Was ist ein Embedded System?

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Aufbau und Komponenten eingebetteter Systeme

Während der logische Aufbau eingebetteter Systeme oftmals sehr ähnlich ist, hängt die tatsächliche Realisierung insbesondere der Hardware stark von den Gegebenheiten am Einsatzort ab. Hier können viele Störfaktoren herrschen, zudem muss das eingebettete System Sorge dafür tragen, nicht selbst zum Störfaktor zu werden.

Einige Störfaktoren sind: Wärme/Kälte, Staub, Feuchtigkeit, Spritzwasser, mechanische Belastung (Schwingungen, Stöße), Fremdkörper, elektromagnetische Störungen und Elementarteilchen (z.B. Höhenstrahlung). Allgemeine und Herstellerspezifische Vorschriften enthalten teilweise genaue Angaben zur Vermeidung des passiven und aktiven Einflusses, insbesondere im EMV-Umfeld (Elektromagnetische Verträglichkeit). Dieses Gebiet ist nicht Bestandteil dieser Vorlesung, aber es soll an dieser Stelle darauf hingewiesen werden.

Der logische Aufbau der eingebetteten Systeme ist jedoch recht einheitlich, in der

Regel können fünf strukturelle Bestandteile identifiziert werden:

• Die Kontrolleinheit bzw. das Steuergerät ( siehe Kasten, Definition 5), d.h. das eingebettete Hardware/Software System,

• die Regelstrecke mit Aktoren (bzw. Aktuatoren) (actuator) und Sensoren (sensor), d.h. das gesteuerte/geregelte physikalische System,

• die Benutzerschnittstelle,

• die Umgebung sowie

• den Benutzer.

Mit stark zunehmender Tendenz werden diese Systeme noch vernetzt, so dass sich neben der lokalen Ebene noch eine globale Vernetzungsebene mit physikalischem Zugang zur Kontrolleinheit und logischem Zugang zu allen Komponenten des Systems ergibt.

Bild 2 stellt diese Referenzarchitektur eines eingebetteten Systems als Datenflussarchitektur dar, in der die Pfeile die gerichteten Kommunikationskanäle zeigen. Solche Kommunikationskanäle können (zeit- und wert-)kontinuierliche Signale oder Ströme diskreter Nachrichten übermitteln. Regelstrecke und Umgebung sind hierbei auf meist komplexe Weise miteinander gekoppelt, die schwer formalisierbar sein kann.

Bild 3 zeigt die geschlossene Wirkungskette, die ein eingebettetes System einschließlich der Umgebung bildet. Der zu regelnde oder steuernde Prozess ist über Sensoren und Aktoren an das Steuergerät gekoppelt und kommuniziert mit diesem darüber. Sensoren und Aktoren fasst man unter dem (aus dem Von-Neumann-Modell wohlbekannten) Begriff Peripherie (peripheral devices) oder I/O-System (input/output) zusammen.

Zu den einzelnen Einheiten seien einige Anmerkungen im folgenden Abschnitt eingeführt:

Kontrolleinheit

Die Kontrolleinheit bildet den Kern des eingebetteten Systems, wobei sie selbst wieder aus verschiedenen Einheiten zusammengesetzt sein kann. Sie muss das Interface zum Benutzer (falls vorhanden) und zur Umgebung bilden, d.h., sie empfängt Nachrichten bzw. Signale von diesen und muss sie in eine Reaktion umsetzen.

Wie bereits dargestellt wurde ist diese Kontrolleinheit fast aus-schließlich als reaktives System ausgeführt. Die Implementierung liegt in modernen Systemen ebenso fast ausnahmslos in Form programmierbarer Systeme, also als Kombination Hardware und Software vor. Hierbei allerdings gibt es eine Viel-zahl von Möglichkeiten: ASIC (Application-Specific Integrated Circuit), PLD/ FPGA (Programmable Logic Devices/Field-Programmable Gate Arrays) , General-Purpose Mikrocontroller, DSP (Digital Signal Processor), ASIP (Application-Specific Instruction Set Processor), um nur die wichtigsten Implementierungsklas-sen zu nennen. Man spricht hierbei von einem Design Space bzw. von Design Space Exploration.

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