Automotive Software Engineering (eBook)

Dipl.-Ing. Jörg Schäuffele ist ehemaliger Mitarbeiter der BMW AG und war bei der ETAS GmbH verantwortlich für die Koordination der Produktbereiche. Ab Anfang 2007 ist er im Produktmanagement der Firma Vector beschäftigt. Dr.-Ing. Thomas Zurawka war langjähriger Geschäftsführer der ETAS GmbH und ist derzeit Geschäftsführer der SYSTECS GmbH.

Zur Bedeutung von Software im Automobil 6
Vorwort 7
Inhaltsverzeichnis 10
1 Einführung und Uberblick 15
1.1 Das System Fahrer-Fahrzeug-Umweit 16
1.1.1 Aufbau und Wirkungsweise elektronischer Systeme 16
1.1.2 Elektronische Systeme des Fahrzeugs und der Umwelt 19
1.2 Überblick über die elektronischen Systeme des Fahrzeugs 20
1.2.1 Elektronische Systeme des Antriebsstrangs 22
1.2.2 Elektronische Systeme des Fahrwerks 23
1.2.3 Elektronische Systeme der Karosserie 25
1.2.4 Multi-Media-Systeme 27
1.2.5 Verteilte und vernetzte elektronische Systeme 28
1.2.6 Zusammenfassung und Ausblick 29
1.3 Überblick über die logische Systemarchitektur 30
1.3.1 Funktions- und Steuergeratenetzwerk des Fahrzeugs 30
1.3.2 Logische Systemarchitektur fiir Steuerungs-ZRegelungs- und Uberwachungssysteme 31
1.4 Prozesse in der Fahrzeugentwicklung 32
1.4.1 Uberblick iiber die Fahrzeugentwicklung 32
1.4,2 Uberblick iiber die Entwicklung von elektronischen Systemen 33
1.4.3 Kernprozess zur Entwicklung von elektronischen Systemen und Software 36
1.4.4 Unterstiitzungsprozesse zur Entwicklung von elektronischen Systemen und Software 38
1.4.5 Produktion und Service von elektronischen Systemen und Software 41
1.5 Methoden und Werkzeuge fiir die Entwicklung von Software für elektronische Systeme 41
1.5.1 Modellbasierte Entwicklung 42
1.5.2 Integrierte Qualitatssicherung 42
1.5.3 Reduzierung des Entwicklungsrisikos 45
1.5.4 Standardisierung und Automatisierung 46
1.5.5 Entwicklungsschritte im Fahrzeug 48
2 Grundlagen 51
2.1 Steuerungs- und regelungstechnische Systeme 51
2.1.1 Modellbildung 51
2.1.2 Blockschaltbilder 52
2.2 Diskrete Systeme 56
2.2.1 Zeitdiskrete Systeme und Signale 57
2.2.2 Wertdiskrete Systeme und Signale 58
2.2.3 Zeit- und wertdiskrete Systeme und Signale 59
2.2.4 Zustandsautomaten 59
2.3 Eingebettete Systeme 61
2.3.1 Aufbau von Mikrocontrollem 62
2.3.2 Speichertechnologien 64
2.3.3 Programmierung von MikrocontroUern 67
2.4 Echtzeitsysteme 74
2.4.1 Festlegung von Tasks 74
2.4.2 Festlegung von Echtzeitanforderungen 76
2.4.3 Zustande von Tasks 78
2.4.4 Strategien fiir die Zuteilung des Prozessors 80
2.4.5 Aufbau von Echtzeitbetriebssystemen 85
2.4.6 Interaktion zwischen Tasks 86
2.5 Verteilte und vernetzte Systeme 92
2.5.1 Logische und technische Systemarchitektur 95
2.5.2 Festlegung der logischen Kommunikationsbeziehungen 96
2.5.3 Festlegung der technischen Netzwerktopologie 98
2.5.4 Festlegung von Nachrichten 99
2.5.5 Aufbau der Kommunikation und des Netzwerkmanagements 100
2.5.6 Strategien fiir die Zuteilung des Busses 104
2.6 Zuverlassigkeit, Sicherheit, Uberwachung und Diagnose von Systemen 106
2.6.1 Grundbegriffe 107
2.6.2 Zuverlassigkeit und Verfiigbarkeit von Systemen 108
2.6.3 Sicherheit von Systemen 112
2.6.4 Uberwachung und Diagnose von Systemen 115
2.6.5 Aufbau des Uberwachungssystems elektronischer Steuergerate 119
2.7 Zusammenfassung 127
3 Unterstutzungsprozesse zur Entwicklung von elektronischen Systemen und Software 131
3.1 Grundbegriffe der Systemtheorie 131
3.2 Vorgehensmodelle und Standards 134
3.3 Konflgurationsmanagement 136
3.3.1 Produkt und Lebenszyklus 136
3.3.2 Varianten und Skalierbarkeit 137
3.3.3 Versionen und Konfigurationen 138
3.4 Projektmanagement 141
3.4.1 Projektplanung 141
3.4.2 Projektverfolgung und Risikomanagement 146
3.5 Lieferantenmanagement 147
3.5.1 System- und Komponentenverantwortung 147
3.5.2 Schnittstellen fiir die Spezifikation und Integration 148
3.5.3 Festlegung des firmenubergreifenden Entwicklungsprozesses 148
3.6 Anforderungsmanagement 150
3.6.1 Erfassen der Benutzeranforderungen 150
3.6.2 Verfolgen von Anforderungen 154
3.7 Qualitatssicherung 155
3.7.1 Integrations- und Testschritte 155
3.7.2 MaBnahmen zur Qualitatssicherung von Software 156
4 Kernprozess zur Entwicklung von elektronischen Systemen und Software 159
4.1 Anforderungen und Randbedingungen 160
4.1.1 System- und Komponentenverantwortung 160
4.1.2 Abstimmung zwischen System- und Software-Entwicklung 161
4.1.3 Modellbasierte Software-Entwicklung 163
4.2 Grundbegriffe 163
4.2.1 Prozesse 163
4.2.2 Methoden und Werkzeuge 164
4.3 Analyse der Benutzeranforderungen und Spezifikation der logischen Systemarchitektur 165
4.4 Analyse der logischen Systemarchitektur und Spezifikation der technischen Systemarchitektur 168
4.4.1 Analyse und Spezifikation steuerungs- und regelungstechnischer Systeme 172
4.4.2 Analyse und Spezifikation von Echtzeitsystemen 173
4.4.3 Analyse und Speziflkation verteilter und vernetzter Systeme 174
4.4.4 Analyse und Spezifikation zuverlassiger und sicherer Systeme 175
4.5 Analyse der Software-Anforderungen und Spezifikation der Software-Architektur 176
4.5.1 Spezifikation der Software-Komponenten und ihrer Schnittstellen 176
4.5.2 Spezifikation der Software-Schichten 179
4.5.3 Spezifikation der Betriebszustande 180
4.6 Spezifikation der Software-Komponenten 181
4.6.1 Spezifikation des Datenmodells 182
4.6.2 Spezifikation des Verhaltensmodells 183
4.6.3 Spezifikation des Echtzeitmodells 185
4.7 Design und Implementierung der Software-Komponenten 187
4.7.1 Berucksichtigung der geforderten nichtfunktionalen Produkteigenschaften 188
4.7.2 Design und Implementierung des Datenmodells 190
4.7.3 Design und Implementierung des Verhaltensmodells 191
4.7.4 Design und Implementierung des Echtzeitmodells 192
4.8 Test der Software-Komponenten 192
4.9 Integration der Software-Komponenten 193
4.9.1 Erzeugung des Programm- und Datenstands 194
4.9.2 Erzeugung der Beschreibungsdateien 195
4.9.3 Erzeugung der Dokumentation 196
4.10 Integrationstest der Software 197
4.11 Integration der Systemkomponenten 198
4.11.1 Integration von Software und Hardware 198
4.11.2 Integration von Steuergeraten, SoUwertgebern, Sensoren und Aktuatoren 199
4,12 Integrationstest des Systems 201
4.13 Kalibrierung 204
4.14 System- und Akzeptanztest 204
5 Methoden und Werkzeuge in der Entwicklung 207
5.1 Offboard-Schnittstelle zwischen Steuergerat und Werkzeug 208
5.2 Analyse der logischen Systemarchitektur und Spezifikation der technischen Systemarchitektur 210
5.2.1 Analyse und Speziflkation steuerungs- und regelungstechnischer Systeme 210
5.2.2 Analyse und Speziflkation von Echtzeitsystemen 214
5.2.3 Analyse und Speziflkation verteilter und vernetzter Systeme 220
5.2.4 Analyse und Spezifikation zuverlassiger und sicherer Systeme 225
5.3 Speziflkation von Software-Funktionen und Validation der Speziflkation 232
5.3.1 SpeziHkation der Software-Architektur und der Software-Komponenten 234
5.3.3 Spezifikation des Verhaltensmodells mit Blockdiagrammen 238
5.3.4 Spezifikation des Verhaltensmodells mit Entscheidungstabellen 241
5.3.5 Spezifikation des Verhaltensmodells mit Zustandsautomaten 244
5.3.6 Spezifikation des Verhaltensmodells mit Programmiersprachen 249
5.3.7 Spezifikation des Echtzeitmodells 249
5.3.8 Validation der Spezifikation durch Simulation und Rapid-Prototyping 249
5.4 Design und Implementierung von Software-Funktionen 261
5.4.1 Beriicksichtigung der geforderten nichtfunktionalen Produkteigenschaften 261
5.4.2 Design und Implementierung von Algorithmen in Festpunkt- und Gleitpunktarithmetik 269
5.4.3 Design und Implementierung der Software-Architektur 284
5.4.4 Design und Implementierung des Datenmodells 288
5.4.5 Design und Implementierung des Verhaltensmodells 291
5.5 Integration und Test von Software-Funktionen 294
5.5.1 Software-in-the-Loop-Simulationen 295
5.5.2 Laborfahrzeuge und Priifstande 297
5.5.3 Experimental-, Prototypen- und Serienfahrzeuge 303
5.5.4 Design und Automatisierung von Experimenten 304
5.6 Kalibrierung von Software-Funktionen 305
5.6.1 Arbeitsweisen bei der Offline- und Online-Kalibrierung 306
5.6.2 Software-Update durch Flash-Programmierung 308
5.6.3 Synchrones Messen von Signalen des MikrocontroUers und der Instrumentierung 309
5.6.4 Auslesen und Auswerten von Onboard-Diagnosedaten 309
5.6.5 Offline-Verstellen von Parametern 310
5.6.6 Online-Verstellen von Parametern 311
5.6.7 Klassifizierung der Offboard-Schnittstellen fiir das Online-Verstellen 312
5.6.8 IManagement des CAL-RAIM 317
5.6.9 Management der Parameter und Datenstande 320
5.6.10 Design und Automatisierung von Experimenten 321
6 Methoden und Werkzeuge in Produktion und Service 323
6.1 Offboard-Diagnose 324
6.2 Parametrierung von Software-Funktionen 325
6.3 Software-Update durch Flash-Programmierung 326
6.3.1 Loschen und Programmieren von Flash-Speichern 327
6.3.2 Flash-Programmierung iiber die Offboard-Diagnoseschnittstelle 327
6.3.3 Sicherheitsanforderungen 328
6.3.4 Verfiigbarkeitsanforderungen 330
6.3.5 Auslagerung und Flash-Programmierung des Boot-Blocks 331
6.4 Inbetriebnahme und Prufung elektronischer Systeme 333
7 Zusammenfassung und Ausblick 335
Literaturverzeichnis 337
Abkurzungsverzeichnis 343
Sachwortverzeichnis 345

2 Grundlagen (S. 37-38)

Die Zusammenarbeit verschiedener Fachdisziplinen - wie Maschinenbau, Elektrotechnik, Elektronik und Software-Technik - ist eine wesentliche Voraussetzung fiir die Entwicklung von Fahrzeugfunktionen, die sich insbesondere auch auf die Entwicklung von Software fiir elektronische Fahrzeugsysteme auswirkt. Hieran sind verschiedene Fachgebiete beteiligt, die oft simultan an unterschiedlichen Aufgabenstellungen arbeiten. Dies erfordert ein gemeinsames Problem- und Losungsverstandnis. In diesem Kapitel erfolgt daher eine Einfuhrung in die Fachgebiete, die wesentlichen Einfluss auf die Software als Subsystem haben.

Dies betrifft vor allem die Entwicklung von steuerungsund regelungstechnischen Systemen, von diskreten, eingebetteten Echtzeitsystemen, sowie von verteilten und vemetzten, zuverlassigen und sicherheitsrelevanten Systemen. Ziel ist die Funktionsweise und das Zusammenwirken der verschiedenen Software- Komponenten eines MikrocontroUers, wie in Bild 1-22 dargestellt, verstandlich zu machen. Der Anspruch ist nicht die umfassende Behandlung der verschiedenen Gebiete, sondem die Darstellung von Grundlagen und Begriffen, soweit sie fiir die folgenden Kapitel notwendig sind. Die gewahlte Begriffswelt orientiert sich an den verbreiteten Standards und - soweit moglich und sinnvoll - an deutschen Begriffen. Die englischen Begriffe werden, wo es notwendig erscheint, in Klammem angegeben. Englisch-deutsche Wortzusammensetzungen werden mit Bindestrich geschrieben. Die Reihenfolge der Behandlung der einzelnen Fachgebiete stellt keine Wertung dar. Da die verschiedenen Fachgebiete jedoch in vielfaltiger Weise voneinander abhangen, wurde die Reihenfolge so gewahlt, dass diese Einfuhrung moglichst ohne Verweise auf nachfolgende Abschnitte auskonmit.

2.1 Steuerungs- und regelungstechnische Systeme

Viele Fahrzeugfunktionen in den Bereichen Antriebsstrang, Fahrwerk und Karosserie haben steuerungs- oder regelungstechnischen Charakter. Die Methoden und Begriffe der Steuerungsund Regelungstechnik stellen deshalb ein notwendiges Grundgertist fiir den Entwurf vieler Fahrzeugfunktionen dar. 2.1.1 Modellbildung Die steuerungs- und regelungstechnischen Entwurfsmethoden abstrahieren dabei zunachst von der technischen Realisierung. Diese Abstraktion wird als Modellbildung bezeichnet.

Dabei wird zwischen einer Modellbildung fiir das Steuer- oder Regelgerat, dem so genannten Steuerungs- Oder Regelungsmodell, und einer Modellbildung fiir das zu steuemde oder zu regelnde System, dem so genannten Steuerstrecken- oder Regelstreckenmodell, unterschieden. Die Losung von Steuerungs- und Regelungsaufgaben ist weitgehend von den besonderen konstruktiven Gesichtspunkten eines zu regelnden oder zu steuemden technischen Systems unabhangig. Entscheidend fiir den Entwurf von Steuer- und Regelgeraten ist in erster Linie das statische und dynamische Verhalten des zu steuemden oder zu regelnden technischen Systems. In Anlehnung an den Sprachgebrauch in der Automobilindustrie wird in diesem Buch vereinfachend von Steuergeraten gesprochen.

Darunter werden Gerate verstanden, die - unter anderem - sowohl Steuerungs- als auch Regelungsaufgaben ausfiihren. Die Art der physikalischen GroBe, ob es sich also zum Beispiel um eine Temperatur, eine Spannung, einen Druck, ein Drehmoment, eine Leistung oder eine Drehzahl handelt, die zu steuem oder zu regeln ist, und die geratetechnische Realisierung sind zweitrangig. Diese Moglichkeit zur Abstraktion erlaubte es der Steuerungs- und Regelungstechnik, sich zu einem eigenstandigen Fachgebiet zu entwickeln. Dadurch, dass diese Ingenieurwissenschaft versucht, gemeinsame Eigenschaften technisch voUig verschiedener Systeme zu erkennen, um darauf basierend allgemein anwendbare Entwurfsmethoden fur Steuerungs- und Regelungssysteme zu entwickeln, wurde diese Disziplin zu einem verbindenden Element verschiedener Fachrichtungen.