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Embedded Systems

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Sogenannte Embedded Systems, zu Deutsch: eingebettete Systeme, sind, wie der Name schon sagt, Systeme, die in einen größeren technischen Kontext eingebettet sind. Dabei handelt es sich um binärwertige digitale Systeme, die im allgemeinen Sprachgebrauch meist als Computer- oder Rechnersysteme bezeichnet werden.

Das Embedded System steht mit dem übergeordneten System in einer Wechselwirkung. Und diese hat meist eine dieser beiden Ausprägungen: Im ersten Fall ist der Rechner für klassische Überwachungs-, Steuerungs- oder Regelungsfunktionen zuständig. Im zweiten Fall verarbeitet das Embedded System Signale oder Daten, beispielsweise beim Codieren, Decodieren, Verschlüsseln, Entschlüsseln oder Filtern. Oft spricht man dabei dann auch von einer Rechnereinheit oder dem Steuergerät.

 

Was sind Embedded Systems und wo kommen sie zum Einsatz?

Ein Embedded System ist, wie bereits erwähnt, stets Teil eines größeren Systems. Übrigens: Wenn ein System verschiedene Funktionen in mehrere eingebettete Systeme separiert, spricht man von einem Self-Contained-System. Für dieses übergeordnete System übernimmt ein eingebettetes System im Regelfall wichtige Funktionen, um den Betrieb aufrechtzuerhalten. Dieser Vorgang findet in unserem modernen Lebensalltag permanent und quasi überall statt: Ob in Ultraschallgeräten, also der Medizintechnik, in Weißer Ware wie Kühlschränken, in allen Automotive-Ausprägungen von Autos über Lkws bis hin zu anderen Fahrzeugen oder natürlich innerhalb der Elektrotechnik, wo die IT-Infrastruktur eines der Haupteinsatzgebiete ist – in allen Maschinen und Geräten arbeitet ein Embedded System im Hintergrund. In diesen Fällen haben die eingebetteten Systeme stets eine spezielle Aufgabe, schließlich wurden sie extra dafür entwickelt. Ein einfaches Beispiel dafür ist es, das Host-Gerät ein- und auszuschalten, Geräte oder Nachrichten an andere Systeme bei klar definierten Ereignissen zu verschicken. Dass die Software dabei exakt an die jeweilige Funktion angepasst sein muss, versteht sich von selbst.

 

Embedded Systems – Hardware und Software

Die eben angesprochene Anpassung der Software an die jeweilige Aufgabe ist die Regel. Dafür nutzt der Embedded-System-Engineer meiste eine optimierte, gemischte Hardware-Software-Implementierung, vornehmlich aus Kostengründen. Denn sie kombiniert die hohe Flexibilität der Software mit leistungsfähiger Hardware. Die Software übernimmt dabei Steuerungs- und Interaktionsaufgaben über bestimmte Schnittstellen und Protokolle wie CAN-Bus, ZigBee, Ethernet oder LIN-Bus. Für die Hardware gilt grob gesagt folgendes: Ein Embedded System besitzt meist nur einen oder nur wenige Mikroprozessoren. Die Leistung ist dementsprechend begrenzt und reicht meist nur für den reinen Hardwarebetrieb. Kleinere Embedded Systeme arbeiten zudem meist ohne eigenes Betriebssystem. Das heißt, sie sind auf das Betriebssystem des übergeordneten Systems angewiesen. RAFI Embedded Control Units mit Embedded Linux bilden hier eher die Ausnahme im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit.

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Aufbau und Komponenten von Embedded Systemen

Der logische Aufbau eingebetteter Systeme gleicht sich oftmals stark. Im Normalfall gibt es fünf Bestandteile: das Steuergerät, Aktoren und Sensoren, das User Interface, die Umgebung und den Benutzer. Das Steuergerät respektive die Kontrolleinheit ist dabei das zentrale Element eingebetteter Systeme und ihrer Komponenten. Hierauf liegt im Embedded System Engineering das Hauptaugenmerk. Für die Umsetzung des Systems gilt in Sachen Selbstähnlichkeit jedoch das Gegenteil. Insbesondere im Hinblick auf die Hardware definieren die äußeren Umstände und mögliche Störfaktoren das Endergebnis. Mögliche Störfaktoren für die Hardware und die Softwaresysteme sind: Temperatur (Wärme und Kälte), Feuchtigkeit und Spritzwasser, Staub, Schwingungen, Stöße, Fremdkörper, Elektromagnetismus oder Strahlung.

 

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Definition verschiedener Embedded Systems

Wie bereits erläutert, können Embedded Systeme in unterschiedlichen Ausprägungen realisiert werden. Wir haben hier ein paar Kriterien zusammengetragen, anhand derer ein eingebettetes System von anderen unterschieden werden kann.

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Gedächtnislose und dynamische Systeme

Systeme empfangen Eingangssignale und ordnen diesen wiederum Ausgangssignale zu. Hängt dieses Ausgangssignal nur vom Wert des Eingangssignals ab, handelt es sich beim Embedded System um ein sogennantes gedächtnisloses System. Spielen Eingangssignale aus der Vergangenheit jedoch auch eine Rolle, bezeichnet die Fachsprache dies als dynamisches System.

Reaktive und interaktive Systeme

Hier ist der Name Programm. Das System reagiert auf Eingabeereignisse und liefert daraufhin entsprechende Ausgabeereignisse – häufig innerhalb eines gewissen Zeitrahmens (zum Beispiel ein Getränkeautomat). Ist das System vom Nutzer veränderbar, spricht man von einem interaktiven System (Computer).

Hybride Systeme

Bei dieser Systemform werden neben analogen auch wertkontinuierliche Reize verarbeitet. Zudem kann die Interaktion über kontinuierliche Zeiträume hinweg oder zu diskreten Zeitpunkten erfolgen. 

Monolithische und verteilte Systeme

Im Fall eines verteilten Systems sind die einzelnen Systemkomponenten entweder logisch oder räumlich verteilt. Das bedeutet, dass die Funktionalität mithilfe einer Kopplung oder Vernetzung gewährleistet werden muss. Vor allem bei minimalem Zeitfenster, also zum Beispiel bei der Echtzeitbedienung, müssen Vernetzung oder Kopplung reibungslos funktionieren. Das monolithische System hingegen ist logisch und räumlich an einem Ort aufgebaut.

Sicherheitskritische und nicht-sicherheitskritische Systeme

Diese Unterscheidung ist einfach zu merken: Versagen sicherheitskritische eingebettete Systeme, tritt eine Gefährdung für das System an sich, Einrichtungen oder Menschen ein. Bei sicherheitsunkritischen Systemen ist dies nicht der Fall.

Steuergeräte (Electronic Control Units)

Bei der physikalischen Umsetzung eingebetteter Systeme spricht man von Electronic Control Units – der Kontrolleinheit mechatronischer Systeme. Von einem mechatronischen System ist übrigens die Rede, wenn die, zur Steuerung und Regelung der Mechanik notwendige, Elektronik eng mit eben dieser Mechanik verbunden ist.

 

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Embedded System Design

Abschließend möchten wir uns noch dem Design widmen, das sich im Bereich der Embedded Systems vor allem mit der Beziehung von Umgebungsereignissen und dem eingebetteten System befasst. Dabei werden bevorzugt zwei verschiedene Methoden angewandt – zeitgesteuertes Design und ereignisgesteuertes Design. Diesen beiden Varianten widmen wir uns nun.

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Zeitgesteuertes Design

Hierbei ruft das System in bestimmten Zeitabständen ab, ob Ereignisse vorliegen – beispielsweise mithilfe eines Timers. Dem liegt die Annahme zudrunde, dass in regelmäßigen Abständen Ereignisse eintreten. Liegt ein solches Ereignis vor, startet das System die entsprechende Reaktion. Echtzeitfähig ist ein solches System dann, wenn die Zeitintervalle zwischen den Ereignisabfragen kaum messbar sind.

Ereignisgesteuertes Desgin

Beim ereignisgesteuerten Design eines Embedded Systems löst erst ein vorher definiertes Ereignis die ebenfalls vorher definierte Reaktion aus. Abfrageroutinen wie beim zeitgesteuerten Design gibt es hierbei nicht.

 

Neben diesen beiden Methoden des Systemdesigns stehen momentan verschiedene Methoden im Fokus, den Energiebedarf der Softwarekomponenten zu regulieren.

Softwaredesign im Hinblick auf den Energiebedarf

Innerhalb des energiefokussierten Softwaredesigns, unabhängig ob in C-Code oder anderen Programmiersprachen, finden hauptsächlich die folgenden drei Methoden Anwendung:

 

Minimale Laufzeit

Hierbei wird darauf geachtet, dass die tatsächliche Laufzeit des Programms möglichst gering ist. Zudem springt der Betriebszustand bei nicht arbeitendem Prozessor sofort in eine Art Stand-by-Modus. Dadurch kann der Energieumsatz stark verringert werden.

Gleichförmiges Design

Das Programm wird so gestaltet, dass die Leerlaufzeiten des Prozessors in der jeweiligen Zeitspanne möglichst gleich und wiederkehrend sind. Im nachfolgenden Schritt werden diese Leerlaufzeiten dann mithilfe der Prozessor-Taktfrequenz ausgemerzt. Das Design arbeitet demnach gleichmäßig und dadurch mit minimaler Verlustleistung.

Spezialisierte Compiler

Ergänzend oder zusätzlich können eigens dafür spezialisierte Compiler eingesetzt werden, die einen Code liefern, der energetisch besonders günstig ist. Daraus resultiert ein unterschiedlicher Energiebedarf je nach Instruktion, was wiederum ausgenutzt werden kann.

 

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Fazit

Embedded Systems sind nicht nur vielfältig in ihren Ausprägungen hinsichtlich Einsatzgebiet, Aufbau und Design, sondern auch zentral für das moderne Leben, wie wir es kennen. Wenn Sie noch mehr über eingebettete Systeme erfahren möchten, helfen unsere Experten Ihnen gerne weiter.

 

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