Automatisierung von Hardware/Software Integration Tests auf Mikrocontroller Zielumgebungen

Abstract

In der Entwicklung von funktionalen, robusten, effizienten und sicheren Embedded Systemen, werden komplexe System in Hardware und Software Komponenten gekapselt und die Komponenten unabhängig voneinander entwickelt. Die Integration dieser einzelnen Komponenten zum Gesamtsystem muss verifiziert werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Analyse, Umsetzung und Evaluierung von automatisierten Hardware/Software Integration Verifikationsmethoden auf Mikrocontroller Zielumgebungen. Dabei ist die funktionale Verifikation von Software Komponenten auf der Mikrocontroller Zielumgebung, weiterführende Software Integration Tests und weiterführende Hardware/Software Integration Tests mit zugehörigen Hardware Komponenten gemeint. Diese Verifikationsmethoden sind Teil mehrerer Prozesse des Software Process Improvement and Capability Determination (SPICE) Entwicklungsmodells, welche hier im Hinblick auf die Entwicklung von Embedded Systemen beschrieben werden. Im Speziellen wird hier ein Überblick im System Integration Prozess geschaffen, in welchem die Durchführung von Hardware/Software Integration Tests angesiedelt ist. Dabei wird die Durchführung von dezidierten Verifikationen von Software Komponenten auf den Zielumgebungen des entwickelten Systems in gewissen Safety Standards verlangt. Auf diese Anforderungen in den Standards sowie deren Ausführungen in den jeweiligen Prozessen wird in dieser Arbeit im Detail eingegangen. Die Ausführung von Processor In the Loop (PIL) Tests am Mikrocontroller gilt als gängige Methode für die Verifikation von Software Komponenten auf einer Zielumgebung. Dabei wird auch eine Erweiterung um ein umfassendes Hardware In the Loop (HIL) Testsystem zur automatisierten Verifikation von zugehöriger Hardware Peripherie verstanden. Dieses Konzept verlangt allerdings eine weitreichende Instrumentierung, ergänzend zur produktiven Software, am Mikrocontroller und eine komplexe Synchronisierung mit dem HIL Testsystem. In dieser Arbeit werden alternative Tests am Entwicklungsrechner ausgeführt, welche einerseits mit dem HIL Testsystem interagieren und andererseits über einen Debugger mit dem Mikrocontroller kommunizieren. Dabei wird im Speziellen die Kommunikation über die Dubugging Schnittstelle analysiert. Im Zuge eines experimentellen Aufbaus wurde eine Plattform mit einer Klassen Bibliothek erschaffen, welche die Automatisierung von Hardware/Software Integration Tests managt. Diese Plattform wurde durch die Evaluierung von Low-Level Driver (LLD) Software Komponenten auf der jeweiligen Mikrocontroller Zielumgebung geprüft. Die Effizienz der Testlaufzeit bei automatisierter Ausführung wurde mit jener der manuellen verglichen und analysiert. Ein Ausblick auf die Verwendung der Plattform für Software Komponenten und Integration Tests, sowie für Hardware/Software Integration Tests, auf einer Zielumgebung wurde geschaffen. Fehleranfällige gängige Methoden, wie das manuelle händische funktionale Verifizieren von Hardware/Software Komponenten, können abgelöst werden und das entwickelte Produkt kann einem höheren Safety Standard zugeordnet werden.

At the development of functional, robust, efficient and secure embedded systems, complex systems are encapsulated in hardware and software components and the components are developed independently of each other. The integration of these individual components into the overall system must be verified. This thesis deals with the analysis, implementation and evaluation of automated hardware/software integration verication methods on microcontroller target environments.The functional verication of software components on the microcontroller environment, advanced software integration tests and advanced hardware/software integration tests with associated hardware components is understood. These verication methods are part of several processes of the Software Process Improvement and Capability Determination (SPICE) development model, which are described in this work with regard to the development of embedded systems. This thesis shows an overview of the system integration process, in which the implementation of hardware/software integration tests is located.The implementation of dedicated verications of software components on the target environment of the developed system is required in certain safety standards. This work deals in detail with these requirements and their implementation in the respective processes.The execution of Processor In the Loop (PIL) tests on the microcontroller is a common method for the verication of software components on a target environment. An extension with a comprehensive Hardware In the Loop (HIL) test system for the automated verication of associated hardware peripherals is also sketched. This concept requires extensive instrumentation, in addition to the productive software, on the microcontroller and complex synchronization with the HIL test system. In this work, alternative tests are carried out on the development computer, which on the one hand interact with the HIL test system and on the other hand communicate with the microcontroller via a debugger. In particular, the communication via the debugging interface is analyzed.In the course of an experimental setup, a platform with a class library was created that manages the automation of hardware/software integration tests. This platform was evaluated by verifying Low-Level Driver (LLD) software components on the respective microcontroller target environment.The eciency of the test runtime with automated execution was compared and analyzed with that of the manual one. An outlook on the use of the platform for software components and integration tests, as well as for hardware/software integration tests on a target environment was created. Common methods that are prone to errors, such as manual functional verification of hardware/software components can be replaced and the developed product can be assigned toa higher safety standard.