Dynamische SW-Architekturen in Steuergeräten in Fahrzeug-systemen unter Berücksichtigung von Anforderungen zur Funktionalen Sicherheit
Ziele des Vorhabens
In Kraftfahrzeugen werden zahlreiche programmierbare elektronische Systeme zur Realisierung der funktionalen Anforderungen der Automobilhersteller eingesetzt. Die Fahrzeugelektronik wird in Automobil-Steuergeräten (Automotive Embedded Systems) realisiert.
Dieses Forschungsvorhaben will einen Beitrag leisten die Software-Architektur in Automotive Embedded Systems hinsichtlich Performance, Sicherheit (Safety) und Verfügbarkeit optimal zu entwickeln: Design, Implementierung und Entwicklungsmethodiken stehen im Fokus dieses Forschungsvorhabens.
Innovationen in Automotive Embedded Systems können für eine nachhaltige Sicherung von Arbeitsplätzen in der Automobilindustrie als Schlüsselindustrie Deutschlands in einer globalisierten Welt einen Beitrag leisten.
Gesamtziel des Vorhabens
Im Bereich der Anwendungsentwicklung für Embedded Systems in der Automobilindustrie gibt es derzeit zwei grundsätzliche Architekturkonzepte für die Kommunikation zwischen zwei Funktionalitäten.
- Zum einen setzen viele Systeme auf die Verwendung von zyklischen Tasks, deren Funktionalität in periodischen Zyklen ausgeführt wird. Die einzelnen Funktionalitäten tauschen dabei über einen Polling-Mechanismus Daten aus, d.h. die Daten werden zyklisch abgefragt, um festzustellen, ob sie sich geändert haben.
- Ein anderer Ansatz sieht die Verwendung von Event-basierten Tasks vor, deren Funktionalität nur aufgrund des Auftretens bestimmter Ereignisse ausgeführt wird. Hierzu gibt es unterschiedliche Mechanismen zur Kommunikation. Die Funktionalitäten können Daten beispielsweise über sogenannte ‘Message Queues’ oder Mailboxsysteme austauschen.
Oft liegen auch Kombinationen der dargestellten Kommunikationsstrukturen als hybride Software-Architektur vor.
Stets müssen aber zusätzlich Safety- und Verfügbarkeits-Anforderungen von den verwendeten Software-Architekturen in Fahrzeugsystemen abgedeckt werden.
Die optimale Auslegung und Entwicklung der Software-Architektur in Automotive Embedded Systems hinsichtlich Performance, Safety und Verfügbarkeit ist Gegenstand dieses Forschungsvorhabens.
- Zunächst soll die Software-Architektur von Body-Steuergeräte für die Funktionalitäten elektronische Lenkradverriegelung, Blinker, Scheibenwischer, Außenlichter, Schließsystem, Klemmensteuerung und Tempomat analysiert werden. Die elektronische Lenkradverriegelung stellt eine SIL3-Funktion gemäß IEC 61508 dar.
- Danach wird ein Transfer der Ergebnisse auf weitere Fahrzeug-Funktionalitäten der Kategorie SIL3 angestrebt: Zum Beispiel Motorsteuerungen aus dem Bereich Powertrain oder Airbagsysteme aus dem Bereich Restraint Systems.
- Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens werden als „Best Practice“- Regelwerk in Software-Architektur, Design und Implementierung zukünftiger Steuergeräte in Kraftfahrzeugen umgesetzt werden.
Automotive Embedded Systems stehen unter großen Kostendruck, so dass bei vorgegebenen Hardware-Restriktionen die geeignete Software-Architektur insbesondere unter Safety- und Verfügbarkeits-Anforderungen optimal zu finden ist.
Wissenschaftliche und/oder technische Arbeitsziele des Vorhabens
Die Software-Architekturen in Embedded Automotive Systemen sind optimal unter gegebenen funktionalen und non-funktionalen Anforderungen auszulegen.
Dabei sind folgende Hauptziele formuliert:
- Metriken zur Software-Architekturbewertung bei ausgewählten Designansätzen (unter Berücksichtig von Safety, Verfügbarkeit und Resourcenverbrauch)
- Vorgehensweise zur Performance-Simulation von Automotive SW-Plattformen
- Verifikation der Methoden an konkreten Automotive SW-Plattformen
In diesem Forschungsvorhaben soll die Analyse verschiedener Software-Architekturen bei gegebenen funktionalen und non-funktionalen Anforderungen, insbesondere Safety und Verfügbarkeit, die folgenden Elemente enthalten:
- Bestandsaufnahme bestehender Software-Architekturen
- Performance-Analyse bestehender Software-Architekturen
- Auswirkungen von durch Codegeneratoren erzeugten Code auf die Performance
- Analyse der dynamischen Parameter einer Software-Architektur und mathematische Modellbildung
- Metriken zur Bewertung der Software-Architektur
- Vorgehensweise zur Performance-Simulation und Methodiken zur Ermittlung von Güteparameter (z.B. Monte-Carlo-Simulation). Basierend auf einer realen, ausgemessenen Datenbasis sowohl der Tasklaufzeiten, als auch des Auftretens von Interrupts soll eine dynamische Simulation entwickelt werden. Die dynamische Simulation (z.B. Monte-Carlo-Simulation) verspricht realistischere Aussagen, als eine Worst-Case-Execution-Time (WCET-) Analyse. Die Ergebnisse sollen mit einer WCET-Analyse verglichen werden.
- Verifikation der Methodiken an konkreten SW-Plattformen
- Diskussion anwendbarer Designkonzepte aus verschiedenen Sicherheitsnormen
- Vergleich verschiedener Designkonzepte und Ihrer Implementierung auf einer Automotive Hardware
- Auswirkung der Design-Entscheidung auf den Entwicklungsprozess und die Toolkette
- Analyse und Bewertung verschiedener Design-Konzepte hinsichtlich Safety, Verfügbarkeit und Resourcenverbrauch mit dem Ziel einer Entscheidungsgrundlage
Der Austausch und die Diskussion der Zwischenergebnisse und Abschlussergebnisse des Forschungsvorhabens „Dynamische SW-Architekturen in Steuergeräten in Fahrzeugsystemen unter Berücksichtigung von Anforderungen zur Funktionalen Sicherheit“ in der wissenschaftlichen Welt wird durch Veröffentlichungen und Konferenzteilnahme angestrebt.