摘要：在本系列文中，我们定义并实现了一个自动化环境，该环境能够对与固件开发相关的工作产品进行分析，以评估ASPICE合规状态。该仪表板引入了一个工具，用于获取、存储和可视化与不同软件程序相关的数据以及每个正在进行的测试结果。我们设置了Python脚本以提取数据，并将工具的数据填充到MySQL数据库中。最后，我们实现并集成了一个Tableau仪表板，以清晰易懂的方式展示这些数据，从而为与ASPICE合规状态相关的决策过程提供便利。

提示：“汽车固件ASPICE合规性分析自动化环境”系列文共分为三个篇章，这是该系列文的篇章“一”，主要概述了基础知识及相关问题。在后续发布的篇章“二”中，我们将进行KPI分析与数据检索。而在篇章“三”中，我们将解析“数据收集与数据库设计、仪表板开发与自动化”等方面内容。

01. 简介

在当今世界，嵌入式系统无处不在，为从移动设备到工业机械的一切提供动力。特别是固件，在实现这些嵌入式系统的功能方面起着关键作用，它提供了与硬件组件接口并执行系统级任务所需的底层软件。在汽车行业，固件对车辆的运行至关重要，控制着从发动机正时到信息娱乐系统的一切。随着车辆成为我们交通系统的重要组成部分，并且对更先进、更高效的解决方案的需求不断增加，汽车行业也在不断发展。

随着汽车系统变得更加复杂和互联，确保固件的质量和可靠性变得越来越重要，对控制所有操作的复杂软件的需求也增加了。固件在确保汽车平稳、高效、安全运行方面起着关键作用，而这种复杂性带来了许多挑战，包括需要严格的测试和验证。实现这一目标的一种方法是遵守ASPICE标准。ASPICE是一个评估和改进汽车行业软件开发过程的框架，它提供了开发过程指南，确保软件满足必要的质量和安全要求。通过遵守ASPICE，汽车公司可以确保其固件开发过程定义明确、控制良好，并能够交付高质量和可靠的固件。

在汽车固件开发中实施ASPICE至关重要。确保软件符合必要的安全标准并确保汽车按预期运行是一项相当大的挑战。如果没有正确实施ASPICE，软件错误、漏洞的风险就会增加，可能导致安全隐患和代价高昂的召回。

因此，在本系列文中，我们将讨论在汽车固件开发中实施ASPICE的重要性。我们将研究ASPICE的各个方面，包括其好处、挑战以及如何将其集成到软件开发过程中。此外，我们将自动化一个环境，该环境允许分析与固件开发相关的工作产品，以评估ASPICE合规状态。

1.1问题陈述与动机

从移动设备到工业机器，现在一切都由嵌入式系统驱动。特别是固件，在实现这些嵌入式系统的功能方面至关重要，因为它提供了与硬件部件通信并执行系统级操作所需的低级软件。在汽车行业，固件对汽车的运行至关重要，负责从发动机正时到娱乐系统的一切。

在过去几十年中，汽车软件得到了极大的扩展，从没有代码行到如今某些情况下多达2亿行。由于项目的复杂性，可能需要数百名工程师合作才能满足数万个标准。确保每个人都达成共识对于满足OEM规范至关重要。举个例子，建筑公司建造房屋时，通常会进行多次检查，以确保正在按照批准的建筑计划施工。如果在项目早期发现重大错误，如管路系统问题，修复起来会更容易且成本更低。软件开发也是如此，但是在软件开发过程中，可能更难清晰地了解项目情况。事实上，正因为如此，ASPICE才能发挥作用，OEM可以放心，ASPICE将在每个阶段都考虑到他们项目的需求。

ASPICE（Automotive Spice）是一种评估软件开发过程的行业标准方法。自2005年推出以来，ASPICE帮助汽车供应商实施最佳实践，以便在开发过程早期发现缺陷，并确保满足OEM规范。OEM发现，平均而言，符合ASPICE标准的供应商在量产前11个月发现了90%的缺陷，而不符合ASPICE标准的供应商仅在量产前两个月发现了90%的缺陷，这危及了按时发布。

因此，ASPICE被视为纳入最佳实践、在开发过程早期发现缺陷以及确保满足OEM标准的关键阶段。那么，评估合规性并做出基于ASPICE数据的决策的秘诀是什么？

在当今世界，要成功运营任何组织，理解数据至关重要。即使是最懂数据的人，也可能难以处理随时可用的大量信息。要做出基于ASPICE数据的决策，需要找到最关键的事实，并以易于理解的方式组织它们。使数据对技术和非技术用户都易于理解的最简单方法之一是创建一个仪表板，将所有数据可视化方便地显示在一个位置。如果在仪表板可以显示数据之前，必须手动从一个平台导入、导出和转换数据，那么数据将会过时。这往好里说会导致效率低下，往坏里说会导致错误的假设和严重的决策失误。因此，找到一个能够实时收集和呈现所有必要数据的自动化系统，作为用户的快速准确参考，是非常重要的。

1.2目标与拟议解决方案

这项工作的主要目标是定义并实施一个自动化框架，该框架能够每周分析与固件开发相关的工作产品，以评估ASPICE合规性。

这个自动化系统可以在一个位置以图形方式显示不同类型的ASPICE数据。通常，仪表板的目的是以易于理解的格式呈现各种相关事实。组织需要能够快速观察和理解关键绩效指标（KPI）或其他重要业务信息。

目标是开发一个仪表板，为每个项目提供与ASPICE相关的数据实时更新，因为在当今的业务中，数据可能在几小时甚至几分钟内发生变化。仪表板作为利益相关者的快速参考点，使他们能够轻松密切关注可能落后的活动或表现不佳的项目，以便他们采取补救措施。

1.3项目工作流程

项目的工作流程分为四个主要部分：

· 从不同工具获取数据：在这一步骤中，从与项目相关的各种工具和来源收集数据。这些工具可能包括版本控制系统、错误跟踪系统、测试框架和其他软件开发工具。收集的数据包括有关代码更改、错误报告、测试结果和其他相关指标的信息。

· 将数据存储到数据库中：数据获取后，需要存储在MySQL数据库中，以便进一步处理和分析。数据的组织和结构方式便于后续步骤的轻松检索和操作。

· 与Jenkins集成以实现自动化：数据存储后，下一步是将脚本和流程与Jenkins（一个流行的自动化服务器）集成。Jenkins允许自动化各种任务，如运行测试、生成报告以及执行持续集成和部署。通过将脚本与Jenkins集成，项目可以受益于自动化工作流和简化的流程。

· 使用Tableau可视化数据：最后一步是使用强大的数据可视化工具Tableau对收集和处理的数据进行可视化。Tableau提供了一系列功能和可视化效果，允许对数据进行交互式探索和分析。通过可视化数据，项目利益相关者可以获得有价值的见解、识别模式并做出数据驱动的决策。

通过遵循此工作流程（请参见图1.3），项目可以有效地从不同工具收集数据，将其存储在数据库中，使用Jenkins自动化流程，并使用Tableau可视化数据，从而实现高效分析和明智决策。

图1.3：项目工作流程

02. 总体概述

本节总结了与拟议工作相关的基础知识，以便更好地理解。我们将总体了解软件开发、V模型以及ASPICE过程模型及其在基于软件的系统开发中的应用目的。

2.1 什么是软件开发？

软件由一系列指令或程序组成，使计算机能够执行特定任务。它还提供了设计和管理计算机系统的能力。通过使计算机能够根据预编程的指令执行各种任务和活动，它实现了计算系统的灵活性和可编程性。

软件开发过程包括源代码的创建和维护。然而，它远不止于此，涵盖了从所需程序的概念化到实际实施的每个阶段，通常遵循与软件工程经常重叠的有计划和有序的方法。所有导致软件产品创建的活动，包括研究、新开发、原型设计、修改、重用、再工程、维护等，都被视为软件开发的一部分。

2.1.1 软件开发过程步骤

软件开发通常涉及一系列阶段和活动，可总结如下：

· 方法选择：选择合适的方法学，为软件开发过程提供框架，如敏捷、DevOps、RAD、SAFe、V模型等。

· 收集需求：了解并记录用户和利益相关者的需求和期望。

· 架构选择/开发：选择或开发程序将在其中运行的基础框架和结构。

· 设计开发：生成满足指定标准的解决方案，有时使用过程模型和故事板。

· 模型创建：使用SysML或UML等建模工具和语言进行早期设计验证、原型设计和仿真。

· 代码构建：使用选定的编程语言编写实际代码，并通过同行和团队评审尽早发现和修复问题，确保软件质量。

· 测试：进行测试活动，包括预定义的场景，以验证软件的功能和性能。

· 配置和缺陷管理：管理软件工件，解决和跟踪缺陷，确定质量保证优先级和发布标准。

· 部署：部署软件供使用，并解决出现的任何用户问题。

· 数据迁移：必要时，将数据从现有应用程序或源迁移到新的或更新的软件。

· 项目管理和测量：监控和评估项目，确保质量和按时交付，利用能力成熟度模型（CMM）等模型评估开发过程。

· 软件开发过程与应用程序生命周期管理（ALM）一致，包括需求分析、设计与开发、测试、部署以及维护和支持等阶段。生命周期强调持续改进的重要性，因为在维护和支持期间发现的问题可以为未来周期的需求提供信息。

2.1.2 软件开发生命周期（SDLC）

组织可以自由选择最合适的软件开发生命周期（SDLC）模型或其他方法来管理各种项目，包括软件开发。为了使所选方法与项目的特定特征和风险保持一致，必须彻底研究和理解该方法。

软件生命周期模型根据其目的可以分为描述性模型或规定性模型。描述性模型提供特定软件系统开发过程的回顾性说明，记录其历史进展。描述性模型对于分析和改进软件开发过程或作为创建基于经验的规定性模型的基础非常有价值。相反，规定性模型提供了软件开发的推荐方法或一组指南。

2.1.2.1 V型模型

V模型是一种软件开发范式，强调软件开发生命周期（SDLC）的系统化和结构化方法。其独特的V形图描绘了开发过程中的活动流程，因此得名。V模型包括测试阶段和开发阶段之间的并行和顺序链接。软件开发过程的每个阶段都有一个独特的测试阶段，形成并行结构，请参见图2.1。

图2.1：软件开发中的V型模型

在这个被称为V模型的模型中，每个阶段必须成功完成后才能进入下一个阶段。与其他开发模型相比，V模型更重视测试。在进行任何编码之前，在实施之前的每个阶段都制定并执行测试过程。

生命周期的第一步是收集需求。在开发开始之前，创建系统测试计划，其重点是确保在需求收集期间所述的功能得到实现。

在高层设计阶段，主要关注系统架构和设计。为了评估各种软件组件的互操作性，此步骤还包括制定集成测试策略。

在低层设计阶段设计实际的软件组件，并进行单元测试。在实施阶段进行编码活动。编码阶段完成后，开发过程沿着V模型右侧的执行路径向上进行。

在这个阶段，执行先前制定的测试计划。测试阶段包括执行系统测试和集成测试，确保软件满足定义的需求并有效运行。

2.1.2.2 V模型中的项目定义阶段

· 需求分析：

收集产品需求的一个步骤是分析用户需求。在很大程度上，此阶段专注于定义系统所需的功能，而不涉及系统架构或实现的细节。用户需求文档详细说明了用户要求的功能、接口、性能、数据、安全性和其他需求。它作为用户和业务分析师之间的沟通渠道，为系统设计人员在接下来的设计阶段提供指导。在这个级别，还创建了用户验收测试。

为了有效地在软件和硬件开发方法中收集需求，采用了各种方法，如访谈、问卷调查、原型设计和用例分析。这些方法有助于捕获和理解用户需求。

· 系统设计：

在系统设计阶段，系统工程师仔细检查用户需求文档，以全面了解所提议系统的业务方面。他们探索各种可能性和方法，以有效地实现用户需求。如果任何需求被认为不切实际或无法实现，会立即通知用户，并努力找到合适的解决方案。因此，用户需求文档会更新和修订，以反映商定的解决方案。

· 架构设计：

创建计算机和软件架构的过程称为高层设计。选择架构时的主要目标是确保它满足所有先决条件。这包括识别接口链接和依赖关系、定义模块的核心功能、选择数据库表、绘制架构图以及提供技术信息。在这个特定阶段，还开发了集成测试的设计。

· 模块设计：

模块设计阶段也称为低层设计。在这一步骤中，将预期系统中的每个模块分解为更小的组件或模块，以便程序员可以直接编码。此外，在此时设计单元测试设计。

2.1.2.3 V模型中的验证阶段

在V模型中，验证阶段的每个级别与其在确认阶段中的对应阶段是并行的。这确保了验证和确认过程同步。V模型的确认步骤通常包括以下阶段：

· 单元测试：

在V模型的模块设计阶段创建单元测试计划（UTP）。这些UTP用于发现和修复单元或代码级别的问题。最小的自主项，例如程序模块，称为单元。单元测试确保最小的对象在与其他程序或单元分离时能正常工作。

· 集成测试：

在架构设计阶段，创建集成测试计划。这些测试计划旨在验证独立创建和测试的单元的共存和通信能力。测试确保集成的单元能够和谐地一起工作。这些测试的结果会与客户团队共享，以提高透明度并确保与项目目标保持一致。

· 系统测试：

在系统设计阶段，系统测试计划的开发与单元测试计划和集成测试计划有所不同。这些计划由客户的业务团队制定，目的是验证应用程序是否符合客户的期望。系统测试包括对整个应用程序的全面评估，包括其功能、相互依赖关系和通信方面。其主要目的是验证功能和非功能需求的实现。为了确保应用程序的稳健性和可靠性，会进行系统测试的各个子集，如负载和性能测试、压力测试和回归测试。这些子集进一步有助于保证高质量的应用程序。

· 用户验收测试：

在进行需求分析时，会制定用户验收测试（UAT）计划。这些计划由将成为系统最终用户的业务用户制定。UAT在一个密切模拟生产环境的环境中进行，使用真实数据。UAT的主要目标是验证交付的系统是否满足用户的需求，并完全准备好投入实际使用。它作为系统满足用户期望并准备好部署的最终确认。

2.1.2.4 V型模型的优点

· 简单直观且易于使用。

· 每个阶段都有明确的输出或可交付成果。

· 与瀑布模型相比，测试计划在生命周期中更早制定，增加了成功的可能性。

· 非常适合需求明确且易于理解的小型项目。

2.1.2.5 V型模型的缺点

· 与瀑布模型一样，灵活性极低。

· 适应性有限，更改范围既困难又昂贵。

· 软件开发仅在实施阶段进行，没有早期软件原型的准备。

· 该模型缺乏明确的方法来解决在测试阶段发现的问题。

2.2 什么是ASPICE？

ASPICE（Automotive SPICE），即软件过程改进与能力测定，是一套从质量和安全角度评估业务流程的质量标准。它旨在评估、比较和改进汽车行业软件开发相关的流程。该标准不仅考虑软件操作，还考虑软件、硬件和机械在机电系统中的相互作用。

该标准的成果是一个符合ISO/IEC 30xx系列标准的过程模型，并得到全球认可。因此，全球汽车行业正迅速采用它作为公认的开发标准。

2.2.1 过程参考模型

过程参考模型中有两个重要组成部分。第一个是过程方面，描述了已定义的过程及其相关要求。每个过程都详细概述了项目中必须完成的任务。模型的第二部分是成熟度或能力要素。这使得评估每个过程的能力成为可能。为了简化过程维度，VDA定义了16个关键过程，这些过程是基于软件的系统创建的基础（见图2.2）。

图2.2：ASPICE（软件过程改进及能力测定）过程参考模型

现在让我们仔细看看过程维度的结构。过程维度首先可以分为不同的类别，然后根据它们所涵盖的活动进一步分为过程组。

过程维度可分为三个基本类别：主要生命周期过程、组织生命周期过程和支持性生命周期过程。每个过程都有一个目的陈述，描述了它在特定环境中执行时的特定目标。每个目的陈述都有一系列具体成果，这些成果表明了执行该过程的预期收益。

2.2.1.1 主要生命周期过程

ASPICE模型的主要生命周期活动类别包括四类对于汽车行业基于软件的系统创建至关重要的活动。这四个组是软件工程过程组、系统工程过程组、供应过程组和获取过程组。下面简要描述每个过程组，并给出每个过程组的示例：

· 获取过程组（ACQ）：该过程组侧重于识别和选择基于软件的系统的供应商。该组中的一个过程示例可能涉及制定征求建议书并发送给潜在供应商，以及评估他们的建议书以确定哪个供应商最能满足项目的需求。ACQ过程包括：合同协议、供应商监控、技术要求、法律和行政要求、项目要求、征求建议书和供应商资格认定。

· 供应过程组（SPL）：该过程组侧重于管理客户与基于软件的系统供应商之间的关系。该组中的一个过程示例可能涉及与供应商协商服务水平协议（SLA），以确保基于软件的系统满足规定的质量和性能要求。SPL过程包括供应商投标和产品发布。

· 系统工程过程组（SYS）：该过程组侧重于设计和开发包括软件、硬件和机械组件的整个系统。该组中的一个过程示例可能涉及开发系统架构，该架构定义了系统的各种组件以及它们之间的交互方式。SYS过程包括需求获取、系统需求分析、系统架构设计、系统集成和集成测试以及系统资格测试。

· 软件工程过程组（SWE）负责基于软件的系统的创建。在该组内，执行特定过程以开发和维护软件组件。例如，这些过程可以包括为汽车信息娱乐系统编写代码或进行彻底测试以确保软件满足定义的质量和性能标准。SWE过程包括软件需求分析、软件架构设计、软件详细设计和单元构建、软件单元验证、软件集成、集成测试和软件资格测试。

2.2.1.2 支持性生命周期过程

ASPICE模型的支持性生命周期过程（SUP）类别包括一组对主要生命周期过程的成功管理和支持所必需的程序。这些程序强调资源管理、项目监控和控制，以及确保工具和技术的有效使用。SUP过程包括配置管理、问题解决管理、验证、联合评审、文档编制、质量保证和变更请求管理。

2.2.1.3 组织生命周期过程类别

“组织生命周期过程”是指一组有助于创建过程、产品和资源资产的程序。当公司内部的项目使用这些资源时，有助于组织实现其业务目标。组织生命周期过程类别分为三类：管理过程组（MAN）、过程改进过程组（PIM）和重用过程组（REU）。

2.2.2 所有过程的标准

每个过程的描述遵循标准化的文档格式，包括ID、过程名称、过程目的、过程成果、基本实践和输出工作产品（参见图2.2）。

过程参考模型（用红线突出显示）和用于构建过程评估模型的过程绩效指标都包含在过程维度表中，每个都属于特定的过程。基本实践（用绿线表示）和输出工作产品（用蓝线表示）构成了过程绩效指标。

每个元素的重要性描述如下：

· 过程的ID和过程名称是其独特的标识。

· 过程目的是对过程的主要目标的简要描述，必须由供应商协商并同意。

· 过程成果清楚地概述了已完成过程的要求、义务、可交付成果、承诺和最终结果，以及提供者和获取者的期望。

· 基本实践概述了为实现预期过程成果而必须执行的特定活动。它们作为过程维度的指标，是过程评估的基石。

· 输出工作产品提供了可能作为过程结果产生的潜在可交付成果。重要的是要记住，此列表仅为建议而非必需。根据情况，工作输出可以分为多个可交付成果。

2.2.3 能力测量

ASPICE规定了一组过程能力级别，企业可以用这些级别来评估其软件开发过程的有效性。这些级别从ASPICE 0级（不符合）到 ASPICE 5级（优化）不等。该标准还规定了达到每个能力级别必须满足的一组过程质量，如图2.3所示。这些特性使企业能够分析其对ASPICE的遵守情况，并找到改进机会。

图2.3：过程描述模板

· 0级：基本级。该过程未执行或未达到其预期目标。在这一点上，组织只能在一定程度上达到ASPICE标准，应专注于管理重要活动，而不是达到更高的标准。

· 1级：已执行级。该过程已实施并达到其预期目标。此时，组织可以在很大程度上或完全交付标准要求，尽管其过程中可能仍存在一些差距。

· 2级：已管理级。对过程以及工作产品进行开发、监控和维护。此时，组织持续交付工作产品，并在很大程度上或完全达到ASPICE标准。

· 3级：已建立级。使用基于标准过程的已定义过程。此时，组织已经为整个组织设定了绩效标准，并不断对其进行评估和学习。

· 4级：可预测级。该过程在规定的范围内一致地执行。使用基于标准过程的已定义过程。除了建立和满足绩效标准外，此级别的组织还测量、记录和分析结果，以实现客观评估。

· 5级：优化级。过程不断改进，以满足当前和预期的业务目标。在这个最高级别，组织不仅实现和分析绩效标准以获得定量反馈和因果分析解决方案，还投资于持续改进。

2.2.4 ASPICE的好处

在汽车行业的软件开发中实施ASPICE有几个优势。其中一些是：

· 提高软件质量：ASPICE提供了一个结构化框架，用于评估和增强软件开发过程。这能够识别和消除低效，减少软件开发中缺陷和错误的发生（见图2.4）。

· 提高效率：通过采用ASPICE，组织可以简化其软件开发过程，从而减少软件开发和维护所需的时间和资源。这将导致成本节约和生产力提高。

· 加强沟通：ASPICE为整个行业的软件开发过程建立了通用语言和一系列期望。这促进了供应商、制造商和其他参与软件开发生命周期的利益相关者之间更好的沟通。

· 提高客户满意度：在ASPICE下开发的软件质量和可靠性的提高可以显著提高客户满意度。这反过来有助于建立积极的品牌声誉、客户忠诚度并增加业务成功。

· 符合行业标准：遵守ASPICE有助于组织符合行业标准和法规，表明其致力于交付高质量软件。这确保了其产品的安全性和可靠性，符合客户和监管机构的期望。

图2.4：汽车软件过程改进及能力测定（ASPICE）中的成熟度等级

2.2.5 ASPICE面临的挑战

虽然ASPICE为汽车行业的软件开发提供了宝贵的优势，但它也带来了某些挑战。以下是与ASPICE实施相关的一些常见挑战：

· 复杂性：ASPICE是一个全面而复杂的框架，组织可能难以理解和实施。其复杂性可能导致团队成员的抵制，并且成功采用需要额外的时间和资源。

· 资源限制：实施ASPICE需要大量资源，包括在培训、工具和过程方面的投资。这可能会带来挑战，特别是对于资源有限的小型组织。

· 对变革的抵制：实施ASPICE需要对组织现有的流程和实践进行重大变革。团队成员或利益相关者对变革的抵制可能会阻碍框架的顺利实施。

· 缺乏行业标准化：尽管ASPICE在汽车行业中被广泛使用，但不同公司和组织之间仍然缺乏标准化。其应用可能会出现不一致，使供应商难以满足多个客户的需求。

· 与现有过程的集成：ASPICE必须与组织现有的过程、工具和方法集成。这可能会带来困难，特别是如果组织已经投资于可能与ASPICE框架不能无缝对齐的工具和过程。

图2.5：早期缺陷检测

2.2.6 ASPICE与ISO-26262的比较

ASPICE和ISO 26262是与汽车行业相关的两个标准，尽管它们的范围和重点不同。如前所述，ASPICE是一种专门设计用于评估和增强汽车行业软件开发过程的过程评估模型。它涵盖整个软件开发生命周期，并强调组织的过程能力。

相比之下，ISO 26262是一项安全标准，提供确保车辆电气和电子系统功能安全的指南。它概述了安全管理、危险分析和风险评估、安全验证和确认等方面的要求。该标准的主要重点是有效管理和控制与车辆中此类系统的使用相关的安全风险。

虽然ASPICE侧重于软件开发过程及其能力，但ISO 26262主要关注车辆中使用的电气和电子系统的安全方面。这两个标准相辅相成，许多参与汽车软件开发的组织必须同时遵守这两个标准。

总之，ASPICE提供了一个评估和改进软件开发过程的框架，而ISO 26262提供了确保车辆电气和电子系统安全的指南。

结论

通过本节，我们阐明了与ASPICE相关的不同概念，以提高软件质量和可靠性。这将帮助我们更好地承担项目并理解工作流程。