Entwicklung und Analyse zeitgesteuerter Systeme

Abstract

Zeitgesteuerte Architekturen versprechen aufgrund ihrer deterministischen Eigenschaften die Anforderungen zukünftiger By-Wire-Systeme in Automobilen zu erfüllen. Im Vergleich zu herkömmlichen ereignisgesteuerten Architekturen benötigen sie jedoch einen erheblich höheren Entwicklungsaufwand und erfordern deshalb neue Verfahren und Werkzeugkonzepte.

In der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren zur Entwicklung und Analyse zeitgesteuerter Systeme erarbeitet. Aktivitäten zur Entwicklung zeitgesteuerter Systeme werden identifiziert und in den etablierten Entwicklungsprozess der Automobilindustrie eingegliedert. In den frühen Phasen des Entwicklungsprozesses erfolgt die Planung des zeitlichen Ablaufs im verteilten System. In den späten Phasen wird durch die Zeitanalyse nachgewiesen, dass die implementierten Programme geplante Zeitbedingungen stets einhalten. Die Bestimmung der maximalen Ausführungszeit von Programmen durch die Worst-Case-Execution-Time-Analyse (WCET-Analyse) ist hierfür die Grundlage und bildet den Schwerpunkt der Arbeit. Dem aktuellen Trend in der Automobilindustrie Software modellbasiert zu erstellen wird Rechnung getragen, indem ein Konzept der modellbasierten WCET-Analyse entwickelt wird. Die Analyse der erstellten Modelle wird dadurch ohne die Angabe zusätzlicher Informationen durch den Anwender möglich. Dazu werden aus den Modellen heraus Informationen über das Ausführungsverhalten des Codes gewonnen. Die Übertragbarkeit des Konzepts wird aufgezeigt, indem es bei den zwei unterschiedlichen Software-Entwicklungswerkzeugen ViPER und MATLAB/Simulink/Stateflow angewandt wird.

Zum praktischen Nachweis des erstellten Konzepts wird eine Werkzeugumgebung entwickelt. Anhand eines Steer-by-Wire-Fallbeispiels wird die Anwendbarkeit des Konzepts aufgezeigt. Durch die grafische Spezifikation des zeitlichen Ablaufs wird die Entwicklung verteilter regelungstechnischer Anwendungen unterstützt. Die integrierte WCET-Analyse für den in der Automobilindustrie weit verbreiteten Siemens 80C167 Mikrocontroller erfolgt voll automatisiert und bietet dem Anwender wichtige Informationen für den modellbasierten Softwareentwurf.

Time-triggered architectures promise to fulfil the increasing requirements of future by-wire-systems in automobiles, because of their deterministic properties. However, compared to conventional event-triggered architectures they need a substantially higher development effort, and therefore new methods and tool concepts are required.

In this thesis a technique for the development and analysis of time-triggered systems is evolved. Supplementary activities for the development of time-triggered systems are identified and integrated into the established software development process of the automotive industry. In the early phases of the development process the planning of the required chronological sequence in the distributed system takes place. Conducting a timing analysis in the later phases proves that the planned timing requirements are fulfilled by the implemented programs under all possible circumstances. Being the basis for the timing analysis, the main emphasis of this thesis is the worst-case execution time analysis (WCET-analysis) of programs. The current trend of model-based software development in the automotive industry is considered by designing a concept for model-based WCET-analysis. The analysis of the designed models is done without declaration of additional information by the user. Necessary information about the dynamic execution behaviour of the code is generated from the models. The validity of the concept is demonstrated by applying it to two different software-development tools ViPER and MATLAB/Simulink/Stateflow.

To prove the concept practically a tool environment has been developed. The validity of the concept is demonstrated by means of a steer-by-wire case study. The development of distributed control applications is supported by the graphical specification of the sequence of actions. The integrated WCET-analysis for the Siemens 80C167 microcontroller, which is widespread in the automotive industry, is performed automatically and offers the user important information for the model-based software development.