Sicherheit für eingebettete Systeme

Software und Hardware für vernetzte eingebettete Systeme müssen höchste Anforderungen an Sicherheit, Echtzeitfähigkeit, Energie- und Ressourceneffizienz erfüllen. In dem am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) koordinierten Projekt XANDAR erarbeiten acht Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft eine komplette Werkzeugkette (Toolchain) zur Softwareentwicklung und Hardware-Software-Integration für komplexe Anwendungen auf zukünftigen Prozessorplattformen, beispielsweise in autonomen Fahrzeugen und für zukünftige Urban-Air-Mobility-Konzepte. Die Europäische Kommission fördert das Projekt mit insgesamt rund fünf Millionen Euro.

Die meisten Computer arbeiten im Verborgenen – als eingebettete Systeme in vielen verschiedenen Anwendungen, von Automobilen über Industriemaschinen und medizinische Apparaturen bis hin zu Haushaltsgeräten. Bei miteinander vernetzten eingebetteten Systemen für komplexe Anwendungen hängt die künftige Entwicklung stark von Künstlicher Intelligenz und Maschinellem Lernen ab. Die Software muss nicht nur spezielle Funktionen erfüllen, sondern auch sogenannten nichtfunktionalen Anforderungen entsprechen, wie Sicherheit, Datenschutz, Zuverlässigkeit, Genauigkeit, Echtzeitfähigkeit, Energie- und Ressourceneffizienz. Autonome Fahrzeuge und Drohnen beispielsweise müssen vor Ausfällen wie auch gegen unberechtigte Eingriffe geschützt sein, um Mensch, Maschine und Umgebung vor Schaden zu bewahren.

Verfeinerung Schritt für Schritt

„Die für die nichtfunktionalen Anforderungen relevanten Parameter müssen im Softwareentwicklungsprozess frühzeitig bestimmt und in der weiteren Systementwicklung konsequent implementiert werden“, erklärt Professor Jürgen Becker, Sprecher der Institutsleitung am Institut für Technik der Informationsverarbeitung (ITIV) des KIT. Der Ingenieurwissenschaftler koordiniert das neue EU-Projekt XANDAR (X-by-Construction Design framework for Engineering Autonomous & Distributed Real-time Embedded Software Systems). In XANDAR erarbeiten Forscherinnen und Forscher im Team mit Industrieentwicklerinnen und -entwicklern eine komplette Toolchain zur Softwareentwicklung für vernetzte eingebettete Systeme, die auf hochparallelen Hardware-Software-Plattformen mit Vielkernprozessoren basieren, beispielsweise für sicherheitskritische Anwendungen im Straßenverkehr und in der Luftfahrt. XANDAR schlägt dazu einen innovativen Ansatz vor – X-by-Construction. Bei dieser Methode handelt es sich um einen schrittweisen Verfeinerungsprozess von der Spezifikation bis zum Code, der nicht nur die korrekte Funktion, sondern auch nichtfunktionale Anforderungen einbezieht. „Wir stellen Programmierern und Systementwicklern eine standardisierte Werkzeugkette zur Verfügung, mit der sie eine automatisierte Hardware-Software-Systemintegration nach allen relevanten Kriterien auch und besonders in einem frühen Stadium des Entwurfsprozesses steuern können. Mit X-by-Construction etablieren wir eine neue integrierte Methode, welche die Qualität deutlich verbessert, Risiken verringert und Kosten senkt“, erläutert Becker, der am ITIV den Forschungsbereich Eingebettete elektronische Systeme leitet.

Acht Partner aus ganz Europa

XANDAR ist Anfang 2021 gestartet und auf drei Jahre angelegt. Die Europäische Kommission fördert das Projekt im Rahmenprogramm „Horizont 2020“ mit insgesamt rund fünf Millionen Euro. Dem Projektkonsortium gehören acht Universitäten, Forschungseinrichtungen und Unternehmen aus ganz Europa an; das KIT ist Koordinator. Am ITIV des KIT entwickeln Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler das Kernstück der Werkzeugkette, die nichtfunktionale Anforderungen in allen Schritten des vorgeschlagenen Ablaufs einbezieht – vom modellbasierten Entwurf über die Aufgabenparallelisierung bis hin zum finalen Code auf der Plattform. Als weitere Partner sind die Universität der Peloponnes, AVN Innovative Technology Solutions Limited, die Queen’s University Belfast, Vector Informatik GmbH, fentISS, BMW und das Deutsche Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR) im Projekt XANDAR vertreten. (or)

Bildunterschrift: Autonome Fahrzeuge und Urban Air Mobility zählen zu den Anwendungen von XANDAR. Projektpartner des KIT sind dabei u.a. das DLR und BMW. (Abb.: XANDAR)

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