5 Teil 5: V-Modell-Referenz Produkte

5.3 Produkte

5.3.10 Systementwurf

5.3.10.4 HW-Architektur

Verantwortlich: HW-Architekt (bei Verwendung des Vorgehensbausteins HW-Entwicklung)

Mitwirkend: HW-Entwickler, Systemarchitekt, Systemintegrator

Sinn und Zweck

Ausgehend von den funktionalen und nicht-funktionalen Anforderungen an eine »HW-Einheit ist es Aufgabe des »HW-Architekten, eine geeignete »HW-Architektur zu entwerfen. Das Produkt HW-Architektur dient dabei sowohl als Leitfaden zum Entwurf als auch zur Dokumentation der Entwurfsentscheidungen.

Wie in der Systemarchitektur werden richtungsweisende Architekturprinzipien festgelegt und mögliche Entwurfsalternativen untersucht. Entsprechend der gewählten Entwurfsalternative wird die Zerlegung (Dekomposition) der HW-Einheit in »HW-Komponenten, »HW-Module und »Externes HW-Modul beschrieben. Beziehungen und Schnittstellen zwischen den Elementen und zur Umgebung werden identifiziert und im Überblick dargestellt. Ein »Daten- und Signalkatalog der an den Schnittstellen ausgetauschten Signale wird erstellt. Die gewählte Architektur wird hinsichtlich ihrer Eignung für das geforderte System bewertet. Offene Fragen können beispielsweise im Rahmen einer prototypischen Entwicklung geklärt werden.

Das Ergebnis des Architekturentwurfs wird im Zeichnungssatz der HW-Einheit dokumentiert. Dieser enthält alle für die Fertigung notwendigen Unterlagen, wie beispielsweise Aufbauübersicht, Zeichnungen, Montageanleitungen, Stücklisten, Stromlaufpläne, Verdrahtungspläne, Layout und Liefervorschriften.

Der Entwurf der HW-Architektur kann Änderungen der Systemarchitektur nach sich ziehen. Abhängig von den Vorgaben im Projekthandbuch wird die Änderung vom »Systemarchitekten geprüft und gegebenenfalls direkt eingearbeitet. Im Einzelfall kann ein expliziter Änderungsantrag notwendig sein.

Hauptverantwortlicher für den Entwurf der HW-Architektur ist der HW-Architekt. Unterstützt wird er dabei vom »HW-Entwickler und von verschiedenen Experten zu Einzelthemen wie Logistik, Sicherheit oder Ergonomie.

Die HW-Architektur stellt das zentrale Dokument für die Erstellung weiterer »Produkte dar. Sie legt alle »HW-Komponenten und »HW-Module der HW-Einheit fest. Entsprechend den Vorgaben werden die jeweiligen Elemente mit ihren Spezifikationen erstellt.

Wird erzeugt von

Implementierungs-, Integrations- und Prüfkonzept System, Systemarchitektur (siehe Produktabhängigkeit 4.4)

Implementierungs-, Integrations- und Prüfkonzept Unterstützungssystem, Unterstützungs-Systemarchitektur (siehe Produktabhängigkeit 4.5)

Erzeugt

Prüfprotokoll Benutzbarkeit, Prüfspezifikation Benutzbarkeit, HW-Komponente, HW-Spezifikation, Prüfprotokoll Systemelement, Prüfprozedur Systemelement, Prüfspezifikation Systemelement, Datenschutzkonzept, Informationssicherheitskonzept, Sicherheitsanalyse (siehe Produktabhängigkeit 4.6)

Prüfprotokoll Benutzbarkeit, Prüfspezifikation Benutzbarkeit, Marktsichtung für Fertigprodukte, Externes HW-Modul, Externes-HW-Modul-Spezifikation, Make-or-Buy-Entscheidung, Prüfprotokoll Systemelement, Prüfprozedur Systemelement, Prüfspezifikation Systemelement, Datenschutzkonzept, Informationssicherheitskonzept, Sicherheitsanalyse (siehe Produktabhängigkeit 4.7)

Prüfprotokoll Benutzbarkeit, Prüfspezifikation Benutzbarkeit, HW-Modul, HW-Spezifikation, Prüfprotokoll Systemelement, Prüfprozedur Systemelement, Prüfspezifikation Systemelement, Datenschutzkonzept, Informationssicherheitskonzept, Sicherheitsanalyse (siehe Produktabhängigkeit 4.8)

5.3.10.4.1 Architekturprinzipien und Entwurfsalternativen

Die Beschreibung des Themas Architekturprinzipien und Entwurfsalternativen entspricht weitgehend dem Thema Architekturprinzipien und Entwurfsalternativen der Systemarchitektur. Zu Architekturprinzipien auf HW-Ebene zählen beispielsweise Vorgaben zu Standards und Richtlinien, die einzuhalten sind. Entwurfsalternativen auf HW-Ebene beschreiben unterschiedliche Möglichkeiten der »Dekomposition der HW-Einheit in »HW-Komponenten und »HW-Module.

5.3.10.4.2 Dekomposition der HW-Einheit

Im Rahmen der Dekomposition wird die statische Struktur der »HW-Einheit festgelegt. Die statische Struktur beschreibt die Zerlegung der Einheit in »HW-Komponenten und »HW-Module. Das Entwurfsergebnis wird als Graph der zu realisierenden »HW-Elemente sowie ihrer Beziehungen untereinander dokumentiert. Alle »HW-Komponenten und »HW-Module werden mit ihren Identifikatoren und einer Langbezeichnung aufgelistet.

Grundlage der Dekomposition sind die Anforderungen aus der »HW-Spezifikation der HW-Einheit oder eines übergeordneten Systemelementes. Randbedingungen werden durch in der »HW-Architektur identifizierte Architekturprinzipien sowie die getroffenen Entwurfsentscheidungen vorgegeben.

Ergebnis des letzten Dekompositionsschrittes sind die Fertigungsunterlagen wie beispielsweise Zeichnungen, Stromlaufpläne, Stücklisten und Verdrahtungspläne. Dazu gehört auch eine detaillierte Beschreibung programmierbarer Logik mit Funktion, Aufruf, Parameterliste und Übertragungsrichtung und die in Anspruch genommenen Ressourcen.

5.3.10.4.3 Schnittstellenübersicht

In der Schnittstellenübersicht der »HW-Architektur werden die Schnittstellen der »HW-Einheit sowie die Schnittstellen ihrer »HW-Elemente im Überblick dargestellt. Zur Beschreibung der Schnittstellenübersicht wird jeweils nur die Kommunikation auf einer Ebene betrachtet:

Auf Ebene der HW-Einheit werden die Schnittstellen zu anderen Einheiten sowie zur Umgebung beschrieben.
Auf Ebene der »HW-Komponenten werden die Schnittstellen zwischen den Komponenten innerhalb der Einheit beschrieben.
Auf Ebene der »HW-Module werden die Schnittstellen zwischen den Modulen innerhalb der Komponente beschrieben.

Umgebungsschnittstellen eines HW-Elementes können beispielsweise zum Anwender, zur Logistik oder zu verschiedenen »Unterstützungssystemen existieren. Die detaillierte Beschreibung der Schnittstellen erfolgt in den jeweiligen Spezifikationen der HW-Elemente.

5.3.10.4.4 Daten- und Signalkatalog

Im »Daten- und Signalkatalog der »HW-Architektur werden alle an den Schnittstellen und innerhalb der »HW-Einheit ausgetauschten Signale und Variablen mit Bezeichner, Datentyp, Datenformat, Funktion und Wertebelegung beschrieben.

5.3.10.4.5 Designabsicherung

Wurde ein Architekturentwurf für die »HW-Einheit gewählt und bis auf Modulebene ausgearbeitet, so ist sicherzustellen, dass der gewählte Entwurf für die Anforderungen geeignet ist. Zur Designabsicherung von »HW-Architekturen wird festgelegt, welche Analyse- und Bewertungsverfahren für das gewählte Design durchzuführen sind. Häufig eingesetzte Verfahren sind beispielsweise:

Zuverlässigkeitsanalysen für den Betrieb und die Lagerung auf Basis vorgegebener Standards
Toleranzanalysen unter Berücksichtigung der Fertigungstoleranzen
Vibrations- und Thermalanalysen
Board-Level-Simulation zur Sicherstellung der Signalintegrität
Simulation und Bewertung der abgestrahlten und eingestrahlten elektromagnetischen Wellen
Analyse der Erfüllung der Vertraulichkeitsanforderungen des gegebenen Designs
Rapid Prototyping kritischer Anteile programmierbarer Logik, um die Realisierbarkeit bei gegebener Gatteranzahl und Taktrate sicherzustellen.

Durchführung und Ergebnisse der Analysen werden dokumentiert. Sie können eventuell eine Neubewertung der Entwurfsentscheidungen sowie eine Überarbeitung der Architektur nach sich ziehen.

5.3.10.4.6 Zu spezifizierende HW-Elemente

Die Erstellung einer Spezifikation für ein »HW-Element ist aufwändig und nicht in allen Fällen erforderlich. Zur individuellen Anpassung des Spezifikationsaufwands an die Projekterfordernisse hat der »HW-Architekt, abhängig von den Vorgaben im Projekthandbuch sowie den Anforderungen, die Möglichkeit festzulegen, für welche HW-Elemente eine »HW-Spezifikation zu erstellen ist.

Kriterien für die Notwendigkeit einer Spezifikation können beispielsweise sein: die Kritikalität des HW-Elements, die Komplexität der Anforderungen an das HW-Element oder die Vorgaben zur Prüfung im »Implementierungs-, Integrations- und Prüfkonzept HW. Für HW-Elemente, die einer Prüfung unterzogen werden, ist in jedem Fall eine HW-Spezifikation zu erstellen, da sie als Vorgabe der »Prüfspezifikation Systemelement dient. Für HW-Elemente, die als nicht zu spezifizieren eingestuft werden, ist jeweils eine Begründung aufzuführen.