Seminar PikeOS Mixed-Criticality-Systemarchitektur

Dieses Einzelseminar vermittelt die Anforderungsanalyse und Architektur eines Systems, in dem Funktionen unterschiedlicher Kritikalität sicher und effizient gemeinsam betrieben werden. Die Inhalte sind auf technische Umsetzbarkeit, nachvollziehbare Konfiguration und einen kontrollierten Betrieb ausgerichtet. Theorie, Demonstrationen und Laboraufgaben greifen unmittelbar ineinander.

Jeder Arbeitsschritt beginnt mit einer fachlichen Entscheidung, wird anschließend in CODEO oder am Zielsystem umgesetzt und endet mit einer prüfbaren Kontrolle. Dadurch entsteht kein reines Produktwissen, sondern ein belastbarer Arbeitsablauf für Entwicklung, Integration, Prüfung und Betrieb.

Inhaltsübersicht

1. Kritikalitäts- und Vertrauensanalyse
2. Mixed-Criticality-Partitionsdesign
3. Partitionierung und Ressourcenmodell
4. Echtzeitmodell und Zeitbudgets
5. Kommunikationsarchitektur zwischen Partitionen
6. Fehlerbegrenzung und Wiederanlauf
7. Anforderungen und Rückverfolgbarkeit

Zielgruppe

Systemarchitekten, Safety- und Security-Ingenieure, technische Projektleiter, Plattformintegratoren und Verifikationsverantwortliche.

Voraussetzungen

Erfahrung mit Embedded-Systemarchitektur, Anforderungen und Risikoanalysen; PikeOS-Grundkenntnisse werden empfohlen.

Lernziele

• Funktionen nach Kritikalität, Vertrauen, Ausfallwirkung und Ressourcenbedarf klassifizieren.
• Partitionen und Laufzeitumgebungen aus den Analyseergebnissen ableiten.
• Zeit-, Speicher-, Geräte- und Kommunikationsgrenzen konsistent entwerfen.
• Fehlerbegrenzung, Wiederanlauf und degradierte Modi architektonisch festlegen.
• Architekturentscheidungen mit Anforderungen und Prüfkriterien verbinden.

Seminarinhalte

Kritikalitäts- und Vertrauensanalyse

1. Schritt 1: Funktionen nach Kritikalität, Vertrauensniveau und Ausfallwirkung klassifizieren.
2. Schritt 2: Gemeinsame Ressourcen und unerwünschte Kopplung identifizieren.
3. Schritt 3: Sicherheits-, Safety- und Verfügbarkeitsziele voneinander abgrenzen.
4. Schritt 4: Partitionierungsentscheidungen aus den Analyseergebnissen begründen.

Mixed-Criticality-Partitionsdesign

1. Schritt 1: Funktionen zu Partitionen und Laufzeitumgebungen bündeln.
2. Schritt 2: Minimale Berechtigungen, Speichergrenzen und Gerätezugriffe festlegen.
3. Schritt 3: Zeitbudgets und Kommunikationspfade an Kritikalitätsgrenzen ausrichten.
4. Schritt 4: Architekturregeln für spätere Änderungen und Erweiterungen formulieren.

Partitionierung und Ressourcenmodell

1. Schritt 1: Partitionen aus technischen und sicherheitsbezogenen Anforderungen ableiten.
2. Schritt 2: Speicherbereiche, CPU-Zeit, Gerätezugriffe und Kommunikationswege zuweisen.
3. Schritt 3: Startreihenfolge, Zustände und Fehlergrenzen konfigurieren.
4. Schritt 4: Die Konfiguration auf Vollständigkeit, Konflikte und unnötige Berechtigungen prüfen.

Echtzeitmodell und Zeitbudgets

1. Schritt 1: Ende-zu-Ende-Zeitanforderungen in messbare Teilbudgets zerlegen.
2. Schritt 2: Partitionszeit, Thread-Laufzeit, Kommunikation und Geräteverhalten getrennt betrachten.
3. Schritt 3: Perioden, Fristen, Jitter und Überlastbedingungen eindeutig definieren.
4. Schritt 4: Annahmen und Sicherheitsmargen für spätere Messungen dokumentieren.

Kommunikationsarchitektur zwischen Partitionen

1. Schritt 1: Datenflüsse, Produzenten, Verbraucher und Vertrauensgrenzen erfassen.
2. Schritt 2: Direkte Kopplung durch klar definierte Kanäle und Nachrichtenmodelle ersetzen.
3. Schritt 3: Richtung, Datenformat, Aktualität und Ausfallverhalten spezifizieren.
4. Schritt 4: Unnötige Kommunikationsbeziehungen konsequent entfernen.

Fehlerbegrenzung und Wiederanlauf

1. Schritt 1: Fehlertypen nach Ursprung, Ausbreitungsweg und beobachtbarer Wirkung ordnen.
2. Schritt 2: Partitionale Reaktionen, Neustarts und degradierte Modi festlegen.
3. Schritt 3: Fehler gezielt injizieren und die Einhaltung der Begrenzungsgrenzen beobachten.
4. Schritt 4: Wiederanlaufbedingungen und Eskalationspfade anhand von Prüfkriterien bewerten.

Anforderungen und Rückverfolgbarkeit

1. Schritt 1: Systemanforderungen in PikeOS-Konfigurations- und Integrationsanforderungen zerlegen.
2. Schritt 2: Anforderungen eindeutig, prüfbar und widerspruchsfrei formulieren.
3. Schritt 3: Zuordnung zu Architektur, Konfiguration, Quelltext und Testfällen herstellen.
4. Schritt 4: Änderungen auf betroffene Nachweisobjekte und Prüfungen auswirken.

Praxisübungen

• Kritikalitäts- und Vertrauensmatrix für ein repräsentatives System erstellen.
• Partitionsschnitt, Ressourcenmodell und Kommunikationsdiagramm entwickeln.
• Zeitbudget und Major-Frame-Konzept für mehrere Kritikalitätsklassen entwerfen.
• Fehlerausbreitung und Wiederanlauf anhand definierter Szenarien überprüfen.

Arbeitsweise

Kurze Fachblöcke werden unmittelbar durch Demonstrationen und geführte Übungen ergänzt. Konfigurationen, Quelltexte, Prüfprotokolle und Checklisten werden in einer konsistenten Laborumgebung geführt. Fehlerbilder werden nicht nur behoben, sondern systematisch eingegrenzt und dokumentiert.