Automotive Software Engineering - Grundlagen, Prozesse, Methoden und Werkzeuge effizient einsetzen

Zur Bedeutung von Software im Automobil

Standardisierung von Software und Entwicklungsmethoden

Vom Kostentreiber zum Wettbewerbsvorteil

Ausbildung als Chance und Herausforderung

Vorwort zur 4. Auflage

Beispiele aus der Praxis

Leserkreis

Danksagungen

Inhaltsverzeichnis

1 Einführung und Überblick

1.1 Das System Fahrer-Fahrzeug-Umwelt

1.1.1 Aufbau und Wirkungsweise elektronischer Systeme

1.1 .2 Elektronische Systeme des Fah rzeugs und der Umwelt

1.2 Überblick über die elektronischen Systeme des Fahrzeugs

1.2.1 Elektronische Systeme des Antriebsstrangs

1.2.1.1 Benutzerschnittstellen und Sollwertgeber

1.2.1.2 Sensoren und Aktuatoren

1.2.1.3 Software-Funktionen

1.2.1.4 Bauraum

1.2.1.5 Varianten und Skatierbarkeit

1.2.2 Elektronische Systeme des Fahrwerks

1.2.2.1 Benutzerschnittstellen und Sollwertgeber

1.2.2.2 Sensoren und Aktuatoren

1.2.2.3 Software-Funktionen

1.2.2.4 Bauraum

1.2.2.j Varianten und Skalierbarkeit

1.2.3Elektronische Systeme der Karo sserie

1.2.3.1 Benutzerschnittstellen und Sollwertgeber

1.2.3.2 Sensoren und Aktuatoren

1.2.3.3 Software-Funktionen

1.2.3.4 Bauraum

1.2.3.5 Varianten und Skalierbarkeit

1.2.4 Multi-Media-Systeme

1.2.5 Verteilte und ver netzte elekt ro nische Systeme

1.2.6 Zusammenfassung und Ausblick

1.3 Überblick über die logische Systemarchitekt ur

1.3.1 Funktions- und Steuergerätenetzwerk des Fahrzeugs

1.3.2 Logische Systemarchitektur für Steuerungs-Regelungs- und Überwachungssysteme

1.4 Prozesse in der Fahrzeugentwicklung

1.4.1 Überblick über die Fahrzeugentwicklung

1.4.2 Überblick über die Entwicklung von elektronischen Systemen

1.4.2.1 Trend von der Hardware zur Software

1.4.2.2 Kosten

1.4.2.3 Lange Produktlebenszyklen

1.4.2.4 Hohe und steigende Anforderungen an die Steherneit

1.4.3 Kernprozess zur Entwicklung von elektronischen Systemen und Software

1.4.4 Unterstützungsprozesse zur Entwicklung von elektronischen Systemen und Software

1.4.4.1 Kunden-Liejeranten-BezieJllIngen

1.4.4.2 Simultaneaus Engineering und verschiedene Entwicklungsumgehungen

1.4.5 Produktion und Service von elektronischen Systemen und Software

1.5 Methoden und Werkzeuge für die Entwicklung von Software für elektronische Systeme

1.5.1 Modellbasierte Entwicklung

1.5.2 Integrierte Qualitätssicherung

1.5.2.1 Richtlinien zur Qualitätssicherung

1.5.2.2 Maßnahmen zur Quatitatsprafung. Vatidienmg und Verifikation

1.5.3 Reduzierung des Entwicklungsrisikos

1.5.3.1 Frühzeitige Validierung von Software-Funktionen

1.5.3.2 Wiederverwendung von Software-Funktionen

1.5.4 Standardisierung und Automatisierung

1.5.4.1 Standardisierung

1.5.4.2 Automatisierung

1.5.5 Entwick lungsschritte im Fahrzeug

2 Grundlagen

2.1 Steuerungs- und regelungstechnische Systeme

2.1.1 Modellbildung

2.1.2 Blockschattbüder

2.2 Diskrete Systeme

2.2.1 Zeltdiskrete Systeme und Signale

2.2.2 Wertdiskrete Systeme und Signale

2.2.3 Zeit- und wertdiskrete Systeme und Signale

2.2.4 Zustandsautomaten

2.3 Eingebettete Systeme

2.3.1 Aufbau von Mikrocontrollern

2.3.2 Speichertechnologien

2.3.2.1 Schreib-lese-Speicher

2.3.2.2 Nicht läschbare Festwertspeicher

2.3.2.3 Wiederbeschreibbare Festwertspeicher

2.3.3 Programmierung von Mikrocontrollern

2.3.3.1 Programm- und Datenstand

2.3.3.2 Arbeitsweise von Mikrocontrollern

2.3.3.3 Hauptoperationen von Mikroconrrollern

2.3.3.4 Architektur und Bef ehlssalz von Mikroprozessoren

2.3.3.5 Architektur von Ein- und Ausgabeeinheuen

2.4 Echtzeitsysteme

2.4.1 Festlegung von Tasks

2.4.2 Festlegung von Echtzeitanforderungen

2.4.2.1 Aktivierungs- und Deadline-Zeitpunkt einer Taste

2.4.2.2 Harte und weiche Echtzeitariforderungen

2.4.2.3 Festlegung von Prozessen

2.4.3 Zustände von Tasks

2.4.3.1 Basis-Zustandsmodell für Tasks nach AUTOSAR-OS und OSEK-OS

2.4.3.2 Erweitertes Zustandsmodell für Tasks nach AUTOSAR-OS und OSEK-OS

2.4.4 Strategien für die Zuteilung des Prozessors

2.4.4.1 Zuteilung nach der Reihenfolge

2.4.4.2 Zuteilung nach einer Priorität

2.4.4.3 Zuteilung nach einer kombinierten Reihenfolge-Prioritäts-Strategie

2.4.4.4 Präemptive Zuteilung

2.4.4.5 Nichtpräempttve Zuteilung

2.4.4.6 Ereignis- und zeitgesteuerte Zuteilungsstrategien

2.4.5 Aufbau von Echtzeitbetriebssystemen

2.4.6 Interaktion zwischen Tasks

2.4.6.1 Synchronisation

2.4.6.2 Kooperation

2.4.6.3 Kommunikation

2.4.6.4. Interaktion zwischen Tasks in der logischen Systemarchitektur

2.5 Verteilte und vernetzte Systeme

2.5.1 Logische und technische Systemarchitektur

2.5.2 Festlegung der logischen Kommunikationsbeziehungen

2.5.2.1 Client-Server-Modell

2.5.2.2 Sender-Receiver-Modell

2.5.3 Fesrlegung der technischen Netzwerktopologie

2.5.3.1 Stermopologie

2.5.3.2 Ringtopologie

2.5.3.3 Linientopologie

2.5.4 Festlegung von Nachrichten

2.5.4.1 Adressierung

2.5.4.2 Kommunikationsmatrix

2.5.5 Aufbau der Kommunikation und des Netzwerkmanagements

2.5.5.1 Kommunikation nach AUTOSAR und OSEK

2.5.5.2 Netzwerkmanagement nach AUTOSAR und OSEK

2.5.6 Strategien für die Zuteilung des Busses

2.5.6.1 Zentral oder dezentral realisierte Strategie für den Buszugriff

2.5.6.2 Gesteuerte oder ungesteuerte Strategie für den Buszugriff

2.5.6.3 Ereignis- lind zeitgesteuerte Zugriffsstrategien

2.6 Zuverlässigkeit, Sicherheit, Überwac hung und Diagnose von Systemen

2.6.1 Grundbegriffe

2.6.2 Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit von Systemen

2.6.2.1 Definition der Zuverlässigkeitsfunktion R(t) und der Ausfallrate .(t)

2.6.2.2 Definition der mittleren ausfallfreien Arbeitszeit MTTF

2.6.2.3 Definition der mittleren Ausfallzeit MTTR

2.6.2.4 Definition der mittleren Verfügbarkeit

2.6.3 Sicherheit von Systemen

2.6.3.1 Definition von Begriffen der Sicherheitstechnik

2.6.3.2 Ermittlung des Risikos

2.6.4 Überwach und und Diagnose von Systemen

2.6.4.1 Überwachung

2.6.4.2 Fehlererkennung

2.6.4.3 Fehlerbehandlung

2.6.4.4 Sicherheitslogik

2.6.4.5 Funktionale Sicherheit bei Software

2.6.5 Aufbau des Überwachungssystems elektronischer Steuergeräte

2.6.5.1 Funktionen zur Überwachung des Mikrocontrollers

2.6.5.2 Funktionen zur Überwachung der Sollwertgeber. Sensoren, Aktuatoren und der Steuerungs- und Regelungsfunktionen

2.6.6 Aufbau des Diagnosesystems elektronischer Steuergeräte

2.6.6.1 Offboard-Diagnosefunktionen

2.6.6.2 Onboard-Diagnosefunktionen

2.6.6.3 Sottwengeber- und Sensordiagnosefunktionen

2.6.6.4 Aktuatordiagnosefunktionen

2.6.6.5 Fehlerspeichermanager

2.6.6.6 Offboard-Diagnosekommunikation

2.6.6.7 Modellbasierte Fehlererkennung

2.7 Steuergerätenetzwerke

3 Unterstützungsprozesse zur Entwicklung von elektronischen Systemen und Software

3.1 Grundbegriffe der Systemtheorie

3.2 Vorgehensmodelle und Standards

3.3 Konfigurationsmanagement

3.3.1 Produkt und Lebenszyklus

3.3.2 Varianten und Skalierbarkeit

3.3.3 Versionen und Konfigurationen

3.4 Projektmanagement

3.4.1 Projektplanung

3.4.1.1 Qualitätsplanung

3.4.1.2 Kostenplanung

3.4.1.3 Terminplanung

3.4.1.4 Rollen und Aufgabengebiete in der Entwicklung

3.4.2 Projektverfolgung und Risikomanagement

3.5 Lieferantenman agement

3.5.1 System- und Komponentenverantwortung

3.5.2 Schnittstellen für die Spezifikation und Integration

3.5.3 Festlegung des firmenübergreifenden Entwicklungsprozesses

3.6 Anforderungsmanagement

3.6.1 Erfassen der Benutzeranforderungen

3.6.2 Verfolgen von Anforderungen

3.7 Qualitätssicherung

3.7.1 Integrations- und Testschritte

3.7.2 Maßnahmen zur Qualltätsstcherung von Software

4 Kernprozess zur Entwicklung von elektronischen Systemen und Software

4.1 Anforderungen und Randbedingungen

4.1.1 System- und Komponentenverantwortung

4.1.2 Abstimmung zwischen System- und Software-Entwicklung

4.1.3 Modellbasierte Software-Entwicklung

4.2 Grundbegriffe

4.2.1 Prozesse

·1.2.2 Methoden und Werkzeuge

4.3 Analyse der Benutzeranforderungen und Spezifikation derlogischen Systemarchitektur

4.4 Analyse der logischen Systemarchitektur und Spezifikation der technischen Systemarchitektur

4.4.1 Analyse und Spezifikation steuerungs- und regelungstechnischer Systeme

4.4.2 Analyse und Spezifikation von Echtzeitsystemen

4.4.3 Analyse und Spezifikation verteilter und vernetzrer Systeme

4.4.4 Analyse und Spezifikation zuvertässtger und sicherer Systeme

4.5 Analyse der Software-Anforderungen und Spezifikation der Software-Architektur

4.5.1 Spezifikation der Software-Komponenten und ihrer Schnittstellen

4.5.1.1 Spezifikation der Onboard-Schnittstellen

4.5.1.2 Spezifikation der Offboard-Schnittstellen

4.5.2 Spezifikation der Software-Schichten

4.5.3 Spezifikation der Betriebszustände

4.6 Spezifikation der Software-Komponenten

4.6.1 Spezifikation des Datenmodells

4.6.2 Spezifikation des Verhaltensmodells

4.6.2.1 Spezifikation des Datenflusses

4.6.2.2 Spezifikation des Kontrollflusses

4.6.3 Spezifikation des Echtzeitmodells

4.6.3.1 Zustandsabhängiges. reaktives Ausfühmngsmodell

4.6.3.2 Zustandsunabhängiges, reaktives Ausführungsmodell

4.7 Design und Implementierung der Software-Komponenten

4.7.1 Berücksichtigung der geforderten nichtfunktionalen Produkteigenschaften

4.7.1.1 Unterscheidung zwischen Programm- und Datenstand

4.7.1.2 Beschränkung der Hardware-Ressourcen

4.7.2 Design und Implementierung des Datenmodells

4.7.3 Design und Implementierung des Verhaltensmodells

4.7.4 Design und Implementierung des Echtzeitmodells

4.8 Test der Software-Komponenten

4.9 Integration der Software-Komponenten

4.9.1 Erzeugung des Programm- und Datenstands

4.9.2 Erzeugung der Bcschretbungsdatelen

4.9.3 Erzeugung der Dokumentation

4.10 Integrationstest der Software

4.11 Integration der Systemkomponenten

4.11.1 Integration von Software und Hardware

4.11.1.1 Download

4.11.1.2 Flash-Programmierung

4.11.2 Integration von Steuergeräten, Sollwertgebern, Sensoren und Aktuatoren

4.12 Integrationstest des Systems

4.13 Kalibrierung

4.14 System- und Akzeptanztest

5 Methoden und Werkzeuge in der Entwicklung

5.1 Offboard-Schnittstelle zwischen Steuergerät und Werkzeug

5.2 Analyse der logischen Systemarchitektur und Spezifikation der technischen Systemarchitektur

5.2.1 Analyse und Spezifikation steuerungs- und regelungstechnischer Systeme

5.2.2 Analyse und Spezifikation von Echtzeitsystemen

5.2.2.1 Zuteilbarkeitsanalyse

5.2.2.2 Verifikation der Zuteilbarkeit durch Messungen

5.2.2.3 Überwachung und Behandlung von Deadline-Verletzungen im Betriebssystem

5.2.3 Analyse und Spezifikation verteilter und vernetzter Systeme

5.2.4 Analyse und Spezifikation zuverlässiger und sicherer Systeme

5.2.4.1 Ausfallratenanalyse und Berechnung der Zuverlässigkeitsfunktion

5.2.4.2 Sicherheits- und Zuverlässigkeitsanalyse für das System

5.3 Spezifikation von Software-Funktionen und Validierung der Spezifikation

5.3.1 Spezifikation der Software-Architektur und der Software-Komponenten

5.3.1.1 Objektbasierte Modellierung der Software-Architektur

5.3.1.2 Spezifikation der Schnittste llen zum Echtzeitbetriebssystem mit Modulen

5.3.1.3 Spezifikation von wiederverwendbaren Software-Komponenten mit Klassen

5.3.2 Spezifikatio n des Datenmodells

5.3.3 Spezifikation des Verhaltensmodells mit Blockdiagrammen

5.3.3.1 Spezifikation arithmetischer Funktionen

5.3.3.2 Spezifikation Bootescher Funkttonen

5.3.4 Spezifikation des Verhaltensmodells mit Entscheidungstabellen

5.3.5 Spezifikation des Verhaltensmodells mit Zustandsautomaten

5.3.5.1 Spezifikation flacher Zustandsautomaten

5.3.5.2 Spezifikation von Übergängen mit Verzweigungen

5.3.5.3 Spezifikation hierarchischer Zustandsautomaten

5.3.6 Spezifikation des Verhaltensmodells mit Programmiersprachen

5.3.7 Spezifikation des Echtzeitmodells

5.3.8 Validierung der Spezifikation durch Simulation und Rapid-Prototyping

5.3.8.1 Simulation

5.3.8.2 Rapid-Prototyping

5.3.8.3 Horizontale und vertikale Prototypen

5.3.8.4 Zielsystemidentische Prototypen

5.3.8.5 Wegwerf- und evolutionäre Prototypen

5.3.8.6 Verifikation des Steuergeräts mit Referenzprototyp

5.4 Design und Implementierung von Software-Funktionen

5.4.1 Berücksichtigung der geforderten nichtfunktionalen Produkteigenschaften

5.4.1.1 Laufzeitoptimierung durch Berücksichtigung unterschiedlicher Zugriffszeiten auf verschidene Speichersegmente

5.4.1.2 Laufzeitopumierung durch Aufteilung einer Software-Funktionauf verschiedene Tasks

5.4.1.3 Ressourcenoptimierung durch Alljieilung in Online- und Offline-Berechnungen

5.4.1.4 Ressourcenoptimierung durch Aufteilung in Onboard- und Offboard- Berechnungen

5.4.1.5 Ressourcenoptimierung bei Kennlinien und Kennfeldern

5.4.2 Design und Implementierung von Algorithmen in Festpunkt- und Gleitpunktarithmetik

5.4.2.1 Darstellung von Zahlen in digitalen Prozessoren

5.4.2.2 Rundungsfehler bei der Ganzzahldivision

5.4.2.3 Über- und Unterlaufbei der Addition, Subtraktion und Multiplikation

5.4.2.4 Schiebeoperationen

5.4.2.5 Behandlung von Überläufen und Unterläufen

5.4.2.6 Fehlerfortpflanzung bei Algorithmen in Festpunktarithmetik

5.4.2.7 Physikalischer Zusammenhang und Festpunktarithmetik

5.4.2.8 Physikalische Modellebene und Implementierungsebene

5.4.2.9 Einige Hinweise zur Implementierung in Festpunktarithmetik

5.4.2.10 Einige Hinweise zur Implementierung in Gleitpunktarithmetik

5.4.2.11 Modellierungs- und Implementierungsrichtlinien

5.4.3 Design und Implementierung der Software-Architektur

5.4.3.1 Basis- und Anwendungs-Software

5.4.3.2 Standardisierung von Software-Komponenten der Basis-Software

5.4.3.3 Konfiguration von standardisierten Software-Komponenten

5.4.4 Design und Implementierung des Datenmodells

5.4.4.1 Festlegung des Speichersegments

5.4.4.2 Einstellung von Datenvarianten durch Flash-Programmierung

5.4.4.3 Einstellung von Datenvarianten durch Korftgurationsparameter

5.4.4.4 Generierung von Datenstrukturen und Beschreibungsdateien

5.4.5 Design und Implementierung des Verhaltensmodells

5.5 Integration und Test von Software-Funktionen

5.5.1 Software-in-the-Loop-Simulationen

5.5.2 Laborfahrzeuge und Prüfstände

5.5.2.1 Prüfumgebung für ein Steuergerät

5.5.2.2 Inbetriebnahme und Prüfumgebung für Steuergerät, Sollwertgeber, Sensoren und Aktuatoren

5.5.2.3 Inbetriebnahme und Prüfulmgebumg für ein Steuergeratenetzwerk

5.5.2.4 Prüfstand

5.5.3 Experimental-. Prototypen- und Serienfahrzeuge

5.5.4 Design und Automatisierung von Experimenten

5.6 Kalibrierung von Software-Funktionen

5.6.1 Arbeitsweisen bei der Offline- und Online-Kalibrierung

5.6.2 Software-Update durch Flash-Programmierung

5.6.3 Synchrones Messen von Signalen des Mikrocontrollers und der Instrumentierung

5.6.4 Auslesen und Auswerten von Onboard-Diagnosedaten

5.6.5 Offline-verstellen von Parametern

5.6.6 Online-Verstellen von Parametern

5.6.7 Klassifizierung der Offboa rd-Schnittstellen für das Online-Verstellen

5.6.7.1 Serielle. seriennahe Schnittstelle mit internem CAL-RAM (Methode 1)

5.6.7.2 Serielle Entwicklungsschnittsteile mit internem CAL-RAM (Methode 2)

5.6.7.3 Parallele Entwicklungsschnittstelle mit internem CAL-RAM (Methode 3)

5.6.7.4 Serielle. seriennahe Sehntustelle mitzusätzlichem CAL-RAM (Methode 4)

5.6.7.5 Serielle Entwicklungssctmiustette mit zusätzlichem CAL-RAM (Methode 5)

5.6.7.6 Parallele Entwicklungsschnittstelle mit zusätzlichem CAL-RAM (Methode 6)

5.6.7.7 Protokolle für die Kanunnnikatian zwischen Kalibrierwerkzeugen und Mikrocontrollern

5.6.8 Management des C AL-RAM

5.6.8.1 CAL-RAM-Management bei ausreichenden Speicherressourcen

5.6.8.2 CAL-RAM-Management bei eingeschränkten Speicherressourcen

5.6.9 Management der Parameter und Datenstände

5.6.9.1 Parametrierung der binären Programm-/Datenstandsdatei

5.6.9.2 Parametrierung des Modells oder des Quelleodes und Optimierung

5.6.10 Design und Automatisierung von Experimenten

6 Methoden und Werkzeuge in Produktion und Service

6.1 Offboard-Diagnose

6.2 Parametrierung von Software-Funktionen

6.3 Software-Update durch Flash-Programmierung

6.3.1 Löschen und Programmieren von Flash-Speichern

6.3.2 Flash-Programmierung über die Oftboard-Diagnoseschnittstelle

6.3.3 Slcherheltsanforderungen

6.3.4 Verfügbarkeltsanforderungen

6.3.5 Auslagerung und Flash-Programmierung des Boot-Blocks

6.4 Inbetriebnahme und Prüfung elektronischer Systeme

7 Zusammenfassung und Ausblick

Literaturverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Sachwortverzeichnis