Eingebettete Systeme (Vorlesung mit Übungen) - Cheatsheet

Definition und Merkmale eingebetteter Systeme

Definition:

Eingebettete Systeme sind spezialisierte Computersysteme, die in größere Systeme integriert sind und spezifische Kontrollfunktionen ausführen.

Details:

• Merkmale: spezialisierte Hardware und Software, Echtzeitfähigkeit, Zuverlässigkeit, Energieeffizienz
• Beispiele: Medizingeräte, Industriesteuerungen, Unterhaltungselektronik
• Typische Komponenten: Mikrocontroller, Sensoren, Aktoren
• Einsatzgebiete: Automobilindustrie, Telekommunikation, Hausgeräte

Schaltplan- und PCB-Design

Definition:

Schaltplan- und PCB-Design bezieht sich auf die Entwicklung und Gestaltung von elektrischen Schaltplänen und deren Umsetzung auf gedruckte Schaltungen (Leiterplatten).

Details:

• Schaltplan: Logische Darstellung der Schaltung, zeigt Verbindungen und Komponenten.
• PCB-Design: Physische Umsetzung des Schaltplans auf einer Leiterplatte, unter Berücksichtigung von Platzierung und Routing der Bauteile.
• Designregeln beachten: Abstände, Breite der Leiterbahnen, elektrische Sicherheit.
• CAD-Software: Programme wie EAGLE, KiCAD werden verwendet.
• Simulation: Überprüfung des Designs vor der Fertigung.
• Fertigungsdaten: Gerber Dateien, Bohrpläne für die Produktion der PCB.

Interaktion zwischen Hardware und Software

Definition:

Interaktion zwischen Hardware und Software bestimmt die Funktionalität eingebetteter Systeme. Hardware führt Software-Instruktionen aus.

Details:

• Hardware-Komponenten: CPU, Speicher, I/O-Geräte
• Software-Komponenten: Betriebssystem, Treiber, Anwendungen
• Software sendet Befehle an Hardware: \texttt{Machine Code}
• Hardware führt diese Befehle aus: \texttt{Fetch-Decode-Execute-Zyklus}
• Kommunikationsprotokolle: \texttt{SPI, I2C, UART}
• Hardware-Software-Co-Design: \texttt{Optimierung von Systemleistung und Effizienz}

Scheduling-Algorithmen und Prioritätenmanagement in Echtzeitbetriebssystemen

Definition:

Zuweisung von Prozessen/Threads zu CPU basierend auf verschiedenen Strategien und Prioritäten, um zeitkritische Aufgaben termingerecht zu erfüllen.

Details:

• Feste Prioritäten: Prozesse erhalten statische Prioritäten, z.B. Rate-Monotonic Scheduling (RMS)
• Dynamische Prioritäten: Prioritäten ändern sich basierend auf Prozessverhalten, z.B. Earliest Deadline First (EDF)
• Preemptive Scheduling: Höher priorisierte Prozesse können niedrig priorisierte unterbrechen
• Non-Preemptive Scheduling: Prozesse laufen bis zur Beendigung oder freiwilligem Yielding
• Deadline Scheduling: Einhaltung von Deadlines hat höchste Priorität, z.B. EDF
• \textbf{Formel für Prioritätszuweisung in RMS:} \( p_i = \frac{T_i}{T_{min}}\)

Grundlagen und Auswahlkriterien von Sensoren und Aktoren

Definition:

Sensoren erfassen Umgebungsdaten, Aktoren setzen Steuerbefehle um.

Details:

• Signaltypen: Analog, Digital
• Eigenschaften: Genauigkeit, Empfindlichkeit, Auflösung
• Reaktionszeit: Zeit, die ein Sensor/Aktor benötigt, um auf eine Änderung zu reagieren
• Umgebungsbedingungen: Temperatur, Feuchtigkeit, elektromagnetische Störungen
• Kalibrierung und Wartung: Notwendigkeit und Aufwand
• Verfügbarkeit und Kosten: Marktverfügbarkeit und Budget
• Energieverbrauch: Wichtig für Batteriebetriebene Systeme
• Kompatibilität: Integration in bestehende Systeme
• Sicherheitsaspekte: Zuverlässigkeit und Fehlertoleranz

Signalverarbeitung und Fehlerkorrektur bei Sensoren

Definition:

Signalverarbeitung und Fehlerkorrektur bei Sensoren umfasst Techniken zur Verbesserung der Signalqualität und Korrektur auftretender Fehler.

Details:

• Filterung: Anwendung von Tiefpass-, Hochpass-, Bandpass- und Bandsperrfiltern zur Signalklärung.
• Rauschen: Rauschunterdrückung durch Mittelwertbildung, Medianfilter oder Kalman-Filter.
• Fehlerkorrektur: Nutzung von Codierungsverfahren wie CRC (Cyclic Redundancy Check) oder Hamming-Code zur Fehlererkennung und -korrektur.
• Signalverstärkung: Verstärkung schwacher Signale unter Beachtung des Signal-Rausch-Verhältnisses.
• Echtzeitverarbeitung: Notwendigkeit der schnellen und effizienten Verarbeitung in eingebetteten Systemen.

UART, SPI und I2C Kommunikationsprotokolle

Definition:

Serielle Kommunikationsprotokolle zur Verbindung von Mikrocontrollern und Peripheriegeräten.

Details:

• UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter): Asynchrone serielle Kommunikation, keine Taktleitung. Datenrahmen bestehend aus Startbit, 5-9 Datenbits, optionalem Paritätsbit und Stopbit.
• SPI (Serial Peripheral Interface): Synchrone serielle Kommunikation, Voll-Duplex. Verwendet MISO, MOSI, SCLK, und SS Leitungen. Master-Slave Architektur.
• I2C (Inter-Integrated Circuit): Synchrone serielle Kommunikation, Halb-Duplex. Verwendet SDA (Datenleitung) und SCL (Taktleitung). Multi-Master-Multi-Slave-Arquitektur. Unterstützt Adressierung von Geräten durch 7- oder 10-Bit Adressen.

Netzwerksicherheit und Datenintegrität in eingebetteten Systemen

Definition:

Schutz von eingebetteten Systemen vor Angriffen und Gewährleistung der Korrektheit und Vollständigkeit der Daten.

Details:

• Datenverschlüsselung: Sicherstellung der Vertraulichkeit mittels Algorithmen wie AES, RSA.
• Authentifizierung: Identitätsprüfung durch Methoden wie Zertifikate, Passwörter.
• Integrietsprüfung: Einsetzen von Hash-Funktionen wie SHA-256 zur Überprüfung der Datenintegrität.
• Netzwerkprotokolle: Verwendung sicherer Protokolle wie TLS, IPsec.
• Schutz vor Angriffen: Einsatz von Firewalls, Intrusion Detection Systems (IDS).
• Physischer Zugriffsschutz: Zugangskontrollen und Sicherheitsmaßnahmen auf Hardware-Ebene.
• Regelmäßige Updates: Aktualisierung der Software, um Sicherheitslücken zu schließen.