Möglichkeiten zur Sicherstellung einer hohen Zuverlässigkeit / Systemverfügbarkeit von Embedded Systems

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung
1.1. Begrifflichkeiten
1.1.1. Qualität
1.1.2. Zuverlässigkeit
1.1.3. Emb edded Sytems
1.2. Qualität und Zuverlässigkeit bei Embedded Sytems

2. Theoretische Grundlagen
2.1. Aktuelle Standards
2.2. Reifegradmodelle
2.2.1. CMM
2.2.2. SPICE
2.3. Aktuelle Testmethoden

3. Praktische Anwendung
3.1. Spezielle Dienstleister und Institute
3.2. Laborausrüstung

4. Zusammenfassung und Ausblick

5. Literaturnachweis

1. Einleitung

Die heutzutage in fast allen elektrischen und elektronischen Gütern eingesetzten Rechensysteme zeigen sich weiterhin von starkem Funktionalitätswachstum gekennzeichnet. Eingebettete Systeme, wahrscheinlich erstmals im amerikanischen Raketenprogramm der 60er/70er Jahre als solche bezeichnet, sind heute in einem durchschnittlichen Kraftfahrzeug für eine Vielzahl von Funktionen verantwortlich. Das führte einerseits neben wachsender Funktionalität und sinkender Baugröße auch zum Paralleleinsatz mehrerer Systeme, die auch über Bussysteme vernetzt arbeiten. Am Beispiel des Einsatzes in Automobilen ist auch eine weitere Aufgabe der Embedded Systems erkennbar: Die Gewährleistung von Zuverlässigkeit. Da viele Anwendungen teilweise überlebenswichtige Funktionen übernehmen, beispielsweise Stabilitätskontrollsysteme oder Fly-by-wire-Steuergeräte, ist ein Systemausfall in jedem Fall zu vermeiden. Der Bedarf nach mehr Funktionalität und Komfort lässt den Softwareanteil kontinuierlich wachsen, gerade in sicherheitskritischen Anwendungen sind damit aber auch Risiken verbunden.

Diese Hausarbeit widmet sich der Untersuchung von Qualität und Zuverlässigkeit von Embedded Systems. Dazu erfolgt zunächst ein Überblick über verwendete Begrifflichkeiten, um dann darauf aktuelle Verfahren und Standards zur Sicherstellung von Qualität und Zuverlässigkeit zu beleuchten. Anschließend werden ausgewählte Dienstleister in diesem Arbeitsgebiet näher vorgestellt. Zum Schluss erfolgen ein Vorschlag zu möglichen Testsystematiken und dem entsprechendem Laboraufbau, sowie ein Zukunftsausblick.

1.1. Begrifflichkeiten

Um eine grundlegende Basis für weitere Ausführungen zu schaffen, empfiehlt sich die Definition ausgewählter Begrifflichkeiten. So ist eine gemeinsame Ausgangslage für darauf aufbauende Kapitel erreichbar.

1.1.1. Qualität

Allgemein wird mit Qualität eine Eigenschaft eines Objekts beschrieben (lateinisch: qualis = wie beschaffen), dabei bezieht sie sich auf die eigentliche Beschaffenheit und die erwartete bzw. vorher definierte Beschaffenheit. Erfüllt ein erworbener Gegenstand die gesetzten Erwartungen, wird in aller Regel von „guter“ Qualität gesprochen. Die Übereinstimmung zu vorher festgelegten Eigenschaften kann hoch sein (hohe Qualitätsstufe) oder niedrig (niedrige Qualitätsstufe); Käufer tendieren natürlich zur höheren Qualität.

Im Volksmund wird Qualität oftmals als Gegenstück zur Quantität gesehen. Da aber die Gesamtmenge aller Objekte kein Unterscheidungsmerkmal eines Einzelnen ist, musste ein einheitlicher Qualitätsbegriff geschaffen werden.

Dies erfolgte zum Beispiel mit der inzwischen abgelösten DIN EN ISO 8402:1995-08, die folgendes besagt: Qualität ist „…die Gesamtheit von Merkmalen einer Einheit bezüglich ihrer Eignung, festgelegte und vorausgesetzte Erfordernisse zu erfüllen“¹. Die aktuelle Definition nach DIN EN ISO 9000:2000, der gültigen Norm zum Qualitätsmanagement, definiert Qualität als „Grad, in dem ein Satz inhärenter Merkmale Anforderungen erfüllt“² wird. Ein inhärentes Merkmal kann man auch als innewohnend bezeichnen, es kann also nicht direkt am Objekt geändert werden. Der einzig mögliche Ansatz zur Änderung der Qualität befindet sich also im Herstellungsprozess. Heutzutage ist die Qualität ein wichtiges Instrument, um sich von Mitbewerbern abzusetzen und Kunden erfolgreich zu binden. Deshalb fällt im Unternehmen der Kostenstelle Qualitätsmanagement eine wachsende Bedeutung zu. Das klassische Modell der Qualitätskontrolle nach der Produktion wird zurzeit zurückgedrängt von einer bereits in die Produktion integrierten Qualitätskontrolle.³ Übliche Werkzeuge sind stichprobenartige Untersuchungen, accelerated-life-simulation, Tests unter aggressiver Atmosphäre sowie Fremdeinwirkung durch z.B. Vibrationen.

1.1.2. Zuverlässigkeit

Der Begriff der Zuverlässigkeit bezeichnet einen zeitbezogenen Aspekt der Qualität.

Dabei ist Zuverlässigkeit der Umfang, in dem von einem System erwartet werden kann, dass es die beabsichtigte Funktion mit der erforderlichen Genauigkeit über den Einsatzzeitraum ausführt. Sie umfasst Korrektheit, Robustheit und Ausfallsicherheit. Erfassbar wird Zuverlässigkeit über die Statistik; man kann durch Untersuchungen die Ausfallswahrscheinlichkeit bestimmen und hat so ein Zuverlässigkeitskriterium. Wichtig dabei ist die Reliabilität, die Ergebnisse müssen frei von Zufallsfehlern sein und identisches Verhalten bei jeder Versuchswiederholung beweisen.

1.1.3. Embedded Systems

Eingebettete Systeme sind Steuergeräte für jeweils bestimmte Aufgaben und stecken in immer mehr technischen Geräten. Dabei ergibt sich eine sehr große Spanne der Komplexität; während zum Beispiel in einer Kaffeemaschine nur geringe Anforderungen bewältigt werden müssen, kommen den Rechensystemen in Fahrzeugen sehr komplexe und anspruchsvolle Aufgaben entgegen. Allen Anwendungen ist gemein, dass nur begrenzte Ressourcen zur Verfügung stehen und dies schon während der Planung berücksichtigt werden muss. Studien sagen voraus, dass der Anteil von Hard- und Software von derzeit 20 auf 40 Prozent der Automobilherstellkosten noch in dieser Dekade ansteigen wird.⁴

Embedded Systems arbeiten meist unsichtbar und bezeichnen sowohl Hard- als auch Software, die nötig sind, um den speziellen Dienst zu absolvieren; Entwicklungs- und Zielplattform sind meist verschieden.

Aufgrund ansteigender Komplexität wird dazu übergegangen, den Arbeitsumfang für einzelne Systeme auszuweiten und mehrere Systeme miteinander zu verbinden. „Eingebettete Systeme basieren in Einzelfällen zwar auch auf beinahe derselben Hardware wie Arbeitsplatzcomputer (meist jedoch auf einer älteren Generation), sie unterliegen jedoch in jedem Fall meist stark einschränkenden Randbedingungen: Minimale Kosten und damit geringer Platz-, Energie-, Speicherverbrauch. Die Fertigung in großen Stückzahlen, oft im Millionen-Bereich, ist ein weiterer wichtiger Punkt zur Kostenreduktion. Hinzu kommt, dass die einzelnen Komponenten wie Prozessor und RAM auf Weiterentwicklungen älterer Komponenten basieren, was die Langlebigkeit steigert, Stromverbrauch und -kosten jedoch nicht unbedingt senkt. ‚Moderne’ Entwicklungen werden demzufolge häufig auf Plattformen basieren, die mit der PC- Welt nichts mehr zu tun haben, aber im Bezug auf die Peripheriemodule hochintegriert sind und durch moderne Stromspartechniken entschieden weniger Energie verbrauchen.“⁵

1.2. Qualität und Zuverlässigkeit bei Embedded Systems

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Qualitätsmerkmale⁶

Qualität ist ein Produktmerkmal neben Funktionalität, Verhalten und Performance und steht für Zuverlässigkeit und Sicherheit [Abb. 1]. Qualität in der Produktion steht jedoch auch für einen hohen Aufwand und damit für höhere Kosten, die Produktionskosten sind für das produzierende Unternehmen eine kritische Größe.

Gerade mit steigender Komplexität gewinnt die Qualität bei Embedded Systems an Bedeutung, vor allem durch Bus-Vernetzung und die Übertragung von sicherheitskritischen und lebenswichtigen Aufgaben.

Da der Trend bei Embedded Systems auf immer komplexere Software zeigt, kommt dieser eine Schlüsselrolle bei der Qualität zu. Ein Entwicklungsziel sieht für weitere Einsatzfelder auch die Funktionalitätsverlagerung von Hard- zu Software vor. Zur Folge hat der Anstieg des Softwareumfangs eine Senkung der Produktivität, gleichzeitig erhöht sich die Fehleranzahl - gleichbedeutend mit Qualitätsverlust.⁷ Untersuchungen zeigen, dass etwa alle drei Jahre eine Verdopplung der Rechenleistung und Speicherkapazität erfolgt, jedoch nur 4 Prozent Leistungszuwachs bei Software erfolgt.⁸

Zusammen mit der Tatsache, dass auch in modernen Anlagen häufig ältere genau bekannte Rechentechnik zum Einsatz kommt, verdeutlichen diese Fakten, dass Qualität bei Embedded Systems vor allem von der Software abhängt.

2. Theoretische Grundlagen

Zur Sicherstellung von Qualität im Allgemeinen gibt es viele Möglichkeiten. Wie bereits genannt gibt es Standards (ISO), die sowohl Qualität, Qualitätssicherung (QS) und Qualitätssicherungsmaßnahmen (QSM) definieren. Entwicklungsprozesse können weiterhin im Vorfeld mit entsprechender Technik hochgradig systematisiert werden, dabei sollte der Qualitätssicherung bereits während der Produktion eine hohe Priorität eingeräumt werden.

Dieser Abschnitt gibt einen Überblick über aktuelle Standards und Definitionen erfolgreicher Möglichkeiten zur Qualitätssicherstellung. Auch Methoden, wie Entwicklungsprozesse systematisiert und qualitativ hochwertiger gestaltet werden können, werden genannt; dazu gehören auch Methoden, die zur Sicherstellung von Produktqualität dienen.

2.1. Aktuelle Standards

Standards und Produktnormen nach nationalen und internationalen Modellen tragen viel zur Qualitätssicherung bei.

Mit Hilfe der Produktnorm ISO 9126 kann die Qualität von Software bestimmt werden, die Prüfung der Eigenschaften als Merkmal und jeweiliger Ausprägung erfolgt laut ISO 12119.

Folgende Qualitätsmerkmale und die jeweiligen Untermerkmale werden untersucht [Tabelle 1]:

[...]

¹ http://de.wikipedia.org/wiki/Qualit%C3%A4t, gesehen am 09.12.06.

² http://de.wikipedia.org/wiki/Qualit%C3%A4t, gesehen am 09.12.06.

³ Fleischammer, W.: Quality by Design for Electronics, Lodon [u.a.] 1996. S. 9.

⁴ Bender, K.: Embedded Systems: qualitätsorientierte Entwicklung, Berlin [u.a.] 2005. S. 7.

⁵ http://de.wikipedia.org/wiki/Embedded_Systems, gesehen am 15.02.2007.

⁶ Gerlich, R.: Entwicklung von „High Quality Embedded Systems“ in der industriellen Praxis. DLR CASEAnwendertag, Göttingen 1995. S. 2.

⁷ Bender (2005). S. 9.

⁸ Ibid, S. 10.