Eingebettete Systeme

Entwurf, Modellierung und Synthese

Oliver Bringmann, Walter Lange, Martin Bogdan

• Verlag: De Gruyter Oldenbourg
• Jahr: 2018
• ISBN:
  9783110518627
• Auflage: 3
• Thema: Technik & Maschinenbau
• Thema: Elektrotechnik & Telekommunikation

Dieses Buch ist eine Einführung in die wichtigsten Themen und Fragestellungen beim Entwurf von Eingebetteten und Cyber-Physischen Systemen. Ausgehend von den zugrundeliegenden Technologien, Prozessor- und Netzwerkarchitekturen werden Modellierungssprachen und moderne Ansätze zur Analyse und Synthese von eingebetteten Hardware/Software-Systemen vorgestellt. Einen breiten Raum nimmt das Gebiet Entwicklungsmethodik ein, das für Studierende sowie Informatiker und Ingenieure gedacht ist, die als Entwickler tätig werden wollen oder es bereits sind.
Der Stoff wird anschaulich anhand vieler Bilder und Beispiele dargestellt. Dabei verzichten wir bewusst auf mathematische Beweise und Formalismen und setzen den Fokus auf die Darstellung aktueller Methoden und Ansätze aus Wissenschaft und Industrie mit hoher Praxisrelevanz. Somit kann der Text auch als Ergänzung für eine formalere Behandlung des Themas verwendet werden. Das Werk orientiert sich didaktisch an einer zweisemestrigen Vorlesung im Masterstudiengang der Universität Tübingen.
Einzelne Kapitel können als getrennte Vorlesungseinheiten verwendet werden.

1Einführung, Bauformen und Technologien

Eingebettete Systeme nehmen dem Menschen vielfältige Routinearbeiten ab. Wir betrachten als Beispiel das Eingebettete System „Temperaturregelung“ (siehe Abbildung 1.3, Seite 5). Zu Beginn des vorigen Jahrhunderts wurde die Temperatur in einem Raum durch die Intensität des Heizens und der Lüftung bestimmt, die eine Person im Raum vornahm. Dadurch waren relativ große Temperaturschwankungen unvermeidlich. Erst mit dem Aufkommen und der Verbreitung der Messgeräte, der Elektronik und der mathematischen Grundlagen wurden Geräte ersonnen, die Regel- und Steueraufgaben übernehmen konnten. Mit dem Eingebetteten System „Temperaturregelung“ ist es möglich, sehr effizient und wirtschaftlich, ohne menschlichen Arbeitsaufwand die Temperatur in einem Raum in engen Grenzen konstant zu halten.

Dieses Kapitel beginnt mit einer Auslegung des Begriffs Eingebettete Systeme und mit einigen Beispielen für Eingebettete Systeme aus unserer Umgebung und der Industrie. Der typische Aufbau von Eingebetteten Systemen wird vorgestellt und anhand der Beispiele Temperaturregelung und „Smartphone“ veranschaulicht. In weiteren Abschnitten gehen wir auf verschiedene Bauformen und auf Technologien von Eingebetteten Systemen ein.

1.1Begriffsbestimmung und Beispiele

Eingebettete Systeme sind Rechensysteme, die in einen technischen Kontext, bzw. in ein übergeordnetes System eingebunden sind und vordefinierte Aufgaben erfüllen. Sie werden ausschließlich für diese Funktionen entwickelt. In dem vorliegenden Buch werden ausnahmslos elektronische Systeme behandelt. Eingebettete Systeme sind, wenn nicht gerade das Herzstück, so doch meist unverzichtbarer integraler Bestandteil in beispielsweise folgenden übergeordneten Systemen (siehe Abbildung 1.1):

–in Transportsystemen, zum Beispiel in Kraftfahrzeugen als Antriebssteuerung, Klimaregelung, Bremssysteme, Navigationssysteme, Assistenz- und autonome Fahrsysteme.

–in Flugzeugen z. B. als Autopilot, Klimaanlage und Druckregelung in der Kabine,

–in Eisenbahnen,

–in Schiffen,

–in medizinischen Geräten als Tomographen, Mikromessgeräten, zum Beispiel für die Darmspiegelung, in Herzschrittmachern, künstlichen Prothesen usw.

–in der mobilen und Festnetz-Kommunikation,

–in militärischen Geräten und Anlagen,

–im„intelligenten Haus“ bzw. im „intelligenten Büro“ als Klimaregelung, Sicherheitsüberwachung, Anzeige von belegten Räumen usw.,

–in optischen Geräten,

–in Produktionsanlagen als Fließbandsteuerung, zur Steuerung von Hochregallagern, als Klimaregelung, in Alarmsystemen usw.,

–in Kraftwerken, als Steuerung und Regelung der Energieumwandlung in Wärme oder Strom und deren Verteilung,

–in der Chemie- und Verfahrenstechnik als Prozess-Steuerungen,

–in Multimedia-Anwendungen, z. B. in der Unterhaltungselektronik und in Spielen,

–in Handel- und Bankenendgeräten als Kassensysteme, int speziellen Druckern, zum Beispiel in Kontoauszugsdruckern, Sparbuchdruckern, in Geldausgabe-Automaten usw.

Abbildung 1.1: Beispiele von übergeordneten Systemen, die Eingebettete Systeme enthalten können.

Wie bereits erwähnt, gehört zu einem Eingebetteten System immer ein übergeordnetes System, in dem es eine dedizierte Aufgabe ausführt. Damit ist der Begriff „Eingebettetes“ System hinlänglich eingegrenzt. Ist beispielsweise das Platzbuchungssystem einer Fluggesellschaft ein Eingebettetes System? Antwort: Nein, es ist selbst ein eigenständiges Software-System, das zwar in einem oder mehreren Computern läuft, die aber nicht als übergeordnete Systeme betrachtet werden.

Der Trend zur Miniaturisierung Eingebetteter Systeme und zur Durchdringung aller Arbeits- und Lebensbereiche schlägt sich nieder in den folgenden Begriffen: „allgegenwärtiges Computing“ (Ubiquituos Computing [Mar07]), „überalleindringendes Computing“ (Pervasive Computing [Hnsm01]), „Intelligente Umgebung“ (Ambient Intelligence, AmI [deMan03]), Internet of Things (IoT) und Cyber-Physische Systeme. Während „allgegenwärtiges Computing“ die Tendenz „Information überall und zu jeder Zeit“ zum Ausdruck bringt, zielt das „überalleindringende Computing“ mehr in die Richtung praktischer Geräte wie intelligente Assistenten, intelligente Raum- und Gebäudesysteme (Smart Home, Smart Building), Haushaltsmaschinen, die nach und nach von Eingebetteten Systemen gesteuert bzw. geregelt werden und mit den Benutzern kommunizieren. „Ambient Intelligence“ bedeutet, dass hochintegrierte Chips in unsere nächste Umgebung einziehen werden, in unsere Kleider, Jacken, Handschuhe, beispielsweise als medizinische Helfer, Körpersensoren, Gesundheitsüberwachung, Smart Watches, zur Unterhaltung, im Sport oder als Helfer im Beruf, z. B. als Erinnerungs-Ansage für einen Termin bzw. als Navigationshilfe in einem unübersichtlichen Gebäude. Auf Cyber-Physische Systeme gehen wir in Abschnitt 1.4, Seite 8 näher ein.

1.2Systemkategorien

Im vorhergehenden Abschnitt werden Beispiele Eingebetteter Systeme in verschiedenen Industriezweigen und Anwendungen aufgeführt. Eine Einteilung in verschiedene Kategorien kann aus verschiedenen Gesichtspunkten vorgenommen werden. A. Jantsch [Jan04] zeigt eine Klassifikation entsprechend der Systemeigenschaften.

Eine Klassifizierung der Eingebetteten Systeme im Hinblick auf die Schnittstellen nach außen und in Bezug auf die Bedienung des jeweils übergeordneten Systems kann für den zivilen Nutzungsbereich – ohne Anspruch auf Vollständigkeit – wie folgt vorgenommen werden:

–Eingebettete Systeme, die Steuerungs- und Regelungsaufgaben wahrnehmen und die keine offenen Bedienungs-Schnittstellen zum Benutzer haben. Dies sind überwiegend sogenannte „versteckte Systeme“ wie z. B. die Heizungsregelung, ABS im Kraftfahrzeug, Autopilot im Flugzeug, Herzschrittmacher, Fokussiersteuerung in der Kamera, Geräte der Unterhaltungs- und Kommunikationselektronik wie z. B. Fernseh-, Video- und Stereo-Geräte usw.

–Geräte, die von der Fachfrau bzw. vom Fachmann bedient werden. In diesem Zusammenhang bedeutet Fachfrau/Fachmann eine Person, die Kenntisse über das Einsatzgebiet des Geräts besitzt oder einer Anlernung bedarf, entweder durch eine Fachperson oder entsprechende Literatur. Beispiele dafür sind: Steuerungen von chemischen Prozessen und Kraftwerken, medizinische Geräte, physikalische Messgeräte usw.

–Datenendgeräte, die von der Fachfrau bzw. vom Fachmann bedient werden. Datenendgeräte sind Geräte, die mit einem zentralen Computer verbunden sind. Oft stehen diese Geräte mit einer Datenbank in Verbindung. Beispiele sind: Supermarkt-Kasse, elektronische Waagen im Supermarkt, Drucker in LAN-Umgebungen usw.

–Selbstbedienungsgeräte, die von Laien benutzt werden: z. B. alle sogenannten Automaten wie Fahrkartenautomat, Geldausgabeautomat, Haushaltsmaschinen usw. Für diese Geräte ist besondere Beachtung auf eine gute Benutzerführung zu legen. Die Bedienung muss einfach sein und die Bedienerführung gut verständlich. Besonders wichtig ist, dass Fehlbedienungen keine katastrophalen Folgen haben, sondern wieder geduldig zum Ausgangspunkt der Bedienung führen und eventuell dem Benutzer den Fehler anzeigen. Selbstbedienungsgeräte, die in der Öffentlichkeit stehen, haben oft Vandalismus zu erleiden, d. h. sie müssen entsprechend mechanisch robust aufgebaut werden.

–Mobile, tragbare Geräte für die private und geschäftliche Nutzung meist mit drahtloser Verbindung zu einer Basisstation bzw. einem Server wie zum Beispiel Smartphones, Laptops und Tablets.

Je nach Systemkategorie werden an die übergeordneten Systeme und an die Eingebetteten Systeme verschiedene Anforderungen gestellt (siehe Abschnitt 2.1, Seite 28).

Abbildung 1.2: Typischer Aufbau eines Eingebetteten Systems.

1.3Typischer Aufbau

Der typische Aufbau von Eingebetteten Systemen ist in Abbildung 1.2 dargestellt. Ein Eingebettetes System enthält in der Regel einen Prozessor, der ein Mikroprozessor, Mikrocontroller oder ein anwendungsspezifische Prozessor sein kann. Auf die Art und die Anwendungsbereiche der verschiedenen Prozessoren wird intensiver in Kapitel 8 eingegangen. In vielen Fällen ist ein zweiter, dritter usw. Prozessor bzw. ein ASIC (Application Specific Integrated Circuit), also ein anwendungsspezifischer Schaltkreis nötig, um die erforderliche Rechenleistung zu bewältigen, die bei Eingebetteten Systemen oft in „Echtzeit“ ausgeführt werden muss (siehe Abschnitt 2.1.1, Seite 30). Diese zusätzlichen Prozessoren wurden früher „Rechenbeschleuniger“ genannt. Heute werden meist „Mehrprozessorsysteme“ oder Multiprozessor-Systeme (...

Inhaltsverzeichnis

• Cover
• Titelseite
• Impressum
• Vorwort
• Inhaltsverzeichnis
• 1 Einführung, Bauformen und Technologien
• 2 Entwicklungsmethodik
• 3 Modelle
• 4 Beschreibungssprachen für den Systementwurf
• 5 Eingebettete Software
• 6 Hardware-Synthese
• 7 Verifikation, Simulation und Test
• 8 Mikroprozessor-Grundlagen
• 9 Kommunikation und Netzwerke
• Literaturverzeichnis
• Index