Automotive Software Engineering - Support Serverhs/Lehre/2005-WS_SWE2... · logische Systemarchitektur ECU #1 ECU #2 ECU #3 technische Systemarchitektur ECU #1 ECU #2 ECU #3 logische

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Automotive Software Engineering

Dr.-Ing. Mirko Conrad

DaimlerChrysler AG Research and TechnologyMirko.Conrad @ DaimlerChrysler.com

+49 30 39982-263

(C) 2005-2006 DaimlerChrysler (Conrad: Automotive Software Engineering - WS 2005/2006 - HU Berlin)


Teil II: Modell-basierte Softwareentwicklung

Teil I: Software-basierte eingebettete Systeme im Automobil

Gliederung

Teil III: Modell-basiertes Testen

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Teil I: Software-basierte eingebettete Systeme im Automobil


Software-basierte eingebettete Systeme im Automobil Bedeutung der Software im Fahrzeug / Herausforderungen

Software als Innovationsmotor und WettbewerbsvorteilElektronik treibt ca. 80% aller Innovationen, die wiederum zu 90% durch Softwarefunktionen bestimmt werden.

hohe GuK Kosten u.a. durch Software-basierte Innovationen

Entwicklungs- und Testprozess als limitierende FaktorenWährend die Komplexität und Leistungsfähigkeit eingebetteter Systeme im Kraftfahrzeug in der Vergangenheit stark durch die technischen Möglichkeiten, bspw. die Leistungsfähigkeit der Mikrocontroller, beeinflusst wurde, wird der Entwicklungs- und Testprozess der Systeme und der darin eingebetteten Software mehr und mehr zum limitierenden Faktor

Einsatz adäquater Entwicklungsparadigmen

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Software-basierte eingebettete Systeme im AutomobilHistorie


Software-basierte eingebettete Systeme im AutomobilBeispiel Mercedes-Benz S-Klasse (W220)

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Lines of Code>106

Lines of Code

>102 Busnachrichtenmit

>103 Einzelsignalen

>102 Busnachrichtenmit

>103 Einzelsignalen

>50 Steuergeräte>50 Steuergeräte

CAN-B, CAN-C undD2B Bussystem

CAN-B, CAN-C undD2B Bussystem

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Software-basierte eingebettete Systeme im AutomobilSoftwaregröße- und Komplexität

Codegröße GesamtfahrzeugMercedes-Benz W140 (1990): 1MB Embedded CodeMercedes-Benz W220 (1998): 100MB Embedded CodeMercedes-Benz W221 (2005): >500MB Embedded Code

aktuelle Motorsteuerungen~1000 C Funktionen~7500 Parameter

Variantenvielfaltz.B. 1500 Softwareversionen pro Jahr(Motorsteuerungen bei einem Zulieferer)

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Software-basierte eingebettete Systeme im Automobil Software als Innovationsmotor und Wettbewerbsvorteil

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001

Hard- und Softwareanteil an den Produktionskosten eines Fahrzeugs in %, Marktvolumen in Mrd. €

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Software-basierte eingebettete Systeme im Automobil Hohe Garantie- und Kulanzkosten

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Systemebenen in der FahrzeugelektronikÜberblick

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5 verschiedene Betrachtungsebenen für elektronische Systeme im Kfz

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Systemebenen in der Fahrzeugelektronik1: Fahrzeug-Ebene

Fahrzeugnetzwerk bestehend aus verschiedenen Sub-Netzwerken und Gateways

Funktionsverteilung hinsichtlich Performance, Kosten, Energie

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CAN-Bus Antriebsstrang / Fahrwerk CAN-CCAN Bus Karosserie CAN-BInfotainment Bus D2B, MOSTDeterministic Bus System Flexray


Systemebenen in der Fahrzeugelektronik2: Fahrzeugsubsystem-Ebene

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Fahrzeugsubsysteme/-domänen:

Antriebsstrang

Fahrwerk

Karosserie

Multi-Media



Zusammenfassung aller Kommunikationsbeziehungen im (Sub-)Netzwerkin Form von Sender-Empfänger-Beziehungenenthält alle kommunkationsrelevanten Informationen des (Sub-)Netzwerks

…………………

…SEMotorsollmomentGS_1Getriebe-steuergerät

…EE

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EFahrpedalwertMotordrehzahl

Motortemperatur

MS_1

MS_2

Motor-steuergerät

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SS

SS

Raddrehzahl vorne linksRaddrehzahl vorne rechts

Raddrehzahl hinten linksRaddrehzahl hinten rechts

ABS_1

ABS_2

ABS Steuergerät

SignalNachrichtNetzknoten Getrieb

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ABS Steuerg

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vgl.:

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3

Kommunikationsmatrix ('K-Matrix')

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logische Systemarchitektur ECU #1 ECU #2

ECU #3

technische Systemarchitektur ECU #1 ECU #2

ECU #3

vgl.:

J. S

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3

logische Kommunikationsbeziehung

technischeKommunikationsverbindung

Nutzdaten (Signale)

Nachrichten



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003

Transportschicht

ECU #1 ECU #2

Nachricht

Task #11 Task #1n Task #21 Task #2k

Nachrichten

Komponenten zur Abbildung von Signalen auf Nachrichten und umgekehrt

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Systemebenen in der Fahrzeugelektronik3: Steuergeräte-Ebene

(engl. electronic control units, ECUs)

eingebettete Systeme im KraftfahrzeugHardware-Software Einheiten, die verbunden über Sensoren, Aktuatoren und Nutzerschnittstellen technische und physikalische Vorgänge überwachen,steuern bzw. regeln

Fahrer

Sollwert-geber

SensorenAktuatoren

SteuerungRegelung

Überwachung

W

RU

W*

W*... Sollwerte des FahrersW ... Führungs-/SollgrößenR ... Mess-/RückführgrößenU ... Ausgangsgrößen

(Elektronische) Steuergeräte



Fahrer

Sollwert-geber

Sensoren

AktuatorenSteuerungRegelung

Überwachung

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(Elektronisches) Steuergerät

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Bosch LRR2 (Long Range Radar) Sensor & Control Unit

DDM (Driver Door Module)

05-12-20 - Seite/Page 10



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Steuergerät

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Eingangs-stufen

Ausgangsstufen/

Endstufen

W

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(Elektronisches) Steuergerät

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steuergeräteinterneWINT... Führungs-/SollgrößenRINT ... Mess-/RückführgrößenUINT ... Ausgangsgrößen der

Steuerung/Regelung

Fahrer

Sollwert-geber

Sensoren


Überwachung

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Systemebenen in der Fahrzeugelektronik4: Mikrocontroller-Ebene

Hauptaufgaben von Mikrocontrollern:DatenverarbeitungDatenspeicherungDatenaustausch mit der Umgebung

Aufbau:Mikroprozessor: Zentraleinheit (engl. Central Processing Unit, CPU) bestehend aus

Rechenwerk: Ausführung arithmetischer / logischer OperationenSteuerwerk: Ausführung der Befehle aus dem Programmspeicher

Ein- und Ausgabeeinheiten (engl. Input/Output, I/O) zur Abwicklung desDatenverkehrs mit der Umgebung, u.a.:

Eingabe-/AusgabegeräteSchaltungen zur Interrupt-SteuerungBussysteme zur Kommunikation mit anderen Steuergeräten (z.B. CAN)

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Programm- und Datenspeicher zur unverlierbaren Ablage vonProgramm (z.B. Steuerungs- / Regelungsalgorithmus)konstanten Parametersätzen (z.B. Parameter, Kennfelder)

nichtflüchtige Lesespeicher

Datenspeicher (Arbeitsspeicher) Daten, die sich zur Programmlaufzeit ändern

flüchtige oder nichtflüchtige Schreib-/Lesespeicher

internes Bussystem zur Verbindung der einzelnen Elemente des Mikrocontrollers

Taktgenerator (Oszillator)

Überwachungsschaltungen (Watchdogs) zur Überwachung der Programmabarbeitung

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Mikrocontroller


Mikro-prozessor

SteuerwerkRechenwerk

Programm-/Datenspeicher

NichtflüchtigerLesespeicher

Datenspeicher

Nichtflüchtiger und flüchtigerSchreib-

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Taktgenerator Bussystem

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Überwachungs-schaltung

(Watchdog)

…

I/OSignal-

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…

I/OAnalog-/Digital-

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…

I/ODigitale

Ein-/Ausgänge

…

I/OSerielle

Schnittstelle

(CAN)

…

I/OBus-

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Kommuni-kation mitexternen

Bausteinen

…

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Mikrocontroller


Mikro-prozessor

SteuerwerkRechenwerk

Programm-/Datenspeicher

NichtflüchtigerLesespeicher

Datenspeicher

Nichtflüchtiger und flüchtigerSchreib-

/Lesespeicher

Taktgenerator Bussystem

I/OUnter-

brechungs-steuerung

I/OEreignis-

zähler

……

Überwachungs-schaltung

(Watchdog)

…

I/OSignal-

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…

I/OAnalog-/Digital-

Wandler

…

I/ODigitale

Ein-/Ausgänge

…

I/OSerielle

Schnittstelle

(CAN)

…

I/OBus-

steuerungzur

Kommuni-kation mitexternen

Bausteinen

…

Programme (z.B. Steuerungs-/Regelungsalgorithmen)Konstante Daten (z.B. konstante Parameter, Kennfelder)

veränderbare Daten (z.B. variable Parmeter)


Systemebenen in der Fahrzeugelektronik5: Software-Ebene

Elektronisches Steuergerät (ECU)

UW

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Basic Software

ApplicationSoftware

Component

AuctuatorSoftware

Component

SensorSoftware

Component

ControlSoftware

ECU HardwareWR

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… Systemsoftware

Anwendungssoftware

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Fahrer

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Basic Software

ApplicationSoftware

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AuctuatorSoftware

Component

SensorSoftware

Component

ControlSoftware

ECU HardwareWR

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…

ECU #1

ECU #2


ECU #3…

Datenbus (z.B. CAN)



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Basic Software

ApplicationSoftware

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Component

SensorSoftware

Component

ControlSoftware

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AUTOSAR Runtime Environment (RTE)

ApplicationSoftware

Component

AuctuatorSoftware

Component

SensorSoftware

Component

AUTOSARSoftware

…

Services Communi-cation

OSComplexDeviceDrivers

ECUAbstraction

µControllerAbstractionBasic Software

ECU HardwareWR

U

Architektur

W ... Führungs-/SollgrößenR ... Mess-/RückführgrößenU ... Ausgangsgrößen

der Steuerung/Regelung

AUTOSAR InterfaceStandard Interface

www.autosar.org

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AUTOSAR Runtime Environment (RTE)

ApplicationSoftware

Component

AuctuatorSoftware

Component

SensorSoftware

Component

AUTOSARSoftware

…

Services Communi-cation

OSComplexDeviceDrivers

ECUAbstraction

µControllerAbstractionBasic Software

ECU HardwareWR

U

diskretisierteWDIS... Führungs-/SollgrößenRDIS ... Mess-/RückführgrößenUDIS ... Ausgangsgrößen der

Steuerung/Regelung

AUTOSAR InterfaceStandard Interface

WDIS, RDIS, UDIS

Software-Komponentezur Berechnung von

Steuerungs-/Regelfunktionen


Vernetzte Steuergeräte als Steuerungs- und Regelungssysteme

Fahrzeug

Fahrer

Sollwert-geber

Sensoren

Strecke

Umwelt

W

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W*... Sollwerte des FahrersW ... Führungs-/SollgrößenR ... Mess-/RückführgrößenU ... Ausgangsgrößen der Steuerung/RegelungX ... Regel-/SteuergrößenY ... StellgrößenZ ... Störgrößen


Überwachung

W*

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Steuergerätenetzwerk

Vernetzte Steuergeräte als Steuerungs- und Regelungssysteme

W

R

U

Datenbus

Fahrzeug

Fahrer

Sollwert-geber

Sensoren

Strecke

Umwelt

W

RU

Y

X


Überwachung

W*

Z

W ... Führungs-/SollgrößenR ... Mess-/RückführgrößenU ... Ausgangsgrößen der

Steuerung/Regelung

verteiltes und vernetzteselektronisches System

vgl.:

J. S

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Fahrzeugsubsysteme/-domänen:

Antriebsstrang

Fahrwerk

Karosserie

Multi-Media

Verkehrsflussangepasste Geschwindigkeits-regelung (engl. Adaptive Cruise Control)

05-12-20 - Seite/Page 16


Verkehrsflussangepasste Geschwindigkeitsregelung

vgl.:

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003

Weiterentwicklung des klassischen Tempomaten

ACC-SensorikErfassung von Abstand, Relativgeschwindigkeit und Winkellage vorausfahrender Fahrzeuge z.B. mittels Radarsensor

ACC-SollwertgeberTempomatbedienhebelFahrpedal, Bremspedal



vgl.:

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nACC-SteuergerätBerechnung der relativen Position zu den verschiedenen vorausfahrenden Fahr-zeugen Steuerung der Längsdynamik durch gezieltes Beschleunigen und Verzögern des Fahrzeuges zur Einhaltung eines konstanten sicheren Abstands zum 'kritischen' vorausfahrenden Fahrzeug

ACC-AktuatorikBeinflussung

des Motormomentes über das Motor-steuergerätdes Getriebes über das Getriebe-steuergerätdes Bremsmomentes über das ESP-Steuergerät

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Radar-sensor

CAN-Bus

Hierarchieebene #1Hierarchieebene #2

vgl.

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003

ACC Steuergerät

Motorsteuergerät ESP Steuergerät Getriebesteuergerät

W

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Entwicklung von elektronischen Systemen im KfzFahrzeugentwicklung

Partitionierung in die Subsysteme Antriebsstrang, Fahrwerk, Karosserie, Multi-MediaPartitionierung der Subysteme in Komponentenarbeitsteilige, parallele Entwicklung und Prüfung der KomponentenIntegration und Prüfung der SubystemeIntegration der SubsystemeAntriebsstrang, Fahrwerk, Karosserie, Multi-Media zum Gesamtfahrzeug

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Entwicklung von elektronischen Systemen im KfzKomponentenentwicklung

Partitionierung Integration

Systementwicklung

Steuergeräte-SoftwareEntwicklung

Steuergeräte-HardwareEntwicklung

Sollwertgeber- undSensorentwicklung

Aktuator-entwicklung

Sollwert-geber

SensorenAktuatoren

SteuerungRegelung

Überwachung

W

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vgl.

J. S

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Automotive Software EngineeringTeil I: Software-basierte eingebettete Systeme im Automobil

Zusammenfassung:

Bedeutung der Software im Fahrzeug / HerausforderungenGröße und Komplexität software-basierter Systeme im AutomobilSystemebenen in der Fahrzeugelektronik

Fahrzeugsubsysteme / Domänenlogische vs. technische Systemarchitekturelektronische Steuergeräte (ECUs)ECU Aufbau: Hardware-Schicht, Systemsoftware, Anwendungssoftware

Vernetzte Steuergeräte als Steuerungs- und RegelungssystemeEntwicklung von elektronischen Systemen im Kfz, V-Modell

Beispiel: Verkehrsflussangepasste Geschwindigkeitsregelung (Adaptive Cruise Control)

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Automotive Software EngineeringTeil I: Software-basierte eingebettete Systeme im AutomobilLiteratur:

J. Schäuffele, T. Zurawka: Automotive Software Engineering. Vieweg Verlag, 2003

G. Walliser et al: Elektronik im Kraftfahrzeugwesen –Steuerungs-, Regelungs- und Kommunikationssysteme. expert Verlag, 2004

Elektronik im Kraftfahrzeug. Tagungsbände der gleichnamigen Konferenzreihe, VDI Verlag

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