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30.6.2009 Eingebettete Systeme Qualität und Produktivität Prof. Dr. Holger Schlingloff Institut für Informatik der Humboldt Universität und Fraunhofer.

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1 Eingebettete Systeme Qualität und Produktivität Prof. Dr. Holger Schlingloff Institut für Informatik der Humboldt Universität und Fraunhofer Institut für Rechnerarchitektur und Softwaretechnik

2 Folie 2 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme War wir bislang hatten 1. Einführungsbeispiel (Mars Polar Lander) 2. Automotive Software Engineering 3. Anforderungsdefinition und -artefakte 4. Modellierung physikalische Modellierung Anwendungs- und Verhaltensmodellierung Berechnungsmodelle, zeitabhängige & hybride Automaten Datenflussmodelle (Katze und Maus) 5. Regelungstechnik PID-Regelung HW für Regelungsaufgaben speicherprogrammierbare Steuerungen 6. Fehler und Fehlertoleranz 7. Qualitätsnormen und Reifegradmodelle

3 Folie 3 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme Kenngrößen Zuverlässigkeit (reliability) R(t)=e - t Ausfallwahrscheinlichkeit F(t) = 1 - R(t) Ausfallrate (innerhalb eines Intervalls ) (t)= F(t+ )-F(t) / *R(t) Hazard-Rate z(t) = F´(t) / R(t) mittlere Betriebsdauer MTBF = 1 / (falls konstant) Verfügbarkeit (availability) A(t) = (MTBF/(MTBF+MTTR)) Versagenswahrscheinlichkeit p(n)=1-(1-p) n bei Festplatten MTBF-Werte von 1,2*10 6 Stunden = 137 Jahren. Wahrscheinlichkeit, dass es während 5 Jahren zum Ausfall jährlich kommt = 0,37%

4 Folie 4 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme ACB Seriell A Parallel Was soll man duplizieren? Ventilausfall auf: Wasser fliesst ab Ventilausfall zu: Ablauf blockiert sicher gegen einzelnen Ausfall A

5 Folie 5 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme

6 Folie 6 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme

7 Folie 7 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme Triple Modular Redundancy (TMR) Unabhängiges Voting Externe Komponente oder logisch getrennt Software-Voting: getrennte Speicher, geschütztes Betriebssystem 2-aus-3 Mehrheitsentscheid single fault fail operational, double fault fail silent (erster Ausfall kann toleriert, zweiter erkannt werden) bei 4-fach Replikation können byzantinische Fehler behoben werden Beispiel: p(n)=1,2*10 -4 p TMR = ?

8 Folie 8 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme

9 Folie 9 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme RAM-Analyse

10 Folie 10 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme Ausfallrate mit Fehlertoleranz gefordert durch Normen:

11 Folie 11 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme Verallgemeinerung

12 Folie 12 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme

13 Folie 13 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme Dynamische Redundanz Vorteile geringerer Ressourcenverbrauch Möglichkeit der Nutzung der Reserven Nachteile Verzögerung beim Umschalten Standby-Komponenten

14 Folie 14 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme Aufgaben der FT-Komponenten Fehlerdiagnose (Selbstdiagnose / Fremddiagnose) Ist ein Fehler aufgetreten? Fehlermodell! Welche Komponente ist fehlerhaft? Protokollierung Rekonfiguration Erbringung der Funktion mit den intakten Komponenten Umschalten bzw. Ausgliedern / Neustarten Recovery Reparatur bzw. Wiedereingliedern Rückwärts (Rollback, Recovery Points) Vorwärts (Wiederaufsatzpunkte)

15 Folie 15 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme Stand der Praxis Sensorik, Aktuatorik z.B. Lenkwinkelgeber (Bosch), Bremsmotoren Verkabelung, Bussysteme z.B. TTP/C, FlexRay Controller, Hardware redundante integrierte modulare Controller (IMCs) Zukunftsmusik: fehlertolerante Prozessoren, SoC Software diversitäre Entwicklungen bislang nur für wenige Systeme bekannt (Fly-by-wire)

16 Folie 16 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme fehlertolerante Mehrprozessorarchitekturen Lock-step versus loosely-synchronized Lock-step effizienter, loosely-synchronized sicherer Sicherung der Datenintegrität mittels CRC-Speicher Prototypen verfügbar, Serie nicht in Sicht Quelle: Baleani, Ferrari, Mangeruca, SangiovanniVincentell, Peri, Pezzini

17 Folie 17 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme Forschungsfragen Fehlertoleranz und Selbstorganisation kann ein Netz redundanter Knoten so angelegt werden, dass fehlerhafte Komponenten selbsttätig ausgegliedert werden? z.B. Sensornetze Fehlertolerante System-on-Chip (SoC), Network-on- Chip (NoC) (wie) können multiple Recheneinheiten auf einem Chip für Fehlertoleranz genutzt werden? Welche Common-Cause- Fehler sind möglich? z.B. Multi-Core-Architekturen

18 Folie 18 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme Fehlertolerante System-on-chip Dual-Core: eine CPU rechnet, die andere überwacht (selbstprüfendes Paar) Synchronisation? Problem Abfangen von äußeren Fehlern Common-cause-Fehler (z.B. thermisch) - Common-Cause: Eine Ursache bewirkt verschiedene Ausfälle - Common-Mode: Ein Ausfall durch verschiedene Ursachen bewirkt Trend Network-on-Chip Selbstprüfung (BIST), sanfte Degradierung

19 Folie 19 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme Sensor Fusion Zusammenführung von bruchstückhaften und unzuverlässigen Sensordaten in ein homogenes Gesamtbild, Ziel: die fusionierte Information ist besser als die Einzelinformation Information aging: Extrapolation von (erwarteten) Sensordaten auf Grund unterschiedlicher Sampling-Zeiten und Ausfallmöglichkeit Information priorization: Berücksichtigung der Zuverlässigkeit von Daten (z.B. inertiale Navigation) Indirect fusion: Berücksichtigung von a-priori-Information, z.B. Umgebungszustand; Informationsfusion


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