Eingebettete Systeme - Cheatsheet

Definition und Eigenschaften eingebetteter Systeme

Definition:

Eingebettete Systeme sind spezialisierte Computer, die in andere Geräte integriert sind und spezielle Funktionen ausführen.

Details:

• Realisieren spezifische Aufgaben
• Enge Kopplung an die Umgebung
• Hohe Zuverlässigkeit und Echtzeitfähigkeit
• Ressourcensparend (z.B. geringer Stromverbrauch)
• Soft- und Hardware stark integriert
• Beispiele: Steuergeräte in Autos, Medizingeräte, Haushaltsgeräte
• Typische Architektur: Mikrocontroller, Speicher, Sensoren, und Aktuatoren
• Oft unter Echtzeitbedingungen (RTOS: Real-Time Operating System)

Grundlagen der Mikrocontroller und ihrer Architektur

Definition:

Grundlagen der Mikrocontroller und deren Architektur: Mikrocontroller sind integrierte Schaltkreise, die einen Prozessor, Speicher und I/O-Peripherie auf einem Chip kombinieren.

Details:

• Mikrocontroller bestehen aus CPU, Speicher (RAM, ROM, Flash), und I/O-Ports.
• Typische Architekturen: Harvard-Architektur (getrennte Speicher für Befehle und Daten) und von-Neumann-Architektur (gemeinsamer Speicher für Befehle und Daten).
• Gängige Busse: Datenbus, Adressbus, Steuerbus.
• Programmierbare Peripheriegeräte: ADC, DAC, UART, Timer.
• Taktgeber und Interrupt-Mechanismen: bestimmen die Geschwindigkeit und Reaktionsfähigkeit des Mikrocontrollers.
• Bespiel für Mikrocontroller: AVR, PIC, ARM Cortex-M.

Echtzeitbetriebssysteme (RTOS) und Scheduling-Algorithmen

Definition:

RTOS sorgen für die rechtzeitige und deterministische Ausführung von Aufgaben in eingebetteten Systemen.

Details:

• Hartes RTOS: Strikte Einhaltung von Deadlines, bei Verfehlung entsteht ein Systemfehler.
• Weiches RTOS: Deadlines sind flexibel, Verfehlung führt zu Qualitätsdegradierung, aber nicht zu totalem Versagen.
• Fixed Priority Scheduling (FPS): Aufgaben haben feste Prioritäten, höchste Priorität wird zuerst ausgeführt.
• Round Robin Scheduling: Zeitgesteuerte, zyklische Ausführung der Aufgaben in gleicher Reihenfolge.
• Earliest Deadline First (EDF): Aufgaben mit der nächstgelegenen Deadline werden bevorzugt behandelt.
• Rate Monotonic Scheduling (RMS): Periodische Aufgaben, kürzere Perioden haben höhere Priorität.

Partitionierung von Hardware und Software im Co-Design

Definition:

Verteilung von Systemfunktionen auf Hardware- und Softwarekomponenten zur Optimierung von Leistung, Energieverbrauch und Kosten.

Details:

• Ziel: Finden eines optimale Kompromisses zwischen Hardware (HW) und Software (SW).
• HW: Schnellere Ausführung, höherer Energieverbrauch, höhere Kosten.
• SW: Flexibler, einfacher zu ändern, geringere Entwicklungskosten.
• Ansätze: Heuristische Methoden, genetische Algorithmen, dynamische Programmierung.
• Kriterien: Echtzeit-Anforderungen, Ressourcennutzung, Energieeffizienz.
• Übliche Werkzeuge: UML für Modellierung, VHDL/Verilog für HW-Design, C/C++ für SW-Design.
• Beispiel: Signalverarbeitung in Embedded Systems.

Modellierung und Simulation mit VHDL und Verilog

Definition:

Modellierung und Simulation digitaler Schaltungen mittels Hardware Description Languages VHDL und Verilog.

Details:

• Verwendung in der Entwurfsphase eingebetteter Systeme.
• VHDL: stark typisierte Sprache, gut für strukturierte und wiederverwendbare Designs.
• Verilog: leichter zugänglich und verbreitet, weniger streng bei Typen.
• Simulationstools: ModelSim, Vivado.
• Wichtige Konstrukte: Entity/Architecture (VHDL), Module (Verilog).
• Testbenches zur Verifikation: Simuliere Design, prüfe auf Korrektheit.
• Typische Anwendungen: FPGAs, ASICs.
• Umsetzung von algorithmischen Beschreibungen in Hardware.
• Beispiel VHDL:

entity AND_GATE is    Port ( A : in STD_LOGIC;           B : in STD_LOGIC;           Y : out STD_LOGIC);end AND_GATE;architecture Behavioral of AND_GATE isbegin    Y <= A and B;end Behavioral;

Sicherheitsstandards und Zertifizierungen für eingebettete Systeme

Definition:

Sicherheitsstandards und Zertifizierungen gewährleisten zuverlässigen Betrieb eingebetteter Systeme durch normative Vorgaben.

Details:

• IEC 61508: Funktionale Sicherheit programmierbarer elektronischer Systeme.
• ISO 26262: Sicherheit für Straßentransport (automotive).
• DO-178C: Software-Sicherheitszertifizierung in der Luftfahrt.
• Common Criteria (ISO/IEC 15408): Sicherheitsbewertungen für IT-Produkte.
• UL 2900: Cybersicherheit für vernetzte Geräte.
• Zertifizierungsprozess: Risikoanalyse, Sicherheitsanforderungen, Implementierung, Tests, Bewertung und Wartung.
• Sicherheitsintegritätslevel (SIL): Misst das erforderliche Maß an Risikoreduzierung.

Energieeffizienz und Leistungsoptimierung in eingebetteten Systemen

Definition:

Energieeffizienz und Leistungsoptimierung sind zentrale Aspekte beim Design eingebetteter Systeme, da sie die Lebensdauer und Performance beeinflussen.

Details:

• Energieeffizienz: Minimierung des Energieverbrauchs eines Systems
• Leistungsoptimierung: Erhöhung der Systemleistung
• Wichtig: Balance zwischen Konsum und Performance
• Dynamische Spannungs- und Frequenzskalierung (DVFS)
• Strategien zur Abschaltung nicht genutzter Komponenten
• Algorithmische Optimierungen
• Hardware-basiertes Power Management
• Einfluss von Betriebssystem und Software-Architektur

Fehlerbehandlung und Zuverlässigkeit in Echtzeitsystemen

Definition:

Fehlerbehandlung: Maßnahmen zur Erkennung, Isolation und Korrektur von Fehlern. Zuverlässigkeit: Fähigkeit eines Systems, über einen bestimmten Zeitraum hinweg fehlerfrei zu funktionieren.

Details:

• Fehlertypen: Hardware- und Softwarefehler
• Fehlererkennung: Redundanz, Paritätsbits, Checksummen
• Fehlerkorrektur: Fehlerkorrektur-Codes (z.B. Hamming-Code)
• Fehlertoleranz: Fähigkeit des Systems, trotz Fehlern weiterzuarbeiten
• Redundanzarten: Zeitliche, räumliche und informationstechnische Redundanz
• Zuverlässigkeit: Wahrscheinlichkeit eines fehlerfreien Betriebs in einem definierten Zeitraum
• MTBF (Mean Time Between Failures): Durchschnittszeit zwischen Fehlern
• MTTR (Mean Time To Repair): Durchschnittszeit zur Fehlerbehebung
• Fail-Safe und Fail-Operational Systeme: Sicherheitsansatz
• Echtzeitbedingungen: Deadline-Einhaltung für zuverlässigen Betrieb