Validierung komponentenbasierter Software für Echtzeitsysteme

Abstract

Der Anteil und die Bedeutung von Software bei der Entwicklung von Echtzeitsystemen wächst sehr stark. Gleichzeitig werden die Entwicklungszyklen für Software-Produkte zunehmend kürzer, was sich immer häufiger in ausgelieferter fehlerhafter Software widerspiegelt. Durch die Verwendung vorgefertigter Software-Komponenten kann nach dem Baukastenprinzip bei der Konstruktion neuer Produkte die Produktivität und die Qualität erheblich gesteigert werden. Aber auch wenn durch den Einsatz geprüfter, betriebsbewährter Software-Komponenten viele Fehler vermieden werden, muss eine aus Komponenten zusammengesetzte Software auch in Zukunft mit geeigneten Prüfverfahren validiert werden, weil beim Zusammenspiel der Komponenten weiterhin Fehler entstehen können.

In der vorliegenden Arbeit wird dazu ein Prüfverfahren zur Validierung komponentenbasierter Software für Echtzeitsysteme entwickelt, das das dynamische Verhalten von komponentenbasierter Software gegenüber den Anforderungen aus Anwendersicht überprüft. Die Anforderungen werden zu Beginn der komponentenbasierten Softwareentwicklung als Anwendungsfälle spezifiziert. Mit Hilfe von erweiterten UML Sequenzdiagrammen werden die Anwendungsfälle systematisch in eine formale, automatisiert prüfbare Notation überführt, die auch die Spezifikation von Echtzeitanforderungen explizit unterstützt. Da beim Entwurf von komponentenbasierter Software bereits vollständig spezifizierte Software-Komponenten verwendet werden, kann das Verhalten schon in der frühen Entwurfsphase mit Hilfe von Simulation validiert werden. Die Verwendung von Simulation hat den Vorteil, dass auch ohne die in der Praxis meist spät verfügbaren Bestandteile des technischen Prozesses und des Automatisierungsrechnersystems eine Prüfung des simulierten Verhaltens der komponentenbasierten Software durchgeführt werden kann. Anhand festgelegter Prüfkriterien wird dann das simulierte Verhalten der komponentenbasierten Software gegenüber dem in den Anwendungsfällen spezifizierten Verhalten geprüft, um damit frühzeitig Fehler aufzudecken.

Eine im Rahmen der Arbeit realisierte Validierungsumgebung unterstützt den Softwareentwickler dabei umfassend, angefangen bei der Spezifikation von prüfbaren Anwendungsfällen, bis hin zur automatisierten Prüfung des simulierten Verhaltens. Die Leistungsfähigkeit des Prüfverfahrens und der Validierungsumgebung werden abschließend am Beispiel der Entwicklung und Validierung einer komponentenbasierten Software für eine Kfz-Scheibenwischeranlage demonstriert.

Software has become a crucial factor in the development of real-time systems. At the same time the development cycles of software products are increasingly shortened, which results more and more in erroneous software delivered to customers. The usage of prefabricated software components for the development of new products significantly improves the development productivity and product quality. Although the usage of already tested and proven in use software components avoids many errors in advance, the dynamic behaviour of a composed software still has to be validated by a suitable testing method because new errors can arise from the interaction of the components.

For that reason a testing method for the validation of component-based software for real-time systems is developed in this thesis. The testing method checks the dynamic behaviour of a component-based software against user requirements. Such user requirements are specified by use cases at the beginning of the component-based software development. For achieving a testable notation, the use cases are systematically transferred into the formal language of extended UML sequence diagrams. The extensions of the UML sequence diagram syntax provide the additional specification of enhanced real-time requirements. With that preparation, the dynamic behaviour of a component-based software can be validated by simulation in the early design phase, because all prefabricated software components used for the design have already a completely specified behaviour. Applying simulation for the validation of the dynamic behaviour of a component-based software for real-time systems is profitable, because the simulation can be processed earlier without the real components of the technical process and the automation computer system. These components are usually not available during the early software development phases of a real-time system. The developed testing method finally checks the simulated behaviour of the component-based software against the specified behaviour of the use cases employing defined comparison criteria. In that way the testing method enables the early detection of errors in component-based software for real-time systems.

The validation environment, which has been also developed in the context of this thesis, provides a comprehensive assistance for the validation of component-based software for real-time systems. It supports the specification of testable use cases up to an automated conformance check of the simulated behaviour against the specified behaviour from the use cases. The capability of the testing method and of the validation environment are exemplary demonstrated at the development and validation of a component-based software for an automotive wiper system.