Embedded Systems – Beispiele von eingebetteten Systemen

Embedded Systems begegnen uns überall im täglichen Leben – vom Auto bis zur Kaffeemaschine. Doch gelingt es Embedded Systems, mit geringen Ressourcen spezielle Aufgaben in Echtzeit zuverlässig zu erledigen? Die oft nicht sichtbaren Systeme sind meist in einer Firmware bzw. einem Betriebssystem integriert. Es handelt sich dabei größtenteils um komplexe Systeme, die in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, von Haushaltsgeräten bis hin zur Medizintechnik und Industriesteuerung. Das jeweilige Embedded Systems sorgt dafür, dass spezifische Aufgaben automatisch und zuverlässig durchgeführt werden. In vielen eingebetteten Systemen stellt das Betriebssystem, die Funktionen bereit und koordiniert die Wechselwirkung zwischen den einzelnen Komponenten. In einer Welt, in der eingebettete Systeme zu Industriestandards werden, ist das Grundverständnis wichtig, welches wir in diesem Artikel vermitteln möchten.

Autor: Thomas W. Frick (LinkedIn-Profil / Xing-Profil)

Was ist ein Embedded System? Definition

Bei einem Embedded System (auch eingebettetes System genannt) handelt es sich um einen elektronischen Rechner bzw. Computer, der in einen technischen Kontext eingebettet (eingebunden) ist. Es handelt sich somit um ein binär wertiges digitales System bzw. Echtzeitsystem. Bei einem Embedded System übernimmt der Rechner meist Steuerungs-, Regelungs- oder Überwachungsfunktionen. Des Weiteren ist der Rechner oft für eine Form der Daten- bzw. Signalverarbeitung (z.B. Verarbeitung von Eingangssignalen) verantwortlich. Ein Embedded System verrichtet den Dienst in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen und Geräten, wie beispielsweise in Flugzeugen, Geräten der Unterhaltungselektronik oder Medizintechnik, Waschmaschinen, Fernsehern, Kühlschränken, Routern, Mobiltelefonen oder Kraftfahrzeugen. Dabei wird ein Embedded System häufig speziell an eine Aufgabe angepasst. Das Gegenstück zu einem Embedded System ist das Self-Contained System.

Industriegeschichte: Das erste moderne Embedded System war der Apollo Guidance Computer. Dieser wurde von dem US-amerikanischen Ingenieur Charles Stark Draper in Zusammenarbeit mit dem MIT Instrumentation Laboratory entwickelt. Bei jedem Flug zum Mond waren zwei dieser Systeme dabei. Wobei dieses System damals noch als sehr riskant galt.

Die ersten Embedded Systems wurden allerdings schon vorher in der Minuteman-Rakete eingesetzt. Infolgedessen wurde das eingebettete System in Massenproduktion hergestellt. Bei der Anwendung handelte es sich um ein Wege-Such-System, welches der Rakete nach einmaliger Programmierung ein unabhängiges Manövrieren ermöglichte.

Klassifizierung von Computersystemen

Computersysteme werden in drei verschiedene Klassen eingeteilt. Diese sind (rein) transformationale, reaktive und interaktive Systeme. Die Klassifizierung erfolgt hauptsächlich durch die Art und Weise, wie Eingaben in Ausgaben transformiert werden.

(Rein) Transformationale Systeme

Diese Systeme transformieren nur solche Eingaben in Ausgaben, die von Anfang an der Systemverarbeitung vollständig vorliegen. Ist die Verarbeitung noch nicht terminiert, sind Ausgaben nicht verfügbar. Dies hat zur Folge, dass es dem Benutzer bzw. der Prozessumgebung nicht möglich ist, während der Verarbeitung mit dem System zu interagieren.

Reaktive Systeme

Diese Systeme geben vor, was zu tun ist. Das Computersystem reagiert nur noch auf externe Stimuli. Die Prozessumgebung synchronisiert den Rechnern.

Interaktive Systeme

Interaktive Systeme interagieren und synchronisieren stetig mit ihrer Umgebung. Sie erzeugen also nicht Ausgaben erst dann, wenn sie terminieren. Wichtig ist, dass diese Interaktion durch das Rechnersystem bestimmt wird und nicht durch die Prozessumgebung.

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Embedded Systems Klassifizierung 

Ein Embedded System muss immer auf den umgebenden Prozess reagieren. Die Implementierung ist sowohl als interaktives als auch als reaktives System möglich. Ein reaktives Systemdesign geht in Richtung Echtzeitsystem, wobei es nicht automatisch echtzeitfähig ist. Wird die Einhaltung von Zeitschranken zu einer Hauptsache, d.h. wird die Verletzung bestimmter Zeitschranken sehr kritisch im Sinn einer Gefährdung für Mensch und Maschine, dann spricht man von Echtzeitsystemen. Bei einem interaktiven Systemdesign muss zudem auch gewährleistet werden, dass die Interaktion, die vom Rechner ausgeht, ebenfalls rechtzeitig erfolgt. Ist dies gewährleistet, steht einem interaktiven Systemdesign im Grunde nichts im Wege.

Des Weiteren lassen sich Embedded Systems in weitere Kriterien unterscheiden:

• Zum einen in „kontinuierlich versus diskret„. Hierbei bezieht sich die Ausprägung der Stetigkeit sowohl auf Datenwerte als auch auf die Zeit. Sind beide Verhaltensweise enthalten, spricht man von einem „hybridem System“.

• Ein weiteres Kriterium ist „monolithisch versus verteilt„. Anfangs waren alle eingebettete Systeme monolithisch aufgebaut. Mittlerweile verlagert sich dies zunehmend in Richtung verteilte Systeme.

• Das letzte Kriterium ist „Sicherheitskritisch versus nicht-sicherheitskritisch„. Sicherheitskritische Systeme führen bei einem Versagen zu einer Gefährdung von Menschen und Einrichtungen. Viele Konsumprodukte sind sicherheitsunkritisch, während Flugzeugbau, Medizintechnik oder Automobile zunehmend auf sicherheitskritische Embedded Systeme beruhen.

Erfolgsfaktor Mikrocontroller und Mikroprozessoren

Ein Mikrocontroller ist eine Kombination aus Prozessor und Speicher, mit Schnittstellen zur Verarbeitung von Eingangssignalen und Ausgangssignalen. Die Mikrocontroller sorgen dafür, dass die Eingangssignale erfasst und verarbeitet werden, um die entsprechenden Aktionen auszulösen und sind daher ein elementarer Bestandteil von eingebetteten Systemen. Die Mikroprozessoren in Embedded Systems erledigen die programmierten Aufgaben in der Regel mit minimalem Energieverbrauch. Als Echtzeitsysteme werden Befehle in Echtzeit verarbeitet und die Ausführung von Programmen gesteuert. Hierbei wird mit verschiedenen Eingangssignalen interagiert, z.B. mit Sensoren, Aktoren oder Benutzereingaben. Die Wechselwirkung zwischen den einzelnen Komponenten eines eingebetteten Systems ist eine wichtige Funktionalität. Das Betriebssystem verwaltet Ressourcen und Zeitpläne, um die Durchführung verschiedener Aufgaben sicherzustellen.

Welche Embedded Systems Produktbeispiele gibt es?

1. Eine Mikrowelle verwendet ein Embedded System, um die Heizleistung und -dauer zu steuern, basierend auf den Benutzereinstellungen.
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2. Ampelanlagen verwenden eingebettete Systeme, um den Verkehrsfluss zu regulieren und Staus zu minimieren.
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3. Herzschrittmacher nutzen ein Embedded System, um den Herzrhythmus zu überwachen, um elektrische Impulse bei Bedarf zu geben.
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4. Industrieroboter verwenden eingebettete Systeme für die Bewegungsabläufe und Aufgaben
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5. Moderne Autos nutzen eingebettete Systeme, von der Motorsteuerung bis zur Infotainment-Systemsteuerung.
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6. Digitalkameras verarbeiten Bilder, Einstellungen und Speicherkarten mittels Embedded Systems.
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7. Smartphones haben viele eingebetteten Systeme, z.B. für die Kommunikation, Ortung und Multimedia.
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8. Waschmaschinen steuern den Waschzyklus basierend auf verschiedenen Parametern wie z.B. Kleidungsart und Verschmutzungsgrad.
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9. Flugzeuge nutzen komplexe Echtzeitsysteme für die Avionik, einschließlich Navigation, Kommunikation und Steuerungssysteme.
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10. Überwachungskameras nutzen eingebettete Systeme, um Bewegungen zu erkennen und bei Bedarf Benachrichtigungen zu senden.

Wie werden Embedded Systems in den einzelnen Branchen eingesetzt?

Besonders in der Industrie spielen eingebette Systeme eine große Rolle. Sie steuern beispielsweise Produktionsanlagen oder sind in Robotern und an Fertigungsstraßen aktiv. Im Automobilbau sind Embedded Systems unverzichtbar, denn sie regeln Motoren und unterstützen Fahrer durch Assistenzsysteme. Auch Infotainment-Anlagen oder Navigationshilfen verwenden diese Technik. Viele Geräte, die wir jeden Tag benutzen, enthalten ebenfalls Embedded Systems. Dazu zählen Smartphones, Tablets und andere Smart-Home-Geräte, die zum Beispiel die Beleuchtung steuern. Selbst die Medizintechnik profitiert von diesen speziellen Computern. Einige diagnostische Geräte wie MRT und CT basieren darauf.

Wie haben sich eingebettete Systeme über die letzten Jahrzehnte hinweg entwickelt?

Der Ursprung der Embedded Systems liegt weit zurück – schon in den 1960er Jahren begann ihre Geschichte:

• Anfangs entwickelte man eingebettete Systeme für militärische Zwecke und die Raumfahrt, wie das schon genannte Apollo-Programm der NASA im Jahr 1961 zeigt.
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• Zehn Jahre später, genauer 1971, stellte Intel den 4004 vor – das war der erste Mikroprozessor, der kommerziell erhältlich war.
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• Ab 1980 verbreiteten sich Embedded Systems stark, besonders in der Automobilindustrie.
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• Ab 1990 brachten dann Echtzeit-Betriebssysteme, die schnelle Reaktionen ermöglichen.
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• Um die Jahrtausendwende wurden die Geräte kleiner.
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• Heute steht die Verbindung der Geräte untereinander im Fokus, was auch als IIoT bezeichnet wird.

Heutzutage werden Embedded Systems so entwickelt, dass Sie an Leistung gewinnen und immer Energie verbrauchen sollen. In Zukunft integrieren Entwickler immer mehr KI-Funktionen, um neue Möglichkeiten zu schaffen.

Was wird zur Entwicklung und für das Debugging eingebetteter Systeme genötigt?

Um Embedded Systems zu gestalten, braucht es besondere Werkzeuge und Vorgehensweisen.
Zu den Kernwerkzeugen zählen:

• Integrierte Entwicklungsumgebungen (IDEs) – etwa Eclipse oder IAR Workbench.
• Entwickler nutzen ebenso Hardware-Debugger sowie In-Circuit-Emulatoren.
• Hinzu kommen Simulatoren oder spezielle Prototyping-Boards, die erste Tests ermöglichen.
• Entwickler verwenden als Programmiersprachen meist C oder C++. Python gewinnt auf diesem Gebiet ebenfalls an Bedeutung.
• Beim Auffinden von Fehlern, dem Debugging, helfen spezielle Methoden wie z.B. On-Chip-Debugging, JTAG oder auch Trace-Analysen.

Welche Erfolgsfaktoren sind für die Entwicklung wichtig?

Erfolgreiche Projekte folgen bestimmten bewährten Prinzipien:

• Der Code wird in kleine, unabhängige Einheiten zerlegt, das nennt man Modularisierung.
• Eine strikte Versionskontrolle sorgt dafür, dass alle Änderungen nachvollziehbar bleiben.
• Eine ausführliche Dokumentation aller Arbeitsschritte zählt ebenfalls zu diesen Grundsätzen.
• Entwickler führen regelmäßige Code-Reviews durch, um die Produktqualität hoch zu halten.

Unser Embedded Systems FAQ

Was ist der Unterschied zwischen eingebetteten Systemen und IoT?

Kleine Computersysteme, die in größeren Apparaten eine feste Aufgabe und auch ohne Internet ihre Aufgabe erfüllen nennen wir Embedded Systems. Geräte, die sich mit dem Internet verbinden, bilden das Internet der Dinge – kurz IoT oder in der Industrie IIoT genannt. Diese vernetzten Apparate enthalten oft Embedded Systems, aber sie haben auch eine direkte Internetverbindung.

Wie werden eingebettete Systeme programmiert?

In der Regel nutzen eingebettete Systeme Programmiersprachen wie C oder C++. Mittlerweile programmiert man sie aber vermehrt auch mit höheren Sprachen, z.B. in Python. Das geschieht besonders für Systeme, die mehr Leistung liefern.

Was ist hinsichtlich Industrial Security bzw. IT-Security bei eingebetteten Systemen zu beachten?

Wichtige Sicherheitsaspekte sind:

• Vorbeugung und Schutz vor unbefugten Zugriffen (Cyber-Attacken).
• Nutzung sicherer Kommunikationsprotokolle.
• Durchführung von regelmäßigen Sicherheitsupdates.
• Verschlüsselung vertraulicher und sensibler Daten.

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