Embedded Software

Der Name setzt sich aus zwei verschiedenen Begriffen zusammen: „Embedded Systems“ und „Software Engineering“. Eingebettete Systeme sind Computersysteme, die ein technisches (physisches) System notwendig ergänzen und mit diesem in Wechselwirkung stehen. Der zweite Teil, Software Engineering, legt ganz klar den Fokus auf die Softwaretechnik. Wenn also von Embedded Software Engineering die Rede ist, ist der eigentliche Programmierungsprozess der Anwendung gemeint. Erst wenn eine einwandfreie Softwarequalität erreicht ist, kann die Implementierung in die technisch-physische Komponente beginnen – im nächsten Themenabschnitt werden die wichtigsten Kriterien für die Entwicklung einer eingebetteten Software erläutert.

Das Computersystem, zum Beispiel eine Einsteckkarte mit Prozessor, setzt sich ebenfalls aus Software und Hardware zusammen und wird dann als eigene Systemeinheit in ein übergeordnetes System integriert. Damit aber die Software auf keine weiteren Anwendungen angewiesen ist und das System im Ganzen eigenständig steuert, muss die eingebettete Software eine gesamtheitliche Architektur aufweisen. Erst dann ist gewährleistet, dass sie die Elektronik unabhängig von anderen Programmen vollumfassend funktionstüchtig macht.

Diese Erfordernis wird nachvollziehbarer, wenn man das Gegenstück von eingebetteten Systemen betrachtet. Ein sogenanntes „Self-Contained System“ definiert sich gerade dadurch, dass einzelne Funktionen durch verschiedene voneinander gänzlich separierten Systemen übernommen werden. Als Beispiel zählt die klassische Computertastatur, die für sich unabhängig vom Anschluss an einen Rechner als eigenständiges System gilt. Erst angeschlossen, erweitert sie das Leistungsspektrum der Computereinheit. Die Tastatur ist aber für die grundsätzliche Einsatzbereitschaft des Computers nicht erforderlich – weil das Tastatursystem für nur eine einzelne Zusatzfunktion verantwortlich ist.

Die Embedded Software ist also per Definition das nicht-physische Kernstück eines integrierten Systems. Das schließt aber nicht aus, dass das System trotzdem um weitere Anwendungsprogramme ergänzt werden kann. Anders als diese Art der Applikation ist die eingebettete Software aber für die Inbetriebnahme unerlässlich. In der Regel verfügen Technologien, die zum Internet der Dinge (IoT) zählen, über eine Embedded Software. In allen möglichen Branchen stattet sie Elektronikkomponenten, Geräte und Maschinen aus, damit die angebotenen Produkte ihr Leistungsversprechen halten – insbesondere in der Automobilindustrie ist die Anzahl an Modulen mit eingebetteter Software extrem hoch. Computer im klassischen Sinne, also als Arbeitsrechner, Laptops und Notebooks verfügen aber über eine gesonderte Betriebssoftware.

An Embedded Software werden hohe Anforderungen gestellt. Aus der engen Abstimmung an die jeweilige Hardware resultieren oft klare Vorgaben und Richtlinien, die beim Programmieren beachtet werden müssen. Es gibt drei wesentliche Rahmenbedingungen, die Entwickler*innen im Blick haben: Die Software soll zwar das Maximum an Leistung aus dem Endprodukt herausholen, muss dabei aber kostengünstig, möglichst platzsparend und energiesparend sein.

Was die eigentliche Funktionsweise von eingebetteter Software angeht, wird eine hohe Bedienerfreundlichkeit sowie Zuverlässigkeit erwartet. Von wichtigem Nutzen ist außerdem, dass die Software alle Datensätze in Echtzeit aktualisiert und so eine hohe Sicherheit gewährleistet. Das Echtzeitverhalten ist vor allem bei Produkten wichtig, die zum Schutz von Personen zum Einsatz kommen, wie beispielsweise Airbags. Aber auch in der Industrie schafft die Eigenschaft eine hohe Effizienz, weil so Prozesse vom Prototyp bis zur Serienproduktion perfekt aufeinander abgestimmt werden können.

Um also all diese Ansprüche zu realisieren, muss die Entwicklung von Embedded Software genaustens durchdacht und konzipiert werden. Dafür stehen verschiedene Programmiersprachen und Techniken zur Verfügung. Die Designs von eingebetteter Software unterscheiden sich maßgeblich von standardisierten PC-Designs. Am häufigsten wird Embedded Software in Hochsprachen wie C oder C++ programmiert, weil diese meist über einen besseren Compiler verfügen – also einem Programm, das die höhere Programmiersprache dann in ein Maschinensprachprogramm übersetzt. Zudem sind viele der Analyse- und Optimierungstechniken auch für Anwendungen nutzbar, die auf Assembler basieren. Dementsprechend stehen die Hochsprachen den Tools und Möglichkeiten von Assembler in nichts nach, sind dagegen sogar weniger kompliziert und intuitiver.

Die Programmierung von eingebetteter Software ist aus oben genannten Gründen anspruchsvoller als die von normalen Computerprogrammen. Entwickler*innen steht nur ein begrenzter Speicher zur Verfügung. Auch die Trennung von Programm- und Arbeitsspeicher sowie die niedrige Taktrate des Embedded-Prozessors, im Vergleich zu herkömmlichen PC-Systemen, stellt Entwickler*innen teils vor gewaltige Herausforderungen. Letzteres führt zu der Schwierigkeit, dass ein großes Funktionsspektrum bei hohen Ansprüchen an die Geschwindigkeit realisiert werden muss – natürlich soll eine Maschine effizient arbeiten, für schnelle Zeitabläufe sorgen, und eine Produktion ohne Fehler garantieren.

Laut Meinungsumfragen sind viele Nutzer*innen mit der Technologie zufrieden – unter dem Strich ergibt sich ein recht positives Bild von Embedded Software. Allerdings gibt es wie bei den allermeisten Innovationen auch die ein oder andere Beanstandung und Kritik. Diese gilt es in Zukunft zu optimieren – und daran wird auch zielstrebig gearbeitet.

Fast immer gehen nämlich von der Hardware umfassende Anforderungen aus, denen sich Softwareentwickler stellen müssen. Ist die leistungsstarke Software erst in die zugehörige Elektronik eingebettet, profitiert die Anwender*innen aber von nicht wenigen Vorteilen. Durch die oft geringe räumliche Kapazität ist die Technologie nicht nur platz-, sondern auch stromsparend. Da die Gerätesteuerung quasi schon inklusive ist, sparen sich Anwender*innen weitere teure Zusatzsoftware, die zur Optimierung der Bedienung beitragen soll. Mit der eingebetteten Software erhält der User gleich ein profitables Komplettpaket.

Das gilt insbesondere auch für die interne Systemeinheit. Denn Updates sind bei Embedded Software eher unüblich. Das macht die Anwendung sehr wartungsarm und unkompliziert gegenüber anderen optionalen Anwendungen mit Zusatzfunktion. Bei Maschinen, die über lange Betriebszeiten autonom laufen, ist das ein großer Vorteil. Denn wenn keine Wartung oder Systemupdates erforderlich sind, kann die Maschine im Betrieb durchgängig und ohne erforderliche Autorisierungsschritte arbeiten. Aus diesen Gründen kommt es extrem selten zu plötzlichen Stopps.

Allerdings gibt es auch noch einige Schwachstellen, die es künftig zu verbessern gilt. Die Embedded Software ist für den Standardbetrieb des gesamten Systems unverzichtbar – das heißt: Kommt es unerwartet doch zu Komplikationen, ist das Gesamtsystem nicht betriebsbereit und Stehzeiten sind unvermeidbar. Weil die Software fest in die Elektronikkomponente eingebettet ist, kann sie nicht so einfach ausgetauscht werden. Im Fall von modularen Einheiten, können dagegen Einzelteile bei Defekt einfach und schnell ersetzt werden. Auch der Austausch von Komponenten zwecks Modernisierung ist bei diesen Maschinenmodellen wesentlich unkomplizierter.

Das Thema Aufrüsten ist kein leichtes Unterfangen, da die Gesamtkonstruktion auf Dauerbetrieb ausgelegt ist. Updates sind meist nicht vorgesehen. Das kann sowohl ein Vorteil sein, weil die Maschine besonders wartungsarm ist. Langfristig betrachtet, ist es jedoch nur mit größerem Aufwand möglich, den Automaten an fortschrittliche neue Technik anzupassen. Dafür muss nämlich die Hardware fast immer komplett auseinander gebaut werden. Mit einiger Mühe ist es also durchaus möglich, ein Gerät mit integriertem Embedded System an neue Leistungsstandards anzupassen. Je nach Produkt, Modell und Baujahr gilt es abzuwägen, ob der Austausch der kompletten Apparatur nicht die unter dem Strich günstigere Alternative wäre. Bei insgesamt preiswerten Produkten liegt das nahe, bei großen Maschinen sieht das aber schon anders aus.

Ein weiteres Manko ist die eingeschränkte Reaktivität. Das Echtzeitverhalten, das von der Embedded Software ausgeht, ist zwar für viele Abläufe wichtig. Allerdings kann dieser Anspruch nicht von jeder verknüpften Maschine oder synchronisierten Verwaltungszentrale eingehalten werden, was sich dann negativ auf den Gesamtprozess auswirken kann. Wie zum Thema IoT beschrieben, kommuniziert die Software mit anderen Geräten und vernetzten Objekten – über sogenannte Sensoren und Aktoren. Auf die gleiche Weise werden sicher auch zukünftig übrige Nachteile eliminiert, sodass die eingebettete Software eine durchweg attraktive Technologielösung darstellt.