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内容简介

本书作者是DO-178系列标准的直接制定者之一。书中详细介绍了如何基于最新版本的DO-178C标准进行高安全软件开发，既包括对标准的全面介绍，又包括依据该标准进行开发和审定的实用指南；既包含多年从事高安全软件研制、管理、审定工作的经验，又包含相关最新软件技术的深入讲解。主要内容有：在系统与安全性大视野中的软件；DO-178C标准的具体解释及如何有效使用；DO-178C相关的工具鉴定、基于模型的开发、面向对象技术、形式化方法；成功开发高安全软件及审定的实用建议；以及与高安全软件开发和验证相关的深入专题。

作者简介

崔晓峰，北京大学计算机软件与理论专业博士，英国约克大学访问学者。现为研究员，长期从事大型关键软件研发与工程化管理工作。主要研究方向包括软件体系结构、软件需求工程、软件过程改进等。

目录

第一部分 引言

第1章　引言和概览 2
1．1　安全关键软件的定义 2
1．2　安全性问题的重要性 2
1．3　本书目的和重要提示 4
1．4　本书概览 5

第二部分 安全关键软件开发的语境

第2章 系统语境中的软件 8
2．1　系统开发概览 8
2．2　系统需求 10
2．2．1　系统需求的重要性 10
2．2．2　系统需求的类型 10
2．2．3　良好需求的特性 10
2．2．4　系统需求考虑 11
2．2．5　需求假设 14
2．2．6　分配到软硬件项 14
2．3　系统需求确认与验证 14
2．3．1　需求确认 14
2．3．2　实现验证 15
2．3．3　确认与验证建议 15
2．4　系统工程师最佳实践 16
2．5　软件与系统的关系 18

第3章 系统安全性评估语境中的软件 20
3．1　航空器与系统安全性评估过程概览 20
3．1．1　安全性工作计划 20
3．1．2　功能危险评估 21
3．1．3　系统功能危险评估 22
3．1．4　初步航空器安全性评估 22
3．1．5　初步系统安全性评估 22
3．1．6　共同原因分析 23
3．1．7　航空器安全性评估和系统安全性评估 23
3．2　开发保证 24
3．2．1　开发保证级别 25
3．3　软件如何置入安全性过程 25
3．3．1　软件的独特性 25
3．3．2　软件开发保证 26
3．3．3　其他视点 27
3．3．4　在系统安全性过程关注软件的建议 28

第三部分 使用DO-178C开发安全关键软件

第4章 DO-178C及支持文件概览 31
4．1　DO-178历史 31
4．2　DO-178C和DO-278A核心文件 33
4．2．1　DO-278A与DO-178C的不同 37
4．2．2　DO-178C附件A目标表概览 38
4．3　DO-330：软件工具鉴定考虑 41
4．4　DO-178C技术补充 41
4．4．1　DO-331：基于模型的开发补充 42
4．4．2　DO-332：面向对象技术补充 42
4．4．3　DO-333：形式化方法补充 42
4．5　DO-248C：支持材料 43

第5章 软件策划 44
5．1　引言 44
5．2　一般策划建议 44
5．3　5个软件计划 46
5．3．1　软件合格审定计划 46
5．3．2　软件开发计划 48
5．3．3　软件验证计划 49
5．3．4　软件配置管理计划 51
5．3．5　软件质量保证计划 53
5．4　3个开发标准 54
5．4．1　软件需求标准 55
5．4．2　软件设计标准 55
5．4．3　软件编码标准 56
5．5　工具鉴定计划 57
5．6　其他计划 57
5．6．1　项目管理计划 57
5．6．2　需求管理计划 57
5．6．3　测试计划 57

第6章 软件需求 58
6．1　引言 58
6．2　定义需求 58
6．3　良好软件需求的重要性 59
6．3．1　原因1：需求是软件开发的基础 59
6．3．2　原因2：好的需求节省时间和金钱 60
6．3．3　原因3：好的需求对安全性至关重要 60
6．3．4　原因4：好的需求对满足客户需要是必需的 61
6．3．5　原因5：好的需求对测试很重要 61
6．4　软件需求工程师 61
6．5　软件需求开发概览 62
6．6　收集和分析软件需求的输入 63
6．6．1　需求收集活动 64
6．6．2　需求分析活动 64
6．7　编写软件需求 65
6．7．1　任务1：确定方法 65
6．7．2　任务2：确定软件需求文档版式 66
6．7．3　任务3：将软件需求划分为子系统和/或特征 66
6．7．4　任务4：确定需求优先级 67
6．7．5　一个简单迂回（不是一个任务）：要避免的斜坡 67
6．7．6　任务5：编档需求 68
6．7．7　任务6：提供系统需求的反馈 72
6．8　验证（评审）需求 73
6．8．1　同行评审推荐实践 74
6．9　管理需求 76
6．9．1　需求管理基础 76
6．9．2　需求管理工具 77
6．10 需求原型 78
6．11 可追踪性 79
6．11．1　可追踪性的重要性和好处 79
6．11．2　双向可追踪性 79
6．11．3　DO-178C和可追踪性 80
6．11．4　可追踪性挑战 81

第7章 软件设计 83
7．1　软件设计概览 83
7．1．1　软件体系结构 83
7．1．2　软件低层需求 83
7．1．3　设计打包 85
7．2　设计方法 85
7．2．1　基于结构的设计（传统） 85
7．2．2　面向对象的设计 86
7．3　良好设计的特性 86
7．4　设计验证 89

第8章 软件实现：编码与集成 91
8．1　引言 91
8．2　编码 91
8．2．1　DO-178C编码指南概览 91
8．2．2　安全关键软件中使用的语言 92
8．2．3　选择一种语言和编译器 94
8．2．4　编程的一般建议 95
8．2．5　代码相关的特别话题 102
8．3　验证源代码 103
8．4　开发集成 104
8．4．1　构建过程 104
8．4．2　加载过程 105
8．5　验证开发集成 105

第9章 软件验证 106
9．1　引言 106
9．2　验证的重要性 106
9．3　独立性与验证 107
9．4　评审 108
9．4．1　软件计划评审 108
9．4．2　软件需求、设计和代码评审 108
9．4．3　测试资料评审 108
9．4．4　其他资料项评审 108
9．5　分析 109
9．5．1　最坏情况执行时间分析 109
9．5．2　内存余量分析 110
9．5．3　链接和内存映像分析 110
9．5．4　加载分析 111
9．5．5　中断分析 111
9．5．6　数学分析 111
9．5．7　错误和警告分析 112
9．5．8　分区分析 112
9．6　软件测试 112
9．6．1　软件测试的目的 112
9．6．2　DO-178C软件测试指南概览 114
9．6．3　测试策略综述 115
9．6．4　测试策划 119
9．6．5　测试开发 120
9．6．6　测试执行 122
9．6．7　测试报告 124
9．6．8　测试可追踪性 124
9．6．9　回归测试 124
9．6．10易测试性 125
9．6．11验证过程中的自动化 125
9．7　验证的验证 126
9．7．1　测试规程评审 127
9．7．2　测试结果的评审 127
9．7．3　需求覆盖分析 127
9．7．4　结构覆盖分析 128
9．8　问题报告 134
9．9　验证过程建议 136

第10章 软件配置管理 140
10．1　引言 140
10．1．1　什么是软件配置管理 140
10．1．2　为何需要软件配置管理 140
10．1．3　谁负责实现软件配置管理 141
10．1．4　软件配置管理涉及什么 142
10．2　SCM活动 142
10．2．1　配置标识 142
10．2．2　基线 143
10．2．3　可追踪性 143
10．2．4　问题报告 143
10．2．5　变更控制和评审 146
10．2．6　配置状态记录 147
10．2．7　发布 147
10．2．8　归档和提取 148
10．2．9　资料控制类 148
10．2．10加载控制 149
10．2．11软件生命周期环境控制 150
10．3　特别SCM技能 150
10．4　SCM资料 151
10．4．1　SCM计划 151
10．4．2　问题报告 151
10．4．3　软件生命周期环境配置索引 151
10．4．4　软件配置索引 151
10．4．5　SCM记录 152
10．5　SCM陷阱 152
10．6　变更影响分析 154

第11章 软件质量保证 157
11．1　引言：软件质量和软件质量保证 157
11．1．1　定义软件质量 157
11．1．2　高质量软件的特性 157
11．1．3　软件质量保证 158
11．1．4　常见质量过程和产品问题的例子 159
11．2　有效和效SQA的特征 159
11．2．1　有效的SQA 159
11．2．2　效的SQA 160
11．3　SQA活动 161

第12章 合格审定联络 164
12．1　什么是合格审定联络 164
12．2　与合格审定机构的沟通 164
12．2．1　与合格审定机构协调的最佳实践 165
12．3　软件完成总结 167
12．4　介入阶段审核 168
12．4．1　SOI审核概览 168
12．4．2　软件作业辅助概览 169
12．4．3　使用软件作业辅助 171
12．4．4　对审核者的一般建议 171
12．4．5　对被审核者的一般建议 176
12．4．6　SOI评审细节 177
12．5　合格审定飞行测试之前的软件成熟度 184

第四部分 工具鉴定和DO-178C补充

第13章 DO-330和软件工具鉴定 186
13．1　引言 186
13．2　确定工具鉴定需要和级别（DO-178C的12．2节） 187
13．3　鉴定一个工具（DO-330概览） 190
13．3．1　DO-330的需要 190
13．3．2　DO-330工具鉴定过程 190
13．4　工具鉴定特别话题 197
13．4．1　FAA规定8110．49 197
13．4．2　工具确定性 197
13．4．3　额外的工具鉴定考虑 198
13．4．4　工具鉴定陷阱 199
13．4．5　DO-330和DO-178C补充 200
13．4．6　DO-330用于其他领域 200

第14章 DO-331和基于模型的开发与验证 201
14．1　引言 201
14．2　基于模型开发的潜在好处 202
14．3　基于模型开发的潜在风险 204
14．4　DO-331概览 206
14．5　合格审定机构对DO-331的认识 210

第15章 DO-332和面向对象技术及相关技术 211
15．1　面向对象技术介绍 211
15．2　OOT在航空中的使用 211
15．3　航空手册中的OOT 212
15．4　FAA资助的OOT和结构覆盖研究 212
15．5　DO-332概览 213
15．5．1　策划 213
15．5．2　开发 213
15．5．3　验证 213
15．5．4　脆弱性 214
15．5．5　类型安全 214
15．5．6　相关技术 214
15．5．7　常见问题 214
15．6　OOT建议 215
15．7　结论 215

第16章 DO-333和形式化方法 216
16．1　形式化方法介绍 216
16．2　什么是形式化方法 217
16．3　形式化方法的潜在好处 218
16．4　形式化方法的挑战 219
16．5　DO-333概览 220
16．5．1　DO-333的目的 220
16．5．2　DO-333与DO-178C的比较 220
16．6　其他资源 222

第五部分 特别专题

第17章 未覆盖代码（关、效和非激活代码） 224
17．1　引言 224
17．2　关和效代码 224
17．2．1　避免关和效代码的晚发现 225
17．2．2　评价关或效代码 225
17．3　非激活代码 227
17．3．1　策划 229
17．3．2　开发 229
17．3．3　验证 230

第18章 现场可加载软件 231
18．1　引言 231
18．2　什么是现场可加载软件 231
18．3　现场可加载软件的好处 231
18．4　现场可加载软件的挑战 232
18．5　开发和加载现场可加载软件 232
18．5．1　开发系统成为现场可加载的 232
18．5．2　开发现场可加载软件 233
18．5．3　加载现场可加载软件 233
18．5．4　修改现场可加载软件 234
18．6　总结 234

第19章 用户可修改软件 235
19．1　引言 235
19．2　什么是用户可修改软件 235
19．3　UMS例子 236
19．4　为UMS设计系统 236
19．5　修改和维护UMS 238

第20章 实时操作系统 240
20．1　引言 240
20．2　什么是RTOS 240
20．3　为什么使用RTOS 241
20．4　RTOS内核及其支持软件 241
20．4．1　RTOS内核 242
20．4．2　应用编程接口 242
20．4．3　主板支持包 243
20．4．4　设备驱动 243
20．4．5　支持库 244
20．5　安全关键系统中使用的RTOS的特性 244
20．5．1　确定性 244
20．5．2　可靠的性能 244
20．5．3　硬件兼容 244
20．5．4　环境兼容 244
20．5．5　容错 244
20．5．6　健康监控 245
20．5．7　可审定 245
20．5．8　可维护 245
20．5．9　可复用 246
20．6　安全关键系统中使用的RTOS的特征 246
20．6．1　多任务 246
20．6．2　有保证和确定性的可调度性 246
20．6．3　确定性的任务间通信 248
20．6．4　可靠的内存管理 248
20．6．5　中断处理 248
20．6．6　钩子函数 249
20．6．7　健壮性检查 249
20．6．8　文件系统 249
20．6．9　健壮分区 249
20．7　需考虑的RTOS问题 250
20．7．1　要考虑的技术问题 250
20．7．2　要考虑的合格审定问题 252
20．8　其他的RTOS相关话题 254
20．8．1　ARINC 653概览 254
20．8．2　工具支持 256
20．8．3　开源RTOS 256
20．8．4　多核处理器、虚拟化和虚拟机管理器 257
20．8．5　保密性 257
20．8．6　RTOS选择问题 257

第21章 软件分区 258
21．1　引言 258
21．1．1　分区：保护的一个子集 258
21．1．2　DO-178C和分区 258
21．1．3　健壮分区 259
21．2　共享内存（空间分区） 260
21．3　共享中央处理器（时间分区） 261
21．4　共享输入/输出 262
21．5　一些与分区相关的挑战 262
21．5．1　直接内存访问 262
21．5．2　高速缓存 263
21．5．3　中断 263
21．5．4　分区之间通信 263
21．6　分区的建议 264

第22章 配置数据 268
22．1　引言 268
22．2　术语和例子 268
22．3　DO-178C关于参数数据的指南总结 269
22．4　建议 270

第23章 航空数据 274
23．1　引言 274
23．2　DO-200A：航空数据处理标准 274
23．3　FAA咨询通告AC 20-153A 277
23．4　用于处理航空数据的工具 278
23．5　与航空数据相关的其他工业文件 278
23．5．1　DO-201A：航空信息标准 279
23．5．2　DO-236B：航空系统性能最低标准：区域导航要求的导航性能 279
23．5．3　DO-272C：机场地图信息的用户需求 279
23．5．4　DO-276A：地形和障碍数据的用户需求 279
23．5．5　DO-291B：地形、障碍和机场地图数据互换标准 279
23．5．6　ARINC 424：导航系统数据库标准 279
23．5．7　ARINC 816-1：机场地图数据库的嵌入式互换格式 280

第24章 软件复用 281
24．1　引言 281
24．2　设计可复用构件 282
24．3　复用先前开发的软件 285
24．3．1　为在民用航空产品中使用而评价PDS 285
24．3．2　复用未使用DO-178[ ]开发的PDS 289
24．3．3　COTS软件的额外考虑 290
24．4　产品服役历史 292
24．4．1　产品服役历史的定义 292
24．4．2　使用产品服役历史寻求置信度的困难 292
24．4．3　使用产品服役历史声明置信度时考虑的因素 292

第25章 逆向工程 294
25．1　引言 294
25．2　什么是逆向工程 294
25．3　逆向工程的例子 295
25．4　逆向工程时要考虑的问题 295
25．5　逆向工程的建议 296

第26章 外包和离岸外包软件生命周期活动 301
26．1　引言 301
26．2　外包的原因 302
26．3　外包的挑战和风险 302
26．4　克服挑战和风险的建议 305
26．5　总结 311

附录A 转换准则举例 312
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