Timing-Modell und Methodik für AUTOSAR

Man erkannte bald, dass AUTOSAR neue Methodiken und Modelle erforderte, um den Performance- und Timing-Anforderungen beim Systemdesign gerecht zu werden. Zurzeit arbeitet das TIMMO-Konsortium an der Entwicklung von Lösungen, mit denen es möglich sein wird, virtuelle Architekturen zuverlässig und kosteneffektiv auf die physische Hardware abzubilden.

Man erkannte bald, dass AUTOSAR neue Methodiken und Modelle erforderte, um den Performance- und Timing-Anforderungen beim Systemdesign gerecht zu werden. Zurzeit arbeitet das TIMMO-Konsortium an der Entwicklung von Lösungen, mit denen es möglich sein wird, virtuelle Architekturen zuverlässig und kosteneffektiv auf die physische Hardware abzubilden.

In modernen Fahrzeugen wird eine wachsende Zahl von Funktionen in Form dezentraler Systeme implementiert. Eine adaptive Geschwindigkeitsregelung etwa benötigt als Minimum fünf elektronische Steuergeräte (Electronic Control Units; ECUs), nämlich für Motormanagement, Getriebesteuerung, Bremse, MMI und Radar. Das globale Timing-Verhalten eines dezentralen Systems zu beherrschen, ist eine Grundvoraussetzung für anspruchsvolle Steuerungslösungen speziell im Antriebsstrang- und Chassisbereich. Ein modernes Automobil kann als komplexes Netzwerk aus dezentralen Embedded-Control-Systemen betrachtet werden, für die jeweils strikte Echtzeit-Vorgaben gelten.

Ein anschauliches Beispiel hierfür sind Sensoren, die an einen Netzwerk-Knoten angeschlossen sind und mit einem Aktor kommunizieren, der wiederum an einen anderen Knoten angeschlossen ist (siehe Bild ). Die unterschiedlichen, auf verschiedene ECUs verteilten Software-Komponenten (SW-Cs) ergeben gemeinsam ein dezentrales Steuerungssystem. Das Gesamt-Timing vom Sensor bis zum Aktor muss innerhalb einer gewissen, von der Applikation vorgegebenen Grenze bleiben. Das Timing des Busses, des ECU und der Kommunikations-Controller müssen deshalb bei der Beantwortung der Frage, ob die gesetzten Restriktionen eingehalten werden, allesamt ins Kalkül gezogen werden.

Unter Umständen ist eine Optimierung des Timings über mehrere Zulieferer hinweg nötig, was in einem komplexen dezentralen System eine echte Herausforderung darstellt. Ein vorrangiges Ergebnis von TIMMO wird es deshalb sein, Timing-Restriktionen beim Design komplexer Embedded-Systeme für Automotive-Anwendungen auf systematische Weise in Angriff zu nehmen. Hier die Zielvorgaben des Projekts:

  • Herbeiführung eines verbesserten, vorhersagbaren Entwicklungszyklus,
  • Erfassung und Verifikation der kompletten Timing-Restriktionen von der Spezifikation bis zur Umsetzung,
  • Formelle, standardisierte Spezifikation, Analyse und Verifikation des Timing-Verhaltens auf sämtlichen Abstraktionsebenen.

Hierzu ein potenzielles Szenario aus dem Chassis-Bereich, hergeleitet aus einem einfachen Beispiel (siehe Bild):

  • ECU 1 ist ein Sensor-Cluster, der mehrere Sensoren vereint und die Sensor-Fusion übernimmt. Aus den Signalen mehrerer realer Sensoren werden durch Bündelung virtuelle Sensorsignale erzeugt, was den Verzicht auf redundante Sensoren im Fahrzeug erlaubt.
  • ECU 2 ist ein standardmäßiges elektronisches Steuergerät, wie es in der Automobilindustrie üblich ist.
  • ECU 3 kann ein intelligenter Aktor sein, der per Bus mit dem jeweiligen Controller verbunden ist.

Ein weiteres typisches Szenario ist die Integration neuer, noch nicht allgemein eingeführter Funktionen in ein bestimmtes ECU. Ziel hierbei ist die passende Dimensionierung von Netzwerk und ECU sowie die möglichst effektive Nutzung der verfügbaren Ressourcen. Aus diesem Grunde müssen die Timing-Anforderungen und Restriktionen verschiedener Funktionen und Betriebssystem-Tasks ebenso wie der Kommunikationsaufwand berücksichtigt werden. Ein weiterer wichtiger Aspekt, den es unbedingt zu beachten gilt, ist die effektive Unterstützung der Kooperation zwischen OEMs und Zulieferern.

Ein zeitgetriggertes Bussystem wie FlexRay empfiehlt sich als mögliche Lösung für das Design leistungsfähiger, dezentraler Regelungs- und Steuerungssysteme. Die Ausarbeitung neuer, dezentraler Steuerungs-Algorithmen wird dabei durch das Fehlen von Jitter und Unsicherheiten in der Kommunikation erleichtert. Dennoch ist FlexRay keine Wunderwaffe: Der Determinismus muss mit Einbußen an Flexibilität erkauft werden. Im Zuge der Weiterentwicklung der heutigen E/E-Architekturen wird eine der Herausforderungen darin bestehen, in gemischt zeit- und ereignisgetriggerten Systemen für Reproduzierbarkeit, Flexibilität und Effizienz zu sorgen.

Ein anderer Ansatz ist es, Funktionen in Steuerungseinheiten für einen gewissen Bereich zusammenzufassen, womit man die Integrationsfragen auf ein bestimmtes Gebiet begrenzt und den Bedarf an weiteren High-Speed-Bussen verringert. Unabhängig von der Art der jeweiligen Architektur werden Timing-Analyse und Performance-Optimierung eine entscheidende Rolle bei der Software- und Systemintegration spielen.

Ziel des TIMMO-Projekts ist es, Entwickler mit neuen Methoden, Modellen und Werkzeugen zu unterstützen. Entscheidend für die Beherrschung der Komplexität neuer, innovativer Features ist ein vorhersagbarer Entwicklungsprozess, der sämtliche Timing- und Performance-Aspekte in allen Phasen, von der ersten Erkundung bis zur abschließenden Verifikation, systematisch berücksichtigt. Fehlt ein solcher Prozess, kann eine erhebliche Zahl von Funktionen nicht kosteneffektiv implementiert werden, sodass die Implementierung unter Umständen ganz unterbleibt.

TIMMO zielt auf die Entwicklung eines praxisgerechten, einheitlichen Ansatzes zur Berücksichtigung des Timings im gesamten Entwicklungsprozess. Es wird eine solide theoretische Grundlage zur Berücksichtigung der Timing-Aspekte dezentraler Embedded-Systeme im Automotive-Bereich definieren und eine begleitende Methodik auf der Basis einer systematischen Analyse entwickeln, die explizit auch die Frage der firmenübergreifenden Tool-Interoperabilität sowie der damit einhergehenden Austauschformate einschließt.

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