Praktikum: Entwicklung interaktiver eingebetteter Systeme - Cheatsheet

Gestaltung von Benutzeroberflächen

Definition:

Gestaltung von Benutzeroberflächen (UI) fokussiert sich auf die visuelle und interaktive Gestaltung von Software-Systemen, um eine benutzerfreundliche und effektive Nutzung sicherzustellen.

Details:

• Wichtige Prinzipien: Konsistenz, Feedback, Effizienz, Fehlertoleranz
• Visuelles Design: Farben, Layout, Typografie
• Interaktionsdesign: Navigation, Eingabeelemente
• Evaluierung: Usability-Tests, Heuristiken

Nutzerzentriertes Design

Definition:

Methode zur Gestaltung interaktiver Systeme, die den Nutzer und seine Bedürfnisse in den Mittelpunkt stellt.

Details:

• Iterativer Designprozess: Analyse, Design, Implementierung, Evaluation
• Wichtige Methoden: Kontextanalyse, Personas, Szenarien, Prototyping
• Ziele: Gebrauchstauglichkeit (Usability), Benutzerfreundlichkeit und positive Nutzererfahrung (User Experience)
• Evaluationsmethoden: Usability-Tests, Umfragen, Interviews
• Beachtung von ISO 9241 (Ergonomie der Mensch-System-Interaktion)

Architektur eingebetteter Systeme

Definition:

Architektur eingebetteter Systeme - beschreibt den strukturellen Aufbau und das Zusammenspiel der Hardware- und Softwarekomponenten eingebetteter Systeme.

Details:

• Komponenten: Mikrocontroller, Sensoren, Aktoren, Speicher, Kommunikationsschnittstellen
• Softwarearchitektur: Betriebssystem (RTOS vs. Bare Metal), Middleware, Anwendungsschicht
• Echtzeitfähigkeit: Anforderungen an Zeitverhalten und Reaktionszeiten
• Hardware-Software-Co-Design: Integration von Hardware- und Softwareentwicklungen
• Sicherheitsanforderungen: Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und Sicherheit
• Entwurfsstrategien: Top-Down und Bottom-Up
• Leistungsoptimierung: Energieverbrauch, Speicherplatz, Verarbeitungsgeschwindigkeit

Hardware-Software-Co-Design

Definition:

Kombinierter Entwurf von Hardware und Software, um optimale Systeme zu schaffen.

Details:

• Ziel: Maximierung der Leistung und Effizienz
• Iterativer Entwicklungsprozess
• Verwendet Modellierung und Simulation
• Enge Abstimmung zwischen Hardware- und Softwareteams
• Beispiele: eingebettete Systeme, SoC-Designs
• Wichtige Tools: Hardwarebeschreibungssprachen (HDLs) wie VHDL/Verilog, Softwareentwicklungstools

Energieeffiziente Programmierung

Definition:

Techniken zur Reduktion des Energieverbrauchs von Software auf eingebetteten Systemen.

Details:

• Algorithmen optimieren: Wahl energieeffizienter Algorithmen.
• Sleep-Modi nutzen: Prozessoren schlafen legen, wenn sie nicht aktiv sind.
• Spannungs- und Frequenzskalierung (DVFS): Dynamische Anpassung der Spannung und Frequenz des Prozessors an die jeweiligen Bedürfnisse.
• Memory Management: Geringerer Energieverbrauch durch effizientes Speichermanagement.
• Pareto-Effizienz: Gleichgewicht zwischen Energieverbrauch und Leistung finden.
• Messung und Monitoring: Energieverbrauch messen und analysieren.
• Hardware-Verständnis: Kenntnis der Hardware-Einschränkungen und -Möglichkeiten nutzen.

Mikrocontroller-Programmierung in C/C++

Definition:

Programmierung von Mikrocontrollern verwendet C/C++ für effiziente Hardwaresteuerung und Ressourcenmanagement.

Details:

• Direkter Zugriff auf Hardware-Register mit C
• Nutzung von speziellen Mikrocontroller-Bibliotheken
• Interrupt-Handling und zeitkritische Programmierung
• Energieeffiziente Code-Erstellung
• Integration von Peripheriegeräten (Sensoren, Aktoren)
• Debugging und Fehlersuche meistens über serielle Schnittstellen
• Hardware-Abstraktionsschichten (HAL) für Portabilität

Interrupt-Handling bei Mikrocontrollern

Definition:

Mechanismus zur Unterbrechung der normalen Programmausführung, um auf externe oder interne Ereignisse schnell zu reagieren.

Details:

• Interrupts können hardware- oder softwarebasiert sein.
• Unterbrechungen werden durch Interrupt-Service-Routinen (ISR) bearbeitet.
• Wichtige Register: Interrupt-Vektor-Tabellen, Statusregister.
• \text{ISR} sollte so kurz wie möglich sein, um die Reaktionszeit zu minimieren.
• Globale und lokale Interrupt-Enable/Disable-Flags kontrollieren die Interrupt-Aktivierung.
• Prioritätsmechanismen bestimmen Reihenfolge bei mehreren gleichzeitigen Interrupts.

Echtzeitbetriebssysteme und Task-Scheduling

Definition:

Echtzeitbetriebssystem (Real-Time Operating System, RTOS) ist ein Betriebssystem, das Aufgaben innerhalb einer definierten Zeitspanne erledigt. Task-Scheduling referiert auf das Planen und Koordinieren der Ausführung von Aufgaben im System.

Details:

• Determinismus: Garantierte Reaktionszeiten auf Ereignisse.
• Preemptive Scheduling: Höher priorisierte Aufgaben unterbrechen niedrig priorisierte.
• Deadline: Zeitrahmen, innerhalb dessen eine Aufgabe abgeschlossen sein muss.
• Ressourcenverwaltung: Optimale Verteilung und Nutzung von Ressourcen wie CPU und Speicher.
• Wichtige Algorithmen: Fixed Priority Scheduling, Round-Robin, Rate-Monotonic Scheduling (RMS), Earliest Deadline First (EDF).
• Prios: Aufgaben werden meist durch Prioritäten organisiert.