Automatische Software Produktion Was ist realistisch?

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1 Automatische Software Produktion Was ist realistisch? MicroConsult Praxisforum Embedded Quality Neue Dimensionen der Qualitätssicherung Version 1 Zürich Dr. Rainer Gerlich Tel. +49/7545/ Auf dem Ruhbühl 181 Fax +49/7545/ Immenstaad Mobil +49/171/ Germany gerlich@t-online.de Copyright Dr. Rainer Gerlich BSSE System and Software Engineering 2002 All Rights Reserved

2 Warum Automation? Anwendungsfälle Inhalt Strategie und Prinzip von ASaP ASaP = Automatische Software Produktion und Test Vorteile Ergebnisse Einstieg in ASaP 2

3 ASaP - Automation in der Softwareentwicklung die Vorteile von ASaP z die Komplexität für den Entwickler sinkt z der manuelle Aufwand wird reduziert z Aufwand, Entwicklungszeit und Risiko werden minimiert z gleichbleibend hohe Qualität wird garantiert der ASaP Ansatz z vollständige Automatisierung des Entwicklungszyklus automatische Umsetzung der Definition in ausführbares System z Skalierbarkeit - Abdeckung verschiedenster Systemanforderungen z automatische Verifizierung und Validierung, Testen z Definition nur durch Namen und Zahlen, Typen oder Templates z Identifikation des Rationalisierungspotenzials z organisatorische Maßnahmen zur Begrenzung des Aufwandes 3

4 Warum Bedarf für Innovation? Anforderungen aus der Raumfahrt z Zuverläsigkeit Vorgang nicht wiederholbar, z.b. Landung auf Planeten fail-operational z Architekturevaluierung: Zentralrechner vs. verteiltes Energiebedarf und Masse vs. CPU- und Kosten und Komplexität ähnliche Problemstellungen außerhalb Raumfahrt z Entwicklung von isolierten Komponenten zum System z steigende Komplexität und Intelligenz bei hoher Zuverlässigkeit z z.b. Automobiltechnik, Medizintechnik, Robotik, Biotechnik z Auswirkungen von Softwarefehlern nehmen zu z Synergie durch Know-how aus der Raumfahrt 4

5 Prinzipielle Anwendungsfälle neues System: Automation von Produktion und V&V z vollständige, automatische Generierung aus Systeminformation z ggf. Integration von manuell entwickeltem oder anderem Code z automatische Verifikation und Validierung, Testautomation (V&V) existierendes System: Testautomation und V&V Wartung, Erweiterung, höhere Qualität z automatisches Testen: vorhandene Information auswerten und automatisch in Testfälle umsetzen z automatische Verifikation und Validierung automatische Instrumentierung für Überwachung und Berichtserstellung 5

6 Warum Automation der Produktion? Demonstration der Machbarkeit bei wenig Aufwand durch Simulation? z Vereinfachung Æ Reduktion von Kosten und Zeit - 9 z genügend repräsentativ? / Nein! z keine Lösung bei ereignisgesteuerten Systemen im Gegensatz zu kontinuierlichen Systemen durch Automation! z schnelles Feedback z geringe Kosten z reproduzierbares Produktionsverfahren z reproduzierbare Qualität 6

7 Beispiel: Warum Testautomation? z Verlust von Marktanteilen wegen Qualitätsproblemen auf gesättigtem Mark, finanzieller Evolution der steigende stark wachsende Anzahl der Testfälle z % mit bisher ca MJ Æ MJ = ,000 keuro noch notwendig unmöglich, durch manuelles Testen Schritt mit der Entwicklung zu halten z trotzdem Argumentation gegen wir müssen nur anfangen, richtig zu brauchen wir wirklich so viel Qualität? 7

8 Beispiel: Verteiltes Echtzeitsystem (events + synchron) Peripherie Ultrasonic Device Waterpump package Pyrometer Seebeck measure. unit Mass Spectromet er Magnetic Field Generator TMP x Sparc embedded MIL-Bus 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 8

9 Beispiel: Verteiltes synchrones Kontrollsystem HW I/F Sensor inputs Preprocessing zyklische Datenakquisition Überwachung PP1 PP2 PP3 Moni1 Moni2 Moni3 Vorverarbeitung Voting 3-fold redundant processing network Operator Interface Redundanz Voter1 Voter2 Voter3 Voter4 Ops 1 Ops 2 Filterung FB 2 / 2 2 / 2 Voting Controller Outputs Actuators Man/machine interface Contronic E 9

10 Bedarf: steigende Komplexität und Zahl der Komponenten z Systemhierarchie (System und Untersysteme), Koordinierung z Bedarf an zuverlässiger, benutzerfreundlicher Software z fail-stop (Servo) fail-safe fail-operational (drive-by-wire) z Trade-Off für Systemarchitektur (z.b. zentral - dezentral) z Untersuchung und Behandlung von Fehlersituationen Fahrzeug z Aggregate, Datenerfassung, -verarbeitung, -überwachung, Regelung Fahrerunterstützung z Anzeigesysteme, Leitsysteme, Komfort Fahrzeugfertigung z Roboter Potentielle Anwendungsbereiche Beispiel Automobilbau Programmverifikation, automatischer Vergleich mit CAD-Soll-Daten 10

11 Prinzipielles Problem Automatische Softwareproduktion vs. Automatische Codegenerierung z uns fehlen Sensoren zur Identifikation von Softwarefehlern z viel leichter, Systembeschreibung oder viel Code zu erstellen als zu verifizieren und zu validieren ASaP Lösung durch Automation z Synergie zwischen Generierung, Verifizierung und Validierung z korrekten Code und lauffähiges System garantieren z schnelles Feedback vom System durch Visualisierung z automatisch und früh Probleme identifizieren z manuellen Aufwand begrenzen Automatische Codegenerierung z deckt nur einen Aspekt von sehr vielen durch Automation ab 11

12 Was ist Automation? Automation = Erfahrung + Organisation Automation = korrekte Transformation Vorgabe Ergebnis Automation = Umsetzung von Regeln in Produktionsprozess direkt Erfahrung umsetzen, statt Einhaltung von Standards nachträglich zu kontrollieren versuchen 12

13 Vorteile der Automation Konfigurieren statt Implementieren mehr Effizienz durch Spezialisierung z Spezialisierung auf Teilbereich ohne Beschränkung der Allgemeinheit z.b. verteilte und/oder Echtzeitsysteme (großer Teilbereich) z Teilbereich Konkretisierung Produktions- / Prüfregeln z diametral zu gegenwärtigen Trend! mehr und frühzeitigere Prüfungen bei weniger Aufwand wesentlich mehr Gestaltungsfreiheit bei weniger Risiko 13

14 System-Entwicklungs-Zyklus von 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 14

15 Automatisches Testen Existing Source Code Automated Analysis Automated Extraction of Test Information Type Information Prototype Information Data Information Automated Test Case Generation User Test Cases Automated Generation of Test Environment Test Case Generation Stimulation Model of User System Model Experience + Organisation Test Automation Automated Test Execution Test Monitoring Generation of Test Report 15

16 Automatische Verifikation Existing Source Code Automated Analysis Automated Extraction of Verification Information Type Information Prototype Information Data Information Automated Modification Automation of Verification Automated Instrumentation of Source Code Assertions Tracing Automated Verification Consistency Checks Completeness Checks Semantical Checks Experience + Organisation Automated Test Execution Test Monitoring Generation of Test Report 16

17 Beispiel 1: Synergie durch Spezialisierung Statement Semaphore XYZ Lock missing? missing? Inherent Check on Completeness Statement Semaphore XYZ Unlock Automatically Initiated Actions Declaration Initialisation Release Semantic: each pair only once Occurence of a statement: check on complementary statement automated generation of complementary code 17

18 Beispiel 2: Konfigurationsoptionen 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 18

19 Vorteile im Detail geringeres Entwicklungsrisiko und höhere Planungssicherheit z schnelles Feedback bzgl. kritischer Größen (Performance,...) z mehr Flexibilität für Änderungen Sicherung der Unternehmenserfahrung z kontinuierliche Optimierung des Produktionsprozesses z Unabhängigkeit von Tagesform höhere Qualität z Produktion nach festen, erprobten Regeln z Qualität quantitativ nachweisen z Abdeckung von Fehlereinspeisung, Stress Testing, Überlast automatische Verifikation und vollständigerer Test z automatische Extraktion der notwendigen Information z automatischer Aufbau der Testumgebung Visualisieren durch Automatisieren z automatisch Bedingungen prüfen und Berichte erstellen z Antworten erhalten, ohne fragen zu müssen 19

20 Weniger Aufwand, weniger Fehler... Ingenieure nur in den Definitionsprozess einbinden z Umsetzen von Ideen z nur Ergebnisse validieren und Ansatz verbessern / korrigieren z z.b. Kommunikation, Verhalten, Topologie nur durch Namen und Zahlen Abhängigkeit vom Definitionsumfang reduzieren z linear statt höhere Potenzen z Beispiel Netzwerk: nur Knoten ( o(n) ) statt Verbindungen ( o(n 2 ) ) Aufwand begrenzen z endlicher (manueller) Aufwand für unendliche Menge von Möglichkeiten z u.a. diametral zum Klassenkonzept für jeden neuen Datentyp fällt manueller Änderungsaufwand an z ASaP einmaliger Aufwand nur für Basistypen pro Methode / Funktionalität z.b. char, short, int, long, float, double 20

21 Quantifizierbarer Fortschritt bei Automation Quantifizierung des Erfolgs möglich z Produktivität um x % erhöht z Entwicklungszeit um y % verkürzt z Fehlerrate um z % verringert durch sofortige Verfügbarkeit des Systems und der Berichte Garantie für z Korrektheit des Systems durch Überprüfung der aus Minimum an aber alles, was für automatische Transformation erforderlich z Einsparung von Kosten und Entwicklungszeit z (Verringerung der) Fehlerrate 21

22 Durch Automation erzielte Produktivität und Qualität Produktivität z in 30 Minuten das Äquivalent von ca. 5 Mann-Jahren verteiltes 30 Minuten das Äquivalent von ca. 1 verteilte synchronisierte Datenbank z in 1 Minute das Äquivalent von ca. 2 Operationen zu Datentypen, Interfaces etc. Fehlerrate z verteiltes Echtzeitsystem 2 = * 10-5 z verteilte Datenbank 0 Literatur z üblich: 10-2 sehr gut: <

23 Grenzen und Integrationsfähigkeit Aktuelle Grenzen / Verfügbarkeit z am Anfang einer Entwicklung in Richtung Automation z Identifikation weiterer Gebiete durch Diskussion mit Kunden z Identifikation von organisatorischen Maßnahmen Prinzipielle Grenzen z Komplexität der Anwendung im Vergleich zur Automatisierungserfahrung z aber: kontinuierlich wachsende Erfahrung z Grenzen werden immer weiter hinausgeschoben Komplementarität z Integration existierender z.b. für kontinuierliche Anwendungen MathLab, Scade z Schnittstellen für (automatische) Integration 23

24 Was behindert die Einführung der Automation? Konservative Ausbildung und Prägung z Skript SS 2002 über Status der Softwareentwicklung: künstlerischer, kreativer Prozeß, Handarbeit im Vordergrund Haltung der Entwickler z suchen Herausforderung in Implementierung und nicht in Gestaltung mangelnde Innovationsfähigkeit z das ist bei uns ganz anders z das geht doch nicht z jetzt nicht, wir sind in Projekten unter Druck inflexible Organisation und fehlendes Benchmarking z unsere Standards sehen das nicht vor z auf manuelle Entwicklung ausgerichtete Standards Berichte und Reviews für Phasen, die bei Automation entfallen wer fordert Bericht / Review für eine Compilerphase an? 24

25 Ziele setzen! Beispiel SMD (Surface Mounted Devices) z Fernsehapparat 1960 Preis ca.100 Mh, wenig Funktionalität, hohe Ausfallrate z Fernsehapparat 2000 Preis ca. 20 Mh, hohe Funktionalität, sehr geringe Ausfallrate Verbesserung durch neue Technologie z durch Automation der Fertigungstechnik erheblicher Sprung in Funktionalität, Produktivität und Qualität (Ê) und Kosten (Ì) wichtig: Ziele setzen und realisieren z vollständige Änderung des Fertigungsprozesses und der Werkzeuge z drastische Änderung der Form der Bauelemente z firmenübergreifende Standardisierung z Software: interne Adaption vollkommen ausreichend 25

26 Einstieg in die Automation Mitwirkung des Kunden z Erfahrung mit Beschreibungselementen des Anwendungsbereiches z ggf. Mitarbeit bei Identifikation des Automatisierungsansatzes Einsatz für Systemgenerierung z Idee für Realisierung des gewünschten Systems Einsatz der Automatisierung für Test und Verifikation z Verfügbarkeit von Quellcode und/oder Dokumentation Empfehlung z gemeinsame Startphase in einem Projekt z schlüsselfertig: erste Iteration auf Anwenderplattform zum Starten Erfahrung z nach ca. 1 Monat vollkommen eigenständiges Arbeiten 26

27 Wie ist Automatisierung bei mir möglich? Analyse der Herstellungsabläufe von Software z vergleichbar REFA-Ansatz z für ein möglichst breites Anwendungsgebiet wie Echtzeitsysteme, verteilte Systeme, Client-Server Anwendungen GUIs, Datenbanken, Prozess technische Systeme,... Festlegen der optimalen Anwenderschnittstelle z Identifikation der Systemparameter ( Gestaltung ) z.b. Prozesse, Topologie, Informationsaustausch z Einbettung in vorhandene Entwicklungsumgebung vorhandene Werkzeuge,... Optimierung der Abläufe z Anpassung von Standards an Automation z Kontrolle von Produktivität und Qualität durch kontinuierliches Benchmarking 27