Test-Methodik für Embedded Software in der Automobilin der ... · Umwelt Automobiltechnik Werkzeug (z. B. Testautomatisierung) Fahrer (z. B. Testautomatisierung) Lenk-winkel-sensor

Test-Methodik für Embedded Softwarein der Automobil und Medizintechnikin der Automobil- und Medizintechnik

Dr.-Ing. T. Zurawka, 22.09.2010

1© 2010 SYSTECSASQF-Vortrag 2010-09-22 – Test-Methodik für Embedded Software

Umwelt

Automobiltechnik

Werkzeug(z. B. Testautomatisierung)

Fahrer(z. B. Testautomatisierung)

Lenk-winkel-sensor

Rad-drehzahl-sensor

Elektronische

Bus

Radbremse(Ak )

ElektronischeSteuergeräte

(Aktuator)

Bremspedaleinheit(Sollwertgeber)Hydro-

aggregat


Radbremse(Aktuator)Fahrzeug

aggregat

Embedded System (Steuergerät)

Sollwertgeber:g• Fahrpedalstellung• Getriebestufe

Sensoren:

Aktuatoren:• Zündkerzen• E-Gas-Steller• Einspritzventile

Motor-steuergerät

Sollwert-geber Aktua-

t• Drosselklappen-stellung

• Luftmasse• Batteriespannung

p• Kraftstoffpumpenrelais• Heizung Lambda-Sonden• Tankentlüftung• Saugrohrumschaltung

steuergerät

Sensoren

toren

p g• Ansauglufttemperatur• Motortemperatur• Klopfintensität• Lambda-Sonden

g g• Sekundärluftventil• Abgasrückführventil• On-Board-Kommunikations-

schnittstelle (z.B. CAN)• Off-Board-Diagnoseschnittstelle

• Kurbelwellendrehzahlund Oberer Totpunkt

• Nockenwellenstellung• Fahrzeuggeschwindigkeit

(z.B. K-Leitung oder CAN)


gg g

Embedded System (Steuergerät)

Sollwertgeber:• Display

Patienten-monitor

Sollwert-geber Aktua-

t• Display

Sensoren:• Puls (Herzfrequenz)• Sauerstoffsättigung

Aktuatoren:• Display

monitor

Sensoren

toren

• Sauerstoffsättigung


EbeneFahrzeug

EbeneFahrzeugsubsystem(z B Antriebsstrang)

...(z.B. Antriebsstrang)

EbeneSteuergerät ...

EbeneMikrocontroller U

...Mikrocontroller URK

Software-Subsystem


Software Subsystem

Software-Komponente

EbeneSoftware

...

Funktion f 3

Funktion f 1

f 3

Funktion f 2f 1 f 2

Interaction LayerOSEK-COM Netzwerk-Di t k ll ISO

Flash Loader

Network Layer ISO

managementOSEK-NM

Diagnoseprotokoll ISO

HardwareAbstractionAbstraction

Layer(HAL)Bustreiber

Betriebssystem

Legende:I/O


....BetriebssystemOSEK-OS API

Lieferant 1 Lieferant 3

Fahrzeughersteller

Komponente Y

Komponente X

Fahrzeug

Subsystem BLieferant 2

Subsystem B


SubsystemA t i b t

SG SGBSub-

Vor dem Test: Wie sieht das Gesamtsystem aus ?

Antriebsstrang

Subsystem SGSG

SG SG

Bussystem

SubsystemFahrwerk

SGSG

SGSG

Bus

KomfortSubsystemKarosserie Steuergerät

SG

SG

SG

SGPassive Sicherheit

Bus

SGSGBus

SubsystemMulti-Media

Fahrzeug

Fahrzeug

Elektronische Systeme


SubsystemSub f f f


yAntriebsstrang

S b

Sub-system

f

f f

f

f

f fSubsystem

Fahrwerkf f f

f f

fSubsystem

KarosserieFunktionKomfort f

f

ffPassive Sicherheit

fffSubsystem

Multi-Media

Fahrzeug

Fahrzeug

Elektronische Systeme


V d T t Wi i ht d G t t ?Vor dem Test: Wie sieht das Gesamtsystem aus ?

F kti f 1 f 2

SG 1 SG 2

Funktion f 1

f 3

f 2

f 4

Fahrzeug

Steuergeräte des Fahrzeugs

Funktionen des Fahrzeugs BusSG 3Steuergerät

Steuergeräte des Fahrzeugs



UmweltFahrer

SensorenAktuatoren StreckeSollwert-geber

Steuerung/Regler

Überwachung

Fahrzeug

Steuergerätenetzwerk

Bus


Wie wird entwickelt ?

Entwicklungl kt i h S telektronischer Systeme

Sollwertgeber- und

IntegrationPartitionierung

Steuergeräte-Software-Entwicklung

Steuergeräte-Hardware-E t i kl

Sollwertgeber undSensorentwicklung

Aktuator-entwicklung

Entwicklungg

...


Analyse der Benutzeranforderungen Akzeptanztest

Logische SystemarchitekturBenutzeranforderungen& Spezifikation der

logischen Systemarchitektur & Systemtestf 1

f 3

f 2

f 4

Analyse der logischen Systemarchitektur

I t ti t t d S t

KalibrierungFunktion

SG 1 SG 2

SG 3

Technische Systemarchitektur

System-

g y& Spezifikation der

technischen Systemarchitektur

Integration derSystemkomponenten

Integrationstest des Systems

AnalyseSoftware

entwicklungSoftware-

EntwicklungIntegrationstest der Software

SystemkomponentenSteuergerät

Analyseder Software-Anforderungen

& Spezifikation derSoftware-Architektur

Integration derSoftware-Komponenten

Integrationstest der Software

Spezifikationder Software-Komponenten

Design & ImplementierungTest der Software-

Komponenten


Design & Implementierungder Software-Komponenten

Komponenten

Iterative Entwicklung

Integrations-stufe A

Integrations-stufe B

Integrations-stufe C

Integrations-stufe D

C MusterB MusterA Muster D MusterC-MusterB-MusterA-Muster D-Muster

Entwicklungssteuergeräte Seriensteuergerät


Iterative Entwicklung

Prototyp(A-, B-, C-

Produkt(D-Muster)( , ,

Muster)( )

UW

RU

W

RR R

Entwicklungssteuergerät Seriensteuergerät


Entwicklungssteuergerät Seriensteuergerät

Zuverlässigkeits- & Sicherheitsanalyseg y

Gefahren-analyse

Risiko-, Ausfall-arten- & Ausfall-

ratenanalyse

GefährlicheSituationen

Zuverlässigkeits-& Sicherheits-anforderungen

d S tIdentifikation

relevanterKomponenten

y an das SystemZuverlässigkeits- &sicherheitsrelevante

Komponenten& Subsysteme

Definition derDefinition des Definition des

& Subsysteme

& Spezifikation zuverlässiger & sicherer Systeme

Definition derAnforderungen an

technische Komponenten und Subsysteme

Definition des Verifikations-& Validations-

prozesses

Definition desSoftware-

Entwicklungs-prozesses

Verifikations- &Validationsprozess

Zuverlässigkeits-& Sicherheits-anforderungen

an die Hardware

Zuverlässigkeits-& Sicherheits-anforderungen an die Software

Software-Entwicklungs-

prozess


K fi i P j k

Unterstützungsprozesse

Kernprozess

Konfigurationsmanagement Projektmanagement

Kernprozess

anag

emen

t

Elektronische Systeme desnf

orde

rung

sma

Anforderungen

yFahrzeugsA

n

Lieferantenmanagement Qualitätssicherung


Modell der Software-Funktionen Modell von Fahrer, Fahrzeug & Umwelt

Modellbasierte SW-Entwicklung

1

g

1Modellierung und Simulation der Software-Funktionen, sowie des Fahrzeugs,

2

Software Funktionen, sowie des Fahrzeugs, Fahrers und der UmweltRapid-Prototyping der Software-Funktionenim realen FahrzeugD i & I l ti

2

3

4

Design & Implementierung der Software-Funktionen

Integration und Test der Software-Funktionen mit Laborfahrzeugen und Prüfständen

3

4

5

gTest & Kalibrierung der Software-Funktionen im Fahrzeug

5


Implementierung der Software-Funktionen Fahrer, Fahrzeug & Umwelt

Anforderungsanalyse

Fahrer Fußgänger,Radfahrer,

Gesetzgeber

andere Fahrzeuge,

Fahrzeug

andere Verkehrsteilnehmer, ...

Mitarbeiter im ServicePassagiere

Fahrzeug


Anforderungsanalyse

Anforderungenan Benutzer-

h itt t ll

Anforderungen anFunktionalität

Steuerungs- & regelungstechnische

Anforderungen

schnittstellenAnforderungen an

Kosten, Aufwand &Time to Market

Echtzeit-anforderungen

Qualitäts-anforderungen

Zuverlässigkeits-Anforderungen

an Skalierbarkeit &

gg

anforderungenan Skalierbarkeit &

VariantenSicherheits-

anforderungen

Anforderungen anBauraum, Gewicht &

Stromaufnahme


Stromaufnahme

Anforderungsanalyse

Anforderungen AnforderungenFunktion X

Mechanik

Benutzeranforderungen Logische Systemarchitektur Technische Systemarchitektur

ABCD

A1A2BD1

HydraulikD

Randbedingungen

D1D2F

Elektrik

Randbedingungen

EF

RandbedingungenFunktion XA3E1 Elektronik

GH

E2E3G

Hardware

Software... ..


..

Analyseder Benutzeranforderungen

& Spezifikation der

AkzeptanztestAnwendungsfälle

& Spezifikation der logischen Systemarchitektur

Kalibrierung

& SystemtestTestergebnisse

Analyseder logischen

Systemarchitektur& Spezifikation

Integrationstest des Systems

Kalibrierung

Testfälle

& Spezifikationder technischen

Systemarchitektur Integration derSystemkomponenten

des SystemsTestergebnisse

Analyse der Integrationstest d S ft

y p

Testfälle

Software-Anforderungen& Spezifikation derSoftware-Architektur

Integration derSoftware-Komponenten

der SoftwareTestergebnisse

Spezifikation der Software-Komponenten

Design & ImplementierungTest der Software-

Komponenten


Design & Implementierungder Software-Komponenten

Komponenten

Beispiel (Anforderungen):

A i dAnzeige vonGeschwindigkeits-

i Anzeige der Kühlmitteltemperatur

A i d

Warnhinweisenanzeige

Wegstrecken-

Getriebestufen-anzeige

Anzeige der Motordrehzahl

BordcomputerAnzeige der

Uhrzeitberechnung

Kraftstoff-verbrauch Außentemperatur

Batteriespannungs-anzeige

Service-Intervall-Anzeige

Anzeige des Datums

p

Außentemperatur-anzeige


Anforderungsanalyse mit Prototypen

U lF h Umwelt

ZW*

Fahrer

SensorenAktuatoren StreckeW U Y X RSteuerung/

ReglerÜberwachung

Sollwert-geber

Fahrzeug R


Simulationssystem


UmweltFahrer

SensorenAktuatoren Strecke

ZW*

W U Y X RSteuerung/ReglerSollwert-

Fahrzeug


R

ReglerÜberwachunggeber

W

RU

R

ExperimentiersystemSteuergerät


Anforderungsanalyse mit PrototypenAnforderungsanalyse mit Prototypen

Horizontaler Prototyp Vertikaler PrototypSoftware-Architektur



Horizontaler Prototyp

Ei i lEingangssignaleTriggerAusgangssignale

W

Bypass-Schnittstelle UR


Steuergerät Experimentier-system

Bypass-EingangssignaleSenden

der Bypass-Eingangssignale

Empfangender Bypass-Eingangssignale

Berechnung d B

Trigger

Berechnung d St ät der Bypass-

Funktion

Bypass-

der Steuergeräte-funktion

Empfangen der Bypass- AusgangssignaleSenden der Bypass-Ausgangssignale

Empfangen der Bypass-Ausgangssignale

& Prüfenauf Plausibilität:

Ü

Zeit t

Übernahme der Bypass-Ausgangssignale

oder Umschalten auf interne Ersatzwerte


Zeit t interne Ersatzwerte


Vertikaler P t tPrototyp

UW

RR



Prototyp

Eingangssignaleg g gTriggerAusgangssignale

UU2

W1 R1U1W

R

W2 R2 U1


Beispiel (… weitere Aktivitäten):

Anzeige-Berechnungs- Darstellungobjektefunktionen

DisplayUhrzeit Aussentemperatur

Darstellung

Bord- Tankfüll- Uhr Display

Zeiger-instrument

Motordrehzahl

Kühlmittelemperatur

Datum

Geschwindigkeit

computer

Service-intervall

standUhr

Weg-strecken

Kraftstoff-verbrauch Kühlmittelemperatur

Wegstrecken

VerbrauchGetriebestufe

Batteriespannung

LED

Gesamt-strecke

Tages-strecke

Reich-weite


strecke strecke weite


ABS-SteuergerätMotor-

steuergerät

CAN Kombiinstrument

MOST

AudiosystemMMI S tMMI-System



KombiinstrumentKombiinstrument

MikrocontrollerZeiger-

ansteuerungMikroprozessor

Zeiger-instrumente

A/D-Wandler Display-

ansteuerung

Mikroprozessor

Displays

LED-Ansteuerung LEDs

MOST-Schnittstelle

CAN-Schnittstelle



f 3

f 1 f 2


f 3

f 1.1 f 1.3f 1.2Logische

f 1.4 f 1.5Logische Systemarchitektur fürf 1, f 2, f 3

Technische

D/Af 1 2

Systemarchitektur fürf 1.1, f 1.5, f 2, f 3 Mikrocontroller

Steuergerät f 1

Software

D/A-Wandlung

f 1.5

Sollwert-geber

S

Aktuatorf 2

A/D-Wandlung

f 1.2

A/D- f 1.3Sensor

f 3

A/DWandlung

f 1.1

f 1.4 Software-A f d


Anforderungen


f 1 f 2S4

p ( )

S1 S2

S5 S6, S7

f 3S3

Logische Systemarchitektur

μC1.1 μC2.1 μC3.1

Technische Systemarchitektur

Mikro-

μC1.2

Mikrocontroller

BusSG 1 SG 2 SG 3


Nachricht


S1 S2 S3Signal 1 Signal 2 Signal 3

S1 S2 S3Logische Systemarchitektur

Technische SystemarchitekturID 1

Adressierung Nutzdaten

S1 S2 S3

Status-, Steuer- &

Nachricht 1

mit Identifier ID Prüfinformationen



Software-System des Kombiinstruments

AnalogI/O

Zeiger-ansteuerung

Zeiger-treiber

Berechnungs-funktionen

Analog I/OTreiber

Display-ansteuerung

DigitalI/O

Anzeige-objekte

Display-treiber

Digital I/OTreiber

SystemgrenzeLED-

AnsteuerungLED-TreiberCAN-Treiber

MOST-Treiber

Legende:

S h itt t ll

KomponenteSystemgrenze

CAN-Schnittstelle

MOST-Schnittstelle


Schnittstelle


AnzeigeobjekteBerechnungsfunktionen

Interaction LayerOSEK-COM Netzwerk- MOST-

Flash Loader

OSEK COM

Network Layer ISO

NetzwerkManagementOSEK-NM

Diagnoseprotokoll ISOMOST

Net-services

Zeiger-ib

LED-T ib

HALy

CAN-TreiberBetriebssystem

treiberDisplay-treiber

TreiberI/O-TreiberMOST-Treiber


....BetriebssystemOSEK-OS


ABS-SteuergerätMotor-

steuergerät

ABS Steuergerät

CAN Kombiinstrument

MOST

Audiosystem

MOST

yMMI-System


UmweltFahrer

ZW*

W U Y X RSteuerung/Sollwert

Fahrzeug


R

gRegler

ÜberwachungSollwert-

geber

Mikrocontroller

g

Steuergerät

W

U

WK

UK D/A-

A/D-Wandlung

Software

Test (SIL)

R RK

D/A-Wandlung

A/D-Wandlung

Prüflinge

Wandlung

Software-Komponente zur


Prüflinge pBerechnung einer Steuerungs-

und Regelungsfunktion

Test (HIL)

UmweltFahrer


ZW*

W U Y X RSteuerung/ReglerSollwert-

Fahrzeug


R

ReglerÜberwachunggeber

WU

Steuergerät WU

R R

Laborfahrzeug


Prüfling„Black Box“

Test (HIL)Test (HIL)

Umwelt

ZW*

Fahrer

SensorenAktuatoren StreckeW U Y X RSteuerung/

ReglerÜberwachung

Sollwert-geber

Fahrzeug R

W*

XY

SteuergerätW*

Y

Sollwert-geber

AktuatorenX X

Laborfahrzeug

Sensoren


PrüflingeInstrumentierung

Test (HIL)Test (HIL)

Umwelt

W*

Fahrer


Z

W U Y X RSollwert- Steuerung/Regler

W*

Fahrzeug


R

geber ReglerÜberwachung

WU

Steuergerätenetzwerk WU

R

Bus

R

Laborfahrzeug


PrüflingeInstrumentierung

Test (HIL mit Restbussimulation)Test (HIL mit Restbussimulation)

Umwelt

ZW*

Fahrer


Z

W1 2

U1,2,3 Y X RSollwert-geber

W3Steuerung/

ReglerÜ

W

Fahrzeug

1,2

R1,2

geberR3

Überwachung

W1,2

R

SteuergerätenetzwerkU1,2

W3

R

U3

W1,2

R1 2

U1,2

R1,2

Prüflinge

Bus

R3

Bus

R1,2

Laborfahrzeug


InstrumentierungPrüflinge

Test (Komponenten-Prüfstand)

Umwelt

W*

Fahrer

Sensoren

Z

W UY1 X1 R

Aktuatoren Y X2

Steuerung/ReglerSollwert-

b

W*

Fahrzeug

Sensoren

R

StreckeAktuatoren Y2

X2ReglerÜberwachunggeber

W*Y1W* Y1

Sollwert-geber

Aktuatoren

X1

X1

Steuergerät

g

Sensoren Motor

PrüfstandLaborfahrzeug


Prüflinge

Test (Methoden im Kleinen“)Test (Methoden „im Kleinen )

Statische Techniken

ReviewWalkthrough, Fagan-Inspektion,

AnimationFormale SpezifikationModellierung Si l tiWalkthrough, Fagan Inspektion,

Code-Inspektion, Peer-Review, ...

AnalyseStatische Analyse, Formale Prüfung,

SimulationRapid Prototyping, ...

y , g,Kontroll- und Datenfluss, ...

Dynamischer Test Systemtest/AkzeptanztestyKomponenten-/Integrationstest

Black-Box-TestFunktionale Leistungsfähigkeit, St G t F hl t

y pFunktionale LeistungsfähigkeitStresstests, Grenzwerttests, Fehlererwartungstests, Ursache Wirkungs GraphStress, Grenzwert, Fehlererwartung, ...

White-Box-TestStruktur, Pfad, Zweig, Bedingung, Abdeckung, ...

Ursache-Wirkungs-Graph, Äquivalenz-klassentests, ...


Abdeckung, ...

Test & Testautomatisierung (Werkzeuge)

Test Automation

Testcase Development& Management

ASAM Standardized API

Reporting Tool

Test Automation

ReportingProvider

Testbench Interface

Electrical Error Simulation

Microsoft Visual Studio C#

API

Microsoft Powershell Scripting

HIL System

HILToolVehicle Model

HILToolError Simulation

Electrical Error SimulationProvider

Vehicle ModelProvider

Vehicle ModelCommunication

Communication Objects

p g

Climate Chamber

Diagnostic Tool

Climate Chamber Tool

Climate ChamberProvider

Diagnostic

CommonServiceProvider

CommunicationObjects

Target SpeedBrake Pedal

Wheel Speed FL…

Enterprise ArchitectState Machines

Code Generator

Multimeter Tool

gProvider

GPIB Voltage / Current

Provider

Diagnostic

CommunicationObjectsArtisan State

Machines

Code Generator

Code Generator

Measurement Tool

ECUMeasurement

Provider…

specific Tool, e.g. Canoe

specific ToolProvider

Simulation of Tools supported

additional Layers with higher Level Interfaces can also be supported

(D i V hi l


Communication via Networks (WCF)

e.g. Canoe(Driver-Vehicle-Environment)

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