > SW Engineering, H.-J. Popp
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