Der Elektrik/Elektronik- und der IT-Anteil steigt derzeit in den aktuellen Premium -Fahrzeugen stetig an. Durch den Verbau von immer mehr (hochvernetzten) Steuergeräten im Fahrzeug wird versucht, dem Wunsch der Kunden nach mehr Funktionalität, Sicherheit, etc. gerecht zu werden. Aufgrund der Komplexität und der großen Entwicklungssprünge sind jedoch die neuen Steuergeräte meistens nicht mehr kompatibel mit den Vorgänger-Steuergeräten. Hier ist ein großes Einsparpotenzial vorhanden und dies ist auch der Ansatzpunkt des Forschungsthemas ”CompA“ (Compatibility Analysis of Electronic Control Units), das in diesem Dokument beschrieben wird. Im Rahmen dieses Forschungsthemas wird eine Methode definiert, mit der zwei Steuergeräte auf Rückwärtskompatibilität untersucht werden können. Der Ansatz baut auf drei Schwerpunkten auf: • Definition eines Spezifikationsansatzes zur hinreichenden Beschreibung von Steuergeräten auf Basis eines XML-Schemas. Es werden hierbei sowohl die statischen als auch die dynamischen Eigenschaften abgebildet. Dieser neuartige Spezifikationsansatz bildet die Basis für den nächsten Schwerpunkt. • Definition einer Methode zur Analyse von Rückwärtskompatibilität von Steuergeräten auf Basis eines XML-Schemas. Die Rückwärtskompatibilität zweier Steuergeräte bzw. Systeme wird auf Basis der zugehörigen XML-Dokumente analysiert. Kern der Vergleichsmethode ist hierbei ein effizientes Mapping der XML-Dokumente und ein Experten-Regelwerk. • Definition einer Methode zur Kompatibilitätsanalyse von Message Sequence Charts (MSC). MSCs werden eingesetzt, um dynamisches Verhalten an der Schnittstelle von Steuergeräten zu beschreiben. In diesem Dokument wird ein Ansatz definiert, mit dem MSCs zueinander auf Rückwärtskompatibilität geprüft werden können. Der Vergleich erfolgt auf Basis deterministischer Automaten. Des Weiteren wird im vorliegenden Dokument ein Konzept für eine graphische Benutzeroberfläche (GUI) vorgestellt, die zur Spezifikation von Steuergeräten geeignet ist und sich adaptiv unterschiedlichen Schemata anpasst. Alle vorgestellten Konzepte wurden in einem Software-Tool implementiert und die Gültigkeit an mehreren Beispielen validiert.

Der stetig steigende Funktionsumfang im Automobil und die zunehmende Vernetzung von Steuergeräten erfordern neue Methoden zur Beherrschung der Komplexität in der Validierung und Verifikation. Die virtuelle Absicherung ermöglicht die Integration der Software in einem PC-System, unabhängig von der Ziel-Hardware, zur frühzeitigen Gewährleistung der Softwarequalität im Entwicklungsprozess. Ebenso kann die Wiederverwendbarkeit vorhandener Komponenten in zukünftigen Mikrocontrollern sichergestellt werden. Die Grundlage dafür liefert der AUTOSAR-Standard durch einheitliche Schnittstellenbeschreibungen, welche die Abstraktion von Hardware und Software ermöglichen. Allerdings enthält der Standard hardwareabhängige Software-Komponenten, die als Complex-Device-Drivers (CDDs) bezeichnet werden. Aufgrund ihrer Hardwareabhängigkeit sind CDDs nicht direkt in eine virtuelle Absicherungsplattform integrierbar, da die spezifischen Hardware-Module nicht verfügbar sind. Die Treiber sind dennoch Teil der Steuergeräte-Software und somit bei einem ganzheitlichen Absicherungsansatz mit zu betrachten. Diese Dissertation beschreibt sieben unterschiedliche Konzepte zur Berücksichtigung von CDDs in der virtuellen Absicherung. Aus der Evaluierung der Praxistauglichkeit aller Ansätze wird eine Auswahlmethodik für die optimale Lösung bei sämtlichen Anwendungsfällen von CDDs in der Steuergeräte-Software entwickelt. Daraus abgeleitet, eignen sich zwei der Konzepte für die häufigsten Anwendungsfälle, die im Weiteren detailliert beschrieben und realisiert werden. Das erste Konzept erlaubt die vollständige Simulation eines CDD. Dies ist notwendig, um die Integration der Funktions-Software selbst ohne den Treiber zu ermöglichen und alle Schnittstellen abzusichern, auch wenn der CDD noch nicht verfügbar ist. Durch eine vollständige Automatisierung ist die Erstellung der Simulation nur mit geringem Arbeitsaufwand verbunden. Das zweite Konzept ermöglicht die vollständige Integration eines CDD, wobei die Hardware-Schnittstellen über einen zusätzlichen Hardware-Abstraction-Layer an die verfügbare Hardware des Systems zur virtuellen Absicherung angebunden werden. So ist der Treiber in der Lage, reale Hardware-Komponenten anzusteuern und kann funktional abgesichert werden. Eine flexible Konfiguration der Abstraktionsschicht erlaubt den Einsatz für eine große Bandbreite von CDDs. Im Rahmen der Arbeit werden beide Konzepte anhand von industrierelevanten Projekten aus der Serienentwicklung erprobt und detailliert evaluiert. / The constantly increasing amount of functions in modern automobiles and the growing degree of cross-linking between electronic control units (ECU) require new methods to master the complexity in the validation and verification process. The virtual validation and verification enables the integration of the software on a PC system, which is independent from the target hardware, to guarantee the required software quality in the early development stages. Furthermore, the software reuse in future microcontrollers can be verified. All this is enabled by the AUTOSAR standard which provides consistent interface descriptions to allow the abstraction of hardware and software. However, the standard contains hardware-dependent components, called complex device drivers (CDD). Those CDDs cannot be directly integrated into a platform for virtual verification, because they require a specific hardware which is not generally available on such a platform. Regardless, CDDs are an essential part of the ECU software and therefore need to be considered in an holistic approach for validation and verification. This thesis describes seven different concepts to include CDDs in the virtual verification process. A method to always choose the optimal solution for all use cases of CDDs in ECU software is developed using an evaluation of the suitably for daily use of all concepts. As a result from this method, the two concepts suited for the most frequent use cases are detailed and developed as prototypes in this thesis. The first concept enables the full simulation of a CDD. This is necessary to allow the integration of the functional software itself without the driver. This way all interfaces can be tested even if the CDD is not available. The complete automation of the generation of the simulation makes the process very efficient. With the second concept a CDD can be entirely integrated into a platform for virtual verification, using an hardware abstraction layer to connect the hardware interfaces to the available hardware of the platform. This way, the driver is able to control real hardware components and can be tested completely. A flexible configuration of the abstraction layer allows the application of the concept for a wide variety of CDDs. In this thesis both concepts are tested and evaluated using genuine projects from series development.

Der Elektrik/Elektronik- und der IT-Anteil steigt derzeit in den aktuellen Premium -Fahrzeugen stetig an. Durch den Verbau von immer mehr (hochvernetzten) Steuergeräten im Fahrzeug wird versucht, dem Wunsch der Kunden nach mehr Funktionalität, Sicherheit, etc. gerecht zu werden. Aufgrund der Komplexität und der großen Entwicklungssprünge sind jedoch die neuen Steuergeräte meistens nicht mehr kompatibel mit den Vorgänger-Steuergeräten. Hier ist ein großes Einsparpotenzial vorhanden und dies ist auch der Ansatzpunkt des Forschungsthemas ”CompA“ (Compatibility Analysis of Electronic Control Units), das in diesem Dokument beschrieben wird. Im Rahmen dieses Forschungsthemas wird eine Methode definiert, mit der zwei Steuergeräte auf Rückwärtskompatibilität untersucht werden können. Der Ansatz baut auf drei Schwerpunkten auf: • Definition eines Spezifikationsansatzes zur hinreichenden Beschreibung von Steuergeräten auf Basis eines XML-Schemas. Es werden hierbei sowohl die statischen als auch die dynamischen Eigenschaften abgebildet. Dieser neuartige Spezifikationsansatz bildet die Basis für den nächsten Schwerpunkt. • Definition einer Methode zur Analyse von Rückwärtskompatibilität von Steuergeräten auf Basis eines XML-Schemas. Die Rückwärtskompatibilität zweier Steuergeräte bzw. Systeme wird auf Basis der zugehörigen XML-Dokumente analysiert. Kern der Vergleichsmethode ist hierbei ein effizientes Mapping der XML-Dokumente und ein Experten-Regelwerk. • Definition einer Methode zur Kompatibilitätsanalyse von Message Sequence Charts (MSC). MSCs werden eingesetzt, um dynamisches Verhalten an der Schnittstelle von Steuergeräten zu beschreiben. In diesem Dokument wird ein Ansatz definiert, mit dem MSCs zueinander auf Rückwärtskompatibilität geprüft werden können. Der Vergleich erfolgt auf Basis deterministischer Automaten. Des Weiteren wird im vorliegenden Dokument ein Konzept für eine graphische Benutzeroberfläche (GUI) vorgestellt, die zur Spezifikation von Steuergeräten geeignet ist und sich adaptiv unterschiedlichen Schemata anpasst. Alle vorgestellten Konzepte wurden in einem Software-Tool implementiert und die Gültigkeit an mehreren Beispielen validiert.

Der stetig steigende Funktionsumfang im Automobil und die zunehmende Vernetzung von Steuergeräten erfordern neue Methoden zur Beherrschung der Komplexität in der Validierung und Verifikation. Die virtuelle Absicherung ermöglicht die Integration der Software in einem PC-System, unabhängig von der Ziel-Hardware, zur frühzeitigen Gewährleistung der Softwarequalität im Entwicklungsprozess. Ebenso kann die Wiederverwendbarkeit vorhandener Komponenten in zukünftigen Mikrocontrollern sichergestellt werden. Die Grundlage dafür liefert der AUTOSAR-Standard durch einheitliche Schnittstellenbeschreibungen, welche die Abstraktion von Hardware und Software ermöglichen. Allerdings enthält der Standard hardwareabhängige Software-Komponenten, die als Complex-Device-Drivers (CDDs) bezeichnet werden. Aufgrund ihrer Hardwareabhängigkeit sind CDDs nicht direkt in eine virtuelle Absicherungsplattform integrierbar, da die spezifischen Hardware-Module nicht verfügbar sind. Die Treiber sind dennoch Teil der Steuergeräte-Software und somit bei einem ganzheitlichen Absicherungsansatz mit zu betrachten. Diese Dissertation beschreibt sieben unterschiedliche Konzepte zur Berücksichtigung von CDDs in der virtuellen Absicherung. Aus der Evaluierung der Praxistauglichkeit aller Ansätze wird eine Auswahlmethodik für die optimale Lösung bei sämtlichen Anwendungsfällen von CDDs in der Steuergeräte-Software entwickelt. Daraus abgeleitet, eignen sich zwei der Konzepte für die häufigsten Anwendungsfälle, die im Weiteren detailliert beschrieben und realisiert werden. Das erste Konzept erlaubt die vollständige Simulation eines CDD. Dies ist notwendig, um die Integration der Funktions-Software selbst ohne den Treiber zu ermöglichen und alle Schnittstellen abzusichern, auch wenn der CDD noch nicht verfügbar ist. Durch eine vollständige Automatisierung ist die Erstellung der Simulation nur mit geringem Arbeitsaufwand verbunden. Das zweite Konzept ermöglicht die vollständige Integration eines CDD, wobei die Hardware-Schnittstellen über einen zusätzlichen Hardware-Abstraction-Layer an die verfügbare Hardware des Systems zur virtuellen Absicherung angebunden werden. So ist der Treiber in der Lage, reale Hardware-Komponenten anzusteuern und kann funktional abgesichert werden. Eine flexible Konfiguration der Abstraktionsschicht erlaubt den Einsatz für eine große Bandbreite von CDDs. Im Rahmen der Arbeit werden beide Konzepte anhand von industrierelevanten Projekten aus der Serienentwicklung erprobt und detailliert evaluiert. / The constantly increasing amount of functions in modern automobiles and the growing degree of cross-linking between electronic control units (ECU) require new methods to master the complexity in the validation and verification process. The virtual validation and verification enables the integration of the software on a PC system, which is independent from the target hardware, to guarantee the required software quality in the early development stages. Furthermore, the software reuse in future microcontrollers can be verified. All this is enabled by the AUTOSAR standard which provides consistent interface descriptions to allow the abstraction of hardware and software. However, the standard contains hardware-dependent components, called complex device drivers (CDD). Those CDDs cannot be directly integrated into a platform for virtual verification, because they require a specific hardware which is not generally available on such a platform. Regardless, CDDs are an essential part of the ECU software and therefore need to be considered in an holistic approach for validation and verification. This thesis describes seven different concepts to include CDDs in the virtual verification process. A method to always choose the optimal solution for all use cases of CDDs in ECU software is developed using an evaluation of the suitably for daily use of all concepts. As a result from this method, the two concepts suited for the most frequent use cases are detailed and developed as prototypes in this thesis. The first concept enables the full simulation of a CDD. This is necessary to allow the integration of the functional software itself without the driver. This way all interfaces can be tested even if the CDD is not available. The complete automation of the generation of the simulation makes the process very efficient. With the second concept a CDD can be entirely integrated into a platform for virtual verification, using an hardware abstraction layer to connect the hardware interfaces to the available hardware of the platform. This way, the driver is able to control real hardware components and can be tested completely. A flexible configuration of the abstraction layer allows the application of the concept for a wide variety of CDDs. In this thesis both concepts are tested and evaluated using genuine projects from series development.

Elektronische und elektrische Systeme stellen seit einigen Jahren einen zunehmenden Anteil an den Gesamtproduktionskosten von Personenkraftfahrzeugen. Laut Prognosen wird sich diese Entwicklung zwar abschwächen, jedoch wird der Wertschöpfungsanteil der Elektronik am Fahrzeug weiter zunehmen. Die hier vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit leistungselektronischen Subsystemen in PKW, die aufgrund der benötigten Chipfläche der Halbleiter kostenintensiv sind. Ziel der Arbeit ist es, Strukturen zu entwickeln und zu untersuchen, die es ermöglichen, mehrere Verbraucher in einer solchen Struktur zu betreiben und dadurch Leistungshalbleiter einzusparen. In einer Analyse werden die derzeitige Struktur der Verbraucher im Fahrzeug, die dazugehö-rige Elektronik und die zeitlichen Abhängigkeiten der Verbraucher untereinander dargestellt. Die Analyse kommt zu dem Schluss, dass die Verbraucher im Fahrzeug auf den jeweiligen Einsatzzweck hin optimiert sind. Dadurch sind sie kostengünstig und einfach aufgebaut. Ge-meinsamkeiten, die für eine Vereinheitlichung der Leistungselektronik genutzt werden kön-nen, können unter Beachtung der betrachteten Systeme gefunden werden. Daraus werden Anforderungen an alternative leistungselektronische Strukturen formuliert. In der Arbeit werden zwei leistungselektronische Schaltungen untersucht, die den Forderun-gen nach einer Einsparung von Leistungshalbleitern gerecht werden. Bei der matrixförmigen Vernetzungsschaltung sind die Versorgungsleitungen in Zeilen und Spalten angeordnet, zwi-schen denen die Verbraucher angeschlossen sind. Bei der linearen Vernetzungsschaltung be-nutzen alle an einer Struktur angeschlossenen Verbraucher teilweise eine gemeinsame und eine individuelle Leistungselektronik. Dabei wird ein geringerer Vernetzungsgrad erreicht. Bei der matrixförmigen Vernetzungsschaltung wird ein hoher Vernetzungsgrad erzielt. Hier-bei kann eine Vielzahl von Verbrauchern mit vergleichsweise wenig Leistungselektronik be-trieben werden. Der hohe Vernetzungsgrad hat Bedingungen an die Anordnung der in der Struktur befindlichen Verbraucher zur Folge, die es nur bei kleinen Strukturen ermöglichen ohne Hilfsmittel eine optimale Struktur zu entwerfen. Für größere Strukturen werden Me-thoden benötigt, um die Anordnung der Verbraucher so zu gestalten, dass die Bedingungen an den gleichzeitigen Betrieb in der Applikation erfüllt werden können. Diese Aufgabe entspricht dem mathematischen Problemkreis der kombinatorischen Optimierung. Als Lösungsmethoden werden die Ganzzahlige Lineare Programmierung, die in jedem Fall ein exaktes Ergebnis er-reicht, und Genetische Algorithmen verwendet, die auch bei sehr großen Strukturen ein opti-miertes Ergebnis erzielen können. Die Genetischen Algorithmen werden in dieser Arbeit auf das Problem und dessen Darstellung angepasst, und die Ergebnisse der Optimierung mit de-nen der exakten Verfahren verglichen. Ergebnisse zeigen, dass die auf die Problemstellung angepassten Genetischen Algorithmen mit hoher Sicherheit das globale Optimum finden. Es werden matrixförmige und lineare Strukturen für eine Sitzsteuerung und eine Klappen-verstellung einer Klimaanlage entworfen, mit den beschriebenen Methoden optimiert und nachfolgend bewertet. In der Bewertung wird gezeigt, dass die entworfenen alternativen Strukturen den konventionellen teilweise überlegen sind und je nach elektronischem System zu einer deutlichen Kosteneinsparung führen können. In den untersuchten Systemen hat sich die lineare Struktur als besonders vorteilhaft herausgestellt.

Elektronische und elektrische Systeme stellen seit einigen Jahren einen zunehmenden Anteil an den Gesamtproduktionskosten von Personenkraftfahrzeugen. Laut Prognosen wird sich diese Entwicklung zwar abschwächen, jedoch wird der Wertschöpfungsanteil der Elektronik am Fahrzeug weiter zunehmen. Die hier vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit leistungselektronischen Subsystemen in PKW, die aufgrund der benötigten Chipfläche der Halbleiter kostenintensiv sind. Ziel der Arbeit ist es, Strukturen zu entwickeln und zu untersuchen, die es ermöglichen, mehrere Verbraucher in einer solchen Struktur zu betreiben und dadurch Leistungshalbleiter einzusparen. In einer Analyse werden die derzeitige Struktur der Verbraucher im Fahrzeug, die dazugehö-rige Elektronik und die zeitlichen Abhängigkeiten der Verbraucher untereinander dargestellt. Die Analyse kommt zu dem Schluss, dass die Verbraucher im Fahrzeug auf den jeweiligen Einsatzzweck hin optimiert sind. Dadurch sind sie kostengünstig und einfach aufgebaut. Ge-meinsamkeiten, die für eine Vereinheitlichung der Leistungselektronik genutzt werden kön-nen, können unter Beachtung der betrachteten Systeme gefunden werden. Daraus werden Anforderungen an alternative leistungselektronische Strukturen formuliert. In der Arbeit werden zwei leistungselektronische Schaltungen untersucht, die den Forderun-gen nach einer Einsparung von Leistungshalbleitern gerecht werden. Bei der matrixförmigen Vernetzungsschaltung sind die Versorgungsleitungen in Zeilen und Spalten angeordnet, zwi-schen denen die Verbraucher angeschlossen sind. Bei der linearen Vernetzungsschaltung be-nutzen alle an einer Struktur angeschlossenen Verbraucher teilweise eine gemeinsame und eine individuelle Leistungselektronik. Dabei wird ein geringerer Vernetzungsgrad erreicht. Bei der matrixförmigen Vernetzungsschaltung wird ein hoher Vernetzungsgrad erzielt. Hier-bei kann eine Vielzahl von Verbrauchern mit vergleichsweise wenig Leistungselektronik be-trieben werden. Der hohe Vernetzungsgrad hat Bedingungen an die Anordnung der in der Struktur befindlichen Verbraucher zur Folge, die es nur bei kleinen Strukturen ermöglichen ohne Hilfsmittel eine optimale Struktur zu entwerfen. Für größere Strukturen werden Me-thoden benötigt, um die Anordnung der Verbraucher so zu gestalten, dass die Bedingungen an den gleichzeitigen Betrieb in der Applikation erfüllt werden können. Diese Aufgabe entspricht dem mathematischen Problemkreis der kombinatorischen Optimierung. Als Lösungsmethoden werden die Ganzzahlige Lineare Programmierung, die in jedem Fall ein exaktes Ergebnis er-reicht, und Genetische Algorithmen verwendet, die auch bei sehr großen Strukturen ein opti-miertes Ergebnis erzielen können. Die Genetischen Algorithmen werden in dieser Arbeit auf das Problem und dessen Darstellung angepasst, und die Ergebnisse der Optimierung mit de-nen der exakten Verfahren verglichen. Ergebnisse zeigen, dass die auf die Problemstellung angepassten Genetischen Algorithmen mit hoher Sicherheit das globale Optimum finden. Es werden matrixförmige und lineare Strukturen für eine Sitzsteuerung und eine Klappen-verstellung einer Klimaanlage entworfen, mit den beschriebenen Methoden optimiert und nachfolgend bewertet. In der Bewertung wird gezeigt, dass die entworfenen alternativen Strukturen den konventionellen teilweise überlegen sind und je nach elektronischem System zu einer deutlichen Kosteneinsparung führen können. In den untersuchten Systemen hat sich die lineare Struktur als besonders vorteilhaft herausgestellt.

Die Einführung des AUTOSAR Standards in der Softwareentwicklung für Steuergeräte ermöglicht die Entwicklung von Kundenfunktionalitäten unabhängig von der Zielplattform. Eine AUTOSAR konforme Applikation wird anschließend für eine konkrete Zielplattform konfiguriert. Diese Flexibilität bringt auch neue Herausforderungen für den Test eines Steuergerätes mit sich. Diese Arbeit präsentiert einen Ansatz, der sowohl durch statische Analysen von Konfigurationen und Quellcode, als auch durch dynamische Tests den Entwicklungsprozess von AUTOSAR Systemen unterstützt. Der dynamische Test überprüft auf der Zielplattform die Schichten der Basissoftware und der RTE und unterstützt bei der Fehlerlokalisierung. Der präsentierte Ansatz ist für alle Versionen der AUTOSAR Classic Plattform anwendbar und nutzt nur Methoden, die durch den AUTOSAR Standard erlaubt sind. Für diese Arbeit wurde eine Wissensbasis entworfen und umgesetzt, die das Architekturwissen des AUTOSAR Standards vorhält. In der Wissensbasis sind Schichten, Stacks und Basissoftwaremodule mit ihren Eigenschaften abgelegt. Durch die Arbeit konnten verschiedenen Projekte mit AUTOSAR Architektur überprüft, verglichen und optimiert werden.:1. Einleitung 2. Grundlagen 3. Stand der Technik 4. Konzept 5. Implementierung 6. Ergebnisse 7. Zusammenfassung und Ausblick A. AUTOSAR Basissoftwaremodule in Wissensbasis / The introduction of the AUTOSAR standard in software development for electronic control units enables the development of customer functionalities independent of the target platform. An AUTOSAR-compliant application is configured for a specific target platform. This flexibility leads to new challenges for testing of electronic control units. This work presents an approach for supporting the development and test process of AUTOSAR systems by static analysis and dynamic tests. The dynamic test checks the different layers of the basic software and RTE on the target platform. Moreover, error localization is supported. The presented approach can be used for all versions of the AUTOSAR Classic platform and only uses methods that are permitted by the AUTOSAR standard. A knowledge base was designed and implemented for this work, which contains the architecture knowledge of the AUTOSAR standard. Layers, stacks and basic software modules with their properties are stored in the knowledge base. The work enabled various projects with AUTOSAR architecture to be checked, compared and optimized.:1. Einleitung 2. Grundlagen 3. Stand der Technik 4. Konzept 5. Implementierung 6. Ergebnisse 7. Zusammenfassung und Ausblick A. AUTOSAR Basissoftwaremodule in Wissensbasis