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    Allgemeines

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    • Ankündigungen Forum

    • Eingebettete Systeme durchdringen praktisch alle Bereiche des täglichen Lebens. Immer häufiger übernehmen diese sicherheitskritischen Echtzeitsysteme Aufgaben, welche hohe Anforderungen an die funktionale Sicherheit stellen. Beispiele hierfür sind Fahrerassistenzsysteme in modernen Automobilen, medizinische Geräten, Prozessanlagen oder Flugzeugen. Fehlfunktionen in diesen Anwendungen ziehen mitunter katastrophale Konsequenzen nach sich: finanziell, materiell bis hin zu Personenschäden. Die Entwicklung sicherer und robuster Systeme gewinnt daher in der Forschung und Entwicklung zunehmend an Bedeutung.

    • Wichtige Hinweise zum Format der Lehrveranstaltung

      Die Veranstaltung findet im Sommersemester 2023 wieder in Präsenz statt.
      • Davon unberührt stehen Ihnen die Online-Materialien der Vorsemester uneingeschränkt zur Verfügung.
      • Aufgrund der Raumsituation ist die Teilnehmerzahl begrenzt, daher ist eine Voranmeldung in LSF zwingend erforderlich.
      • In der Veranstaltung werden Programmierkenntnisse in C/C++ vorausgesetzt. Einen Eindruck über den Ablauf der Übungen können Sie sich weiter unten machen.
      • Gruppenarbeit: Die Übungen werden in Dreiergruppen bearbeitet und in persönlichen Gesprächen (Präsenz oder Online) abgegeben. Die verteilte Versionsverwaltung git wird im Rahmen der Übungen vermittelt und dient als Kollaborations- und Abgabewerkzeug.
      • Die Laborarbeit in Form einer betreuten Rechnerübung findet Online oder in Präsenz statt.
      • In jedem Fall sollten sich Gruppen gemäß der Vorlieben (Präsenz/Online) homogen zusammenschließen.


      Anmeldung

      Bitte melden Sie sich in LSF an, bei Überbuchung erfolgt die Vergabe der Plätze nach der ersten Vorlesung im Losverfahren.

    • Voraussetzungen

      Die Veranstaltung ist inhaltlich weitgehend in sich abgeschlossen und für alle Studierenden mit einer Begeisterungsfähigkeit für praktische, systemnahe Informatik geeignet. Allgemein sind grundlegenden Betriebssystemkenntnissen, systemnaher Programmierung von eingebetteten Systemen und ein gewisses Durchhaltevermögen äußerst hilfreich.

      Für die Bearbeitung der Übungsaufgaben sind entsprechend grundlegenden Programmierkenntnissen in C und/oder C++ notwendig. Weiterhin sind grundlegende Erfahrungen im Umgang mit der Linux-Umgebung in den Pools beziehungsweise deren eigenständige Aneignung erforderlich.

      Selbsttest: Programmierkenntnisse

      Zur Einordnung der eigenen C-Kenntnisse haben wir einen kleinen Selbsttest zusammengestellt. Wenn Sie (mit etwas knobeln) die Fragen beantworten und auch die Programmieraufgabe lösen können, sollten keine handwerklichen Probleme mit den Übungsaufgaben haben und können sich voll auf die zu vermittelnden Konzepte konzentrieren. Fällt Ihnen die Beantwortung der Fragen schwer, sollten die fraglichen Programmierkonzepte und die Bedeutung der unbekannten Schlüsselwörter vor Belegung des Moduls nachrecherchiert werden, da diese nicht im Rahmen der Übung vermittelt werden können.
      (Quelltext: sensor.c)


    • Termin für die Vorlesung

      • Zeit: Donnerstags, 12-14 Uhr (c.t.)
      • Ort: Raum 205 (OH16)
      • Achtung: Die Vorlesung startet erst am 13.04. (2. Woche)

      Termin für die Übung

      • Zeit: Mittwochs, 14-16 Uhr (c.t.)
      • Ort: Raum 205 (OH16)
      • Achtung: Die Übung startet erst am 19.04. (3. Woche)

      Termin für die Rechnerübung

      • Zeit: Donnerstags, 14-16 Uhr (c.t.)
      • Ort: Raum E07 (OH16)
      • Zugang zum Labor ausserhalb der Übung zu den normalen Bürozeiten jederzeit möglich

    • Dozent


      Prof. Dr. Peter Ulbrich
      Prof. Dr. Peter Ulbrich


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    Vorlesung

    • Inhalt der Vorlesung

      Die Veranstaltung Verlässliche Systemsoftware stellt Methoden und Techniken für die Entwicklung sicherheitskritischer Systeme aus Sicht der Systemsoftware (Betriebssystem- / Maschinenprogrammebene) in den Mittelpunkt. Ziel der Vorlesung ist die zuverlässige Entwicklung von Software (frei von internen Fehlern) ebenso wie die Entwicklung zuverlässiger Software (robust gegenüber äußeren Fehlern). Im Fokus steht hierbei weniger die Vermittlung von theoretischer Grundkenntnisse, sondern vielmehr deren praktischer Einsatz in Form von:

      • Fehlersuche und -vermeidung: funktional, räumlich und zeitlich,
      • unter Einsatz existierender Werkzeuge und Methoden wie sich auch in der Industrie zum Einsatz kommen.
      • Robuste Echtzeitsysteme durch Fehlertoleranz und Verteilung

      Auf diese Weise wird ein Fundament für die konstruktive Umsetzung verlässlicher Systeme gelegt werden. Dieses Modul vermittelt daher fundierte Anknüpfungspunkte für die Entwicklung verlässlicher (Echtzeit-)systeme.

    • Vorlesungsfolien

    • Kapitel
      		 Vorlesung
      		 Thema Folien
      		Screencasts
      1
      		 13.04.
      		 1. Organisatorisches
      X. Was sind Echtzeitsysteme in 10 Minuten      		 Animiert | A4
      Animiert | A4      		  
      2
      		 13.04.
      2. Einleitung
      2.1. Therac-25
      2.2. Ariane 5
      2.3. Mars Climate Orbiter
      		 Animiert | A4
      Video
      Video
      Video
      3
      		 20.04.
      		 3. Grundlagen
      3.1. Begriffsdefinition: Fehler
      3.2. Verlässlichkeitsmodelle
      3.3. Fehler und Systementwurf
      3.4. Software- und Hardwarefehler       		Animiert | A4
      Video
      Video
      Video
      Video
      4
      		 27.04.
      		 4. Fehlertoleranz durch Redundanz
      4.1. Grundlagen
      4.2. Strukturelle Redundanz
      4.3. Umsetzungsalternativen und Beispiele
      4.4. Diversität       		Animiert | A4
      Video
      Video
      Video
      Video
      5
      		 04.05. 5. Codierung
      5.1. Grundlagen
      5.2. Arithmetische Codierung
      5.3. Heterogener Einsatz von Redundanz
      		 Animiert | A4
      Video
      Video
      Video
      6
      		 11.05. 6. Fehlerinjektion
      6.1. Grundlagen
      6.2. Fehlerinjektionstechniken
      6.3. Auswertung und Interpretation       		Animiert | A4
      Video
      Video
      Video

      		18.05.
      		 Christi Himmelfahrt
      7
      		 25.05. 7. Dynamisches Testen
      7.1. Testarten und Konzepte
      7.2. Bewertung von Testfällen
      7.3. Durchführung und Testumgebung       		Animiert | A4
      Video
      Video
      Video
      8
      		 01.06. 8. Grundlagen der statischen Programmanalyse
      8.1. Vom Testen zur Verifikation
      8.2. Abstraktion der Programmsemantik
      8.3. Analyse & Vereinfachung       		Animiert | A4
      Video
      Video
      Video

      		08.06.
      		 Fronleichnam
      9
      		 15.06.
      		 9. Verifikation nicht-funktionaler Eigenschaften
      9.1. Speicherverbrauch
      9.2. Ausführungszeit       		Animiert | A4
      Video
      Video
      10
      		 22.06.
      		 10. Verifikation funktionaler Eigenschaften: Design-by-Contract
      10.1. Grundlagen
      10.2. Formale Spezifikation
      10.3. Praktische Überlegungen       		Animiert | A4
      Video
      Video
      Video
      11
      		 29.06.
      		 11. Fallstudie Reaktorschutzsystem
      11.1. Sizewell B       		Animiert | A4
      Video
      12
      		 06.07.
      		 12. Zusammenfassung
             		Animiert | A4

      		12.07.
      		 Prüfungsvorbereitung


    • Literatur

    • Zur Begleitung und Vertiefung des Vorlesungsinhalts kann auf folgende Fachbücher zurückgegriffen werden:

      • Michael Lyu, editor. Software Fault Tolerance, volume 3 of Trends in Software. John Wiley & Sons, Inc., 1995. http://www.cse.cuhk.edu.hk/~lyu/book/sft/.
      • Shubu Mukherjee. Architecture Design for Soft Errors. Morgan Kaufmann Publishers Inc., San Francisco, CA, USA, 2008.
      • Olga Goloubeva, Maurizia Rebaudengo, Matteo Sonza Reorda, and Massimo Violante. Software-Implemented Hardware Fault Tolerance. Springer-Verlag, 233 Spring Street, New York, NY 10013, USA, 2006.
      Hierbei ist aber zu beachten, dass sich der Inhalt der Vorlesung nicht streng an einem dieser Bücher orientiert und sich keineswegs auf diese Bücher beschränkt. Die gezielte Aufarbeitung der einzelnen Vorlesungskapitel kann anhand der Literaturhinweise am Ende der jeweiligen Foliensätze erfolgen. Grundlegende Erläuterungen zu den Fachbegriffen und Grundtechniken fehlertoleranter Systeme sollten darüber hinaus in jedem Fachbuch vermittelt werden, das sich mit diesem Themengebiet befasst.

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    Übungen

    • Ziel der Übung

      Analog zur Vorlesung befassen sich die Übungsaufgaben mit der zuverlässigen Entwicklung zuverlässiger Software. Im Rahmen eines Produktentwicklungszyklus werden in den Übungsaufgaben sowohl selbstgeschriebene als auch fremde Codestücke unter die Lupe genommen. Die Programmiersprache ist hierbei vorwiegend C. Als Vorraussetzung für die Übung sollte man deshalb grundlegende C-Kenntnisse mitbringen.

      Zuverlässige Software entwickeln

      Während der erste Teil sich auf das Finden von Entwicklungsfehlern konzentriert, betrachten wir in der zweiten Hälfte auch Fehler, die zur Laufzeit auftreten können. Hierzu zählen vor allem unerwartete Hardwarefehler, die den Programmfluss bzw. Rechenergebnisse beeinflussen können. In der Übung werden wir hierzu verschiedene konstruktive Maßnahmen kennenlernen und umsetzen, die die Software gegen derartige Fehlerszenarien härten können.

      Zuverlässig entwickeln

      Ein wesentlicher Bestandteil dieser Veranstaltung ist das Kennenlernen und der Umgang mit Werkzeugen, die die Entwicklung verlässlicher Systeme unterstützen. Hierzu zählen u.a.:

    • Helpdesk

      Der HelpDesk findet online in unserem Matrix-Raum #vss-helpdesk:fachschaften.org (z.B. via Matrix-Server der Fachschaft) statt. Dort steht euch asynchron ein Tutor zur Seite, um Fragen zu beantworten und Hilfestellungen zu geben. Sollte die Textform nicht als Kommunikationskanal ausreichen, besteht die Möglichkeit, auf unseren Raum auf unseren BigBlueButton-Server auszuweichen.

      Matrix

      Matrix ist ein föderiertes Chat-System. Unsere Fachschaft betreibt einen Server dieser Föderation auf fachschaften.org und hat ausführlich dokumentiert, wie dieser genutzt werden kann. Kurzfassung:


    • Übungsmaterial

      Der Großteil der Videos wurde im Sommersemester 2020 aufgezeichnet. Sofern nötig, wurden diese neu eingespielt. Sollten sich dennoch veraltete Daten oder ins SS20 verweisende Links in den Videos finden, bitte entsprechend durch SS23 ersetzen (und uns mitteilen).

    • Kapitel
      		 Start
      		 Thema Folien
      		Screencasts
      1
      		 19.04.
      		 1. Versionsverwaltung mit git
      1.0 Organisatorisches
      1.1 Nachschlagewerk: Reguläre Übungsfolien
      Git by Example
      Animiert | A4
      Animiert | A4


      Video
      2
      		 26.04.
      		 2. Softwareentwurf, Festkommaarithmetik und Schnittstellendesign
      2.0 Prinzipien des Softwareentwurfs
      2.1 C als standardisierte Programmiersprache
      2.2 Festkommaarithmetik
      2.3 Softwareentwurf am Beispiel eines einfachen Filters
      2.4 Aufgabe2: Filterimplementierung mit Festkommaarithmetik
      Animiert | A4
      Animiert | A4
      Animiert | A4
      Animiert | A4
      Animiert | A4
      Video
      Video
      Video

      Video
      3
      		 10.05. 3. Triple Modular Redundancy
      3.0 Die Zahl 3
      3.1 Replikation auf Quellcodeebene, Untersuchung von Binärdateien
      3.2 Aufgabe 3: Triple Modular Redundancy
      Exkurs: Replikation in der Praxis
      Exkurs: Arbeiten mit Unixoiden Benutzerschnittstellen


      Animiert | A4
      Animiert | A4
      Youtube
      Video
      Video
      Video
      Video
      4
      		 10.05. & 17.05.
      		 4. Kodierung und Fehlerraumanalyse
      4.0 Untersuchung von Binärdateien im ELF Format
      4.1 Fehlerinjektion (17.05.)
      4.2 Implementierungsaspekte Arithmetische Codierung
      Animiert | A4
      Animiert | A4
      Animiert | A4
      Video

      Video
      5
      		 31.05.
      		 5. Testen
      5.0 Dynamisches Testen
      5.1 Exkurs: Werkzeuggestütztes Testen
      5.2 Iteratorentwurf
      Animiert | A4
      Animiert | A4
      Animiert | A4
      Video
      Video
      6
      		 21.06. & 28.06.
      		 6. Analyse und Verifikation funktionaler und nicht-funktionaler Eigenschaften
      6.0 Verifikation Laufzeitfehler mittels Astrée
      6.1 Funktionale Verifikation mittels Frama-C
      Animiert | A4
      Animiert | A4
      Video
      Video
    • eCos Einführung - Codebeispiel für 2 Prozesse und 1 Alarm File
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    Übungsaufgaben

    • Nr
      		 Übungsaufgabe
      		 Ausgabe
      		 Abgabe
      		 Aufgabenblatt
      1
      		 Versionsverwaltung mit git
      		 19.04.
      		 27.04.
      		 PDF
      2
      		 Filterimplementierung
      		 26.04.
      		 11.05.
      		 PDF
      3
      		 Triple Modular Redundancy
      		 03.05.
      		 25.05.
      		 PDF
      4
      		 Härtung mittels Codierung
      		 11.05.
      		 07.06.
      		 PDF
      5 Dynamisches Testen 31.05.
      		 29.06.
      06.07.
      13.07.
      		 PDF (Impl.)
      PDF (Test)
      PDF (Tools)
      6
      		 Statsische Analyse
      		 22.06.
      		 06.07.

    • Jeopardy
    • Antwortsätze für die GUI File