Design patterns for safety-critical embedded systems

Armoush, Ashraf; Kowalewski, Stefan

doi:3273

Design patterns for safety-critical embedded systems = Entwurfsmuster für sicherheitskritische eingebettete Systeme

Armoush, Ashraf (Author)

2010

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Ashraf Armoush

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2010

UmfangXIV, 181 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Kowalewski, Stefan (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-06-15

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-32730
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/51773/files/3273.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Eingebettetes System (Genormte SW) ; Entwurfsmuster (Genormte SW) ; Informatik (frei) ; nicht-funktionale Anforderung (frei) ; embedded system (frei) ; design patterns (frei) ; non-functional requirements (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 004
rvk: ST 153

Kurzfassung
Seit einigen Jahren werden eingebettete Systeme zunehmend in sicherheitskritischen Anwendungen eingesetzt, in welchen ein Ausfall zu ernsthaften Konsequenzen führen kann. Der Entwurf solcher Systeme stellt einen komplexen Prozess dar, der die Integration gängiger Entwurfsmuster sowohl für Hardware als auch für Software voraussetzt, um funktionale sowie nicht-funktionale Anforderungen sicherheitskritischer Anwendungen zu erfüllen. Entwurfsmuster, die abstrakte Lösungen für häufig wiederkehrende Entwurfsprobleme bieten, finden Anwendung im der Software- und Hardware-Entwurf. In dieser Dissertation wird das Konzept der Entwurfsmuster auf den Entwurf sicherheitskritischer eingebetteter Systeme angewendet. Um den Entwurf zu unterstützen, wurde ein Katalog entsprechender Entwurfsmuster erstellt. Diese Sammlung umfasst Entwurfsmuster für Hardware- und Softwaredesign, die weit verbreitete Entwurfsprobleme, wie zum Beispiel die Behandlung von zufälligen und systematischen Fehlern, Sicherheitsüberwachung und Ablaufkontrolle abdecken. Des Weiteren enthält der Katalog eine Komponente zur Entscheidungsfindung, die basierend auf verfügbaren Ressourcen und Anforderungen die Auswahl geeigneter Entwurfsmuster für ein bestimmtes Problem unterstützt. Da nicht-funktionale Anforderungen eine wichtige Rolle im Entwurf sicherheitskritischer, eingebetteter Systeme spielen, legt diese Arbeit den Schwerpunkt auf die Integration von Auswirkungen auf nicht-funktionale Anforderungen in das existierende Entwurfsmusterkonzept. Die Auswahl eines Entwurfsmusters für eine sicherheitskritische, eingebettete Anwendung erfolgt unter Einbezug der Auswirkungen und Seiteneffekte, die das repräsentierte Entwurfsmuster auf die nicht-funktionalen Anforderungen des Systems haben kann. Dabei werden Sicherheit, Änderbarkeit, Kosten und Ausführungszeit als Anforderungen in Betracht gezogen. Sicherheit und Zuverlässigkeit stellen die wichtigsten nicht-funktionalen Anforderungen dar, die beim Entwurf sicherheitskritischer Anwendungen sichergestellt sein sollten. Daher präsentiert diese Arbeit Bewertungsmethoden, um relative Sicherheits- und Zuverlässigkeitsverbesserungen bewerten zu können, die sich aus der Anwendung der vorgeschlagenen Entwurfsmuster ergeben. Außerdem wird eine Monte-Carlo-basierte Simulationsmethode angewendet, um die vorgeschlagene Bewertungsmethode zu illustrieren. Dadurch wird der Vergleich der Eignung verschiedener Entwurfsmuster für Sicherheit und Zuverlässigkeit ermöglicht.

Over the last few years, embedded systems have been increasingly used in safety-critical applications where failure can have serious consequences. The design of these systems is a complex process, which is requiring the integration of common design methods both in hardware and software to fulfill functional and non-functional requirements for these safety-critical applications. Design patterns, which give abstract solutions to commonly recurring design problems, have been widely used in the software and hardware domain. In this thesis, the concept of design patterns is adopted in the design of safety-critical embedded system. A catalog of design patterns was constructed to support the design of safety-critical embedded systems. This catalog includes a set of hardware and software design patterns which cover common design problems such as handling of random and systematic faults, safety monitoring, and sequence control. Furthermore, the catalog provides a decision support component that supports the decision process of choosing a suitable pattern for a particular problem based on the available resources and the requirements of the applicable patterns. As non-functional requirements are an important aspect in the design of safety-critical embedded systems, this work focuses on the integration of implications on non-functional properties in the existing design pattern concept. A pattern representation is proposed for safety-critical embedded application design methods by including fields for the implications and side effects of the represented design pattern on the non-functional requirements of the systems. The considered requirements include safety, reliability, modifiability, cost, and execution time. Safety and reliability represent the main non-functional requirements that should be provided in the design of safety-critical applications. Thus, reliability and safety assessment methods are proposed to show the relative safety and reliability improvement which can be achieved when using the design patterns under consideration. Moreover, a Monte Carlo based simulation method is used to illustrate the proposed assessment method which allows comparing different design patterns with respect to their impact on safety and reliability.

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