Model-based resource analysis and synthesis of service-oriented automotive software architectures

Context Automotive software architectures describe distributed functionality by an interaction of software components. One drawback of today\u27s architectures is their strong integration into the onboard communication network based on predefined dependencies at design time. The idea is to reduce this rigid integration and technological dependencies. To this end, service-oriented architecture offers a suitable methodology since network communication is dynamically established at run-time. Aim We target to provide a methodology for analysing hardware resources and synthesising automotive service-oriented architectures based on platform-independent service models. Subsequently, we focus on transforming these models into a platform-specific architecture realisation process following AUTOSAR Adaptive. Approach For the platform-independent part, we apply the concepts of design space exploration and simulation to analyse and synthesise deployment configurations, i. e., mapping services to hardware resources at an early development stage. We refine these configurations to AUTOSAR Adaptive software architecture models representing the necessary input for a subsequent implementation process for the platform-specific part. Result We present deployment configurations that are optimal for the usage of a given set of computing resources currently under consideration for our next generation of E/E architecture. We also provide simulation results that demonstrate the ability of these configurations to meet the run time requirements. Both results helped us to decide whether a particular configuration can be implemented. As a possible software toolchain for this purpose, we finally provide a prototype. Conclusion The use of models and their analysis are proper means to get there, but the quality and speed of development must also be considered

Timing in Technischen Sicherheitsanforderungen für Systementwürfe mit heterogenen Kritikalitätsanforderungen

Traditionally, timing requirements as (technical) safety requirements have been avoided through clever functional designs. New vehicle automation concepts and other applications, however, make this harder or even impossible and challenge design automation for cyber-physical systems to provide a solution. This thesis takes upon this challenge by introducing cross-layer dependency analysis to relate timing dependencies in the bounded execution time (BET) model to the functional model of the artifact. In doing so, the analysis is able to reveal where timing dependencies may violate freedom from interference requirements on the functional layer and other intermediate model layers. For design automation this leaves the challenge how such dependencies are avoided or at least be bounded such that the design is feasible: The results are synthesis strategies for implementation requirements and a system-level placement strategy for run-time measures to avoid potentially catastrophic consequences of timing dependencies which are not eliminated from the design. Their applicability is shown in experiments and case studies. However, all the proposed run-time measures as well as very strict implementation requirements become ever more expensive in terms of design effort for contemporary embedded systems, due to the system's complexity. Hence, the second part of this thesis reflects on the design aspect rather than the analysis aspect of embedded systems and proposes a timing predictable design paradigm based on System-Level Logical Execution Time (SL-LET). Leveraging a timing-design model in SL-LET the proposed methods from the first part can now be applied to improve the quality of a design -- timing error handling can now be separated from the run-time methods and from the implementation requirements intended to guarantee them. The thesis therefore introduces timing diversity as a timing-predictable execution theme that handles timing errors without having to deal with them in the implemented application. An automotive 3D-perception case study demonstrates the applicability of timing diversity to ensure predictable end-to-end timing while masking certain types of timing errors.Traditionell wurden Timing-Anforderungen als (technische) Sicherheitsanforderungen durch geschickte funktionale Entwürfe vermieden. Neue Fahrzeugautomatisierungskonzepte und Anwendungen machen dies jedoch schwieriger oder gar unmöglich; Aufgrund der Problemkomplexität erfordert dies eine Entwurfsautomatisierung für cyber-physische Systeme heraus. Diese Arbeit nimmt sich dieser Herausforderung an, indem sie eine schichtenübergreifende Abhängigkeitsanalyse einführt, um zeitliche Abhängigkeiten im Modell der beschränkten Ausführungszeit (BET) mit dem funktionalen Modell des Artefakts in Beziehung zu setzen. Auf diese Weise ist die Analyse in der Lage, aufzuzeigen, wo Timing-Abhängigkeiten die Anforderungen an die Störungsfreiheit auf der funktionalen Schicht und anderen dazwischenliegenden Modellschichten verletzen können. Für die Entwurfsautomatisierung ergibt sich daraus die Herausforderung, wie solche Abhängigkeiten vermieden oder zumindest so eingegrenzt werden können, dass der Entwurf machbar ist: Das Ergebnis sind Synthesestrategien für Implementierungsanforderungen und eine Platzierungsstrategie auf Systemebene für Laufzeitmaßnahmen zur Vermeidung potentiell katastrophaler Folgen von Timing-Abhängigkeiten, die nicht aus dem Entwurf eliminiert werden. Ihre Anwendbarkeit wird in Experimenten und Fallstudien gezeigt. Allerdings werden alle vorgeschlagenen Laufzeitmaßnahmen sowie sehr strenge Implementierungsanforderungen für moderne eingebettete Systeme aufgrund der Komplexität des Systems immer teurer im Entwurfsaufwand. Daher befasst sich der zweite Teil dieser Arbeit eher mit dem Entwurfsaspekt als mit dem Analyseaspekt von eingebetteten Systemen und schlägt ein Entwurfsparadigma für vorhersagbares Timing vor, das auf der System-Level Logical Execution Time (SL-LET) basiert. Basierend auf einem Timing-Entwurfsmodell in SL-LET können die vorgeschlagenen Methoden aus dem ersten Teil nun angewandt werden, um die Qualität eines Entwurfs zu verbessern -- die Behandlung von Timing-Fehlern kann nun von den Laufzeitmethoden und von den Implementierungsanforderungen, die diese garantieren sollen, getrennt werden. In dieser Arbeit wird daher Timing Diversity als ein Thema der Timing-Vorhersage in der Ausführung eingeführt, das Timing-Fehler behandelt, ohne dass sie in der implementierten Anwendung behandelt werden müssen. Anhand einer Fallstudie aus dem Automobilbereich (3D-Umfeldwahrnehmung) wird die Anwendbarkeit von Timing-Diversität demonstriert, um ein vorhersagbares Ende-zu-Ende-Timing zu gewährleisten und gleichzeitig in der Lage zu sein, bestimmte Arten von Timing-Fehlern zu maskieren

Integrierte modell- und simulationsbasierte Entwicklung zur dynamischen Bewertung automobiler Elektrik/Elektronik-Architekturen

Die Automobilbranche befindet sich seit einigen Jahren im Wandel. Trends wie autonomes Fahren, Konnektivität, smarte Mobilität sowie die Elektrifizierung führen zu einer drastischen Erhöhung der Fahrzeugkomplexität. Diese Komplexität muss durch die zugrunde liegende Elektrik/Elektronik-Architektur (E/E-Architektur) beherrscht werden und ruft unmittelbare neue Herausforderungen an den Entwicklungsprozess hervor. Design-Entscheidungen der E/E-Architektur haben maßgeblichen Einfluss auf das Verhalten von Fahrzeugfunktionen und umgekehrt. Daher müssen sie möglichst frühzeitig analysiert und evaluiert werden, um kostspielige Fehlerkorrekturen in späten Entwicklungsphasen zu minimieren. Eine frühzeitige Einbindung von Simulationsmethoden ist dabei zentral. Die modellbasierte Architekturentwicklung und Simulation sind jedoch weitestgehend getrennt voneinander laufende Prozesse. Dies erschwert eine effiziente Analyse sowie Bewertung der bidirektionalen Abhängigkeiten zwischen Architektur und Verhalten. Um diese Schwächen zu adressieren, wird in dieser Arbeit eine integrierte Methodik zur modell- und simulationsbasierten Entwicklung von E/E-Architekturen vorgestellt, die sich in drei Teile gliedert. Es werden zunächst neue Methoden zur architekturzentrierten Verhaltensmodellierung eingeführt. Eine nachfolgende Synthese generiert daraus ein Simulationsmodell, welches automatisiert mehrere Abstraktionsebenen der E/E-Architektur miteinander verknüpft und so zu einer ganzheitlichen Betrachtung beiträgt. Mithilfe des integrierten Ansatzes wird zusätzlich ein Konzept entwickelt, das es gestattet, mehrere Architekturvarianten automatisiert bzgl. statischen und dynamischen Metriken gegenüberzustellen. Die Konzepte werden in das in der Automobilindustrie etablierte E/E-Architekturwerkzeug PREEvision® integriert, umgesetzt und anhand mehrerer Anwendungsfälle evaluiert