Eingebettetes System

Eingebettete Systeme können in Einzelfällen auf ähnlicher Hardware wie Arbeitsplatzcomputer basieren (Embedded-PCs). Typischerweise unterliegen sie jedoch stark einschränkenden Randbedingungen: minimale Kosten, geringer Platz-, Energie- und Speicherverbrauch. Einzelne Komponenten wie Prozessor und Arbeitsspeicher basieren oft auf Weiterentwicklungen älterer Komponenten, was die langfristige Einsetzbarkeit und Ersatzteilbeschaffung erleichtert. „Moderne“ eingebettete Systeme basieren häufig auf Prozessorplattformen, die mit der PC-Welt wenig gemeinsam haben, aber in Bezug auf die Peripheriemodule hochintegriert sind und durch moderne Stromspartechniken deutlich weniger Energie verbrauchen.

Bei vielen Anwendungen kann die Verwendung einer älteren Prozessorarchitektur dazu beitragen, Kosten zu senken. So sind die Architekturen der MCS-51-, Microchip-8Bit-PIC- oder Z80-Serie trotz ihres Alters und bekannter Schwächen immer noch eine sehr beliebte Basis für eingebettete Systeme. Die Wiederverwendung von Programmcodes und Toolchains sowie die Scheu vor vollständigen Redesigns „ohne Not“ sind hierbei neben den reinen Materialkosten ebenfalls nicht zu unterschätzende Randfaktoren.

In einem eingebetteten System muss die Software oft Echtzeitanforderungen genügen. In der Regel existieren, verglichen mit PC-Hardware, nur stark reduzierte Ressourcen, zumeist ohne Festplatte, häufig ohne Betriebssystem, Tastatur oder Bildschirm. Ein ROM- oder Flash-Chip ersetzt mechanische Speicherkomponenten wie eine Festplatte, stromsparende Prozessoren kommen ohne Lüfter aus, denn bewegliche Teile bedeuten Verschleiß und Fehleranfälligkeit. Wenn überhaupt, dann gibt es meistens nur ein Tastenfeld, und die Ausgabe wird – soweit vorgesehen – durch ein LCD realisiert.

Die Software auf einem solchen Gerät wird Firmware genannt. Sie befindet sich gewöhnlich auf einem ROM, immer häufiger jedoch auf Flash-Speicher. Im Falle eines Flash-Speichers besteht die Möglichkeit eines Firmware-Updates, ohne dass der Chip ausgewechselt werden muss. Ist nur ein ROM vorhanden, muss zumeist der gesamte Chip ausgewechselt werden, manchmal auch die gesamte Schaltung.

Im Wesentlichen besteht die Firmware aus drei Komponenten.

Bootloader

Sorgt für das Laden des Betriebssystems und der Applikationssoftware. Weiter bietet dieser die Möglichkeit, Betriebssystem und Applikationssoftware im Flash-Speicher zu aktualisieren. Dies kann entweder über eine serielle Schnittstelle (RS232) oder über Ethernet und IP erfolgen. Bekannte Bootloader für eingebettete Systeme sind RedBoot oder U-Boot.

Betriebssystem

Dieser Softwareteil sorgt unter anderem für das Multitasking, Speicher und Dateiverwaltung (zum Beispiel JFFS2) sowie für IP-Dienste wie TFTP, HTTP, SNMP und Telnet.

Applikationssoftware

Dieser Teil enthält die anwendungsspezifische Software. Diese wird auch als Anwendungssoftware bezeichnet.

Bei kleinen eingebetteten Systemen können die drei Softwareteile zusammengefasst sein.

Eingebettete Systeme werden mittels vieler verschiedener CPU-Architekturen (8051, Arm, AVR, TI MSP430, MIPS, PowerPC, 68000/Coldfire, Intel x86, 68HC12, C167, Renesas M16C, H8S und diverser anderer 8/16/32-Bit-CPUs) realisiert.

Eine Untergruppe der Architekturen sind die Prozessorfamilien (beispielsweise 8051, AVR, PIC16, ARM7, PowerPC 5xx, MIPS 4k, AMD AU1000, Intel Pentium M), bei denen verschiedene Varianten mit denselben Entwicklungswerkzeugen und Debugtools betrieben werden können. Unterschiede innerhalb einer Prozessorfamilie bestehen bei der Geschwindigkeit und vor allem der Ausstattung mit Speicher und Peripheriebausteinen.

Eine besonders flexible Plattform sind hochintegrierte FPGA-Bausteine, mit denen zum einen unterschiedliche CPU-Architekturen nachgebildet werden können (beispielsweise 68000 und PowerPC 405 auf einem Chip) und zum anderen auch gut parallele Rechenleistung ohne Prozessor – nur mittels dedizierter Logik – zur Verfügung gestellt werden kann. In realen Anwendungen werden oft beide Ansätze in einem FPGA als System-on-a-Chip integriert. Zum Einsatz kommen hierbei als Prozessor sowohl fest verdrahtete Hardmakros wie die PowerPC-Kerne in verschiedenen Xilinx-Virtex-FPGAs als auch flexibel konfigurierbare Softcore-Prozessoren wie Alteras Nios II, Xilinx MicroBlaze, der Mico32 von Lattice oder auch IP-Cores eines Mikrocontrollers wie PIC oder 8051.

Embedded-PC Simatic Microbox PC 427B von Siemens, auf dem das Betriebssystem Microsoft Windows XP Embedded installiert ist

Bei „kleinen“ Systemen kommt häufig kein Betriebssystem zum Einsatz.

Wenn in eingebetteten Systemen ein Betriebssystem eingesetzt wird, handelt es sich meistens um darauf spezialisierte Betriebssysteme (Beispiele: QNX, VxWorks, Nucleus, OSEK, OS-9, RTEMS, ECos). Auch spezielle sogenannte eingebettete Versionen von Standardbetriebssystemen wie Linux (siehe Embedded Linux), NetBSD oder Microsoft Windows (3.x, CE, XP Embedded, Automotive oder Windows Embedded POSReady 2009/POSReady 7) kommen inzwischen zum Einsatz.

Oftmals haben Anwendungen weiche oder gar harte Echtzeitanforderungen, wie unten näher beschrieben ist. Hierfür müssen spezielle Echtzeitbetriebssysteme oder Betriebssysteme mit entsprechend angepassten Kernen verwendet werden.[1]

Die Software zur Programmentwicklung, also Compiler, Assembler und Debugger (wobei beim Debugging regelmäßig auch Hardware eingesetzt werden muss), wird in der Regel von verschiedenen Herstellern angeboten:

• Halbleiterhersteller, die am Absatz ihrer Prozessoren und Controller interessiert sind, und
• Softwarefirmen, die sich auf solche Programme spezialisiert haben.

Die Software für Embedded Systeme, die Firmware, wird in der Regel über einen Cross-Compiler erzeugt. Dieser Compiler läuft auf dem Entwicklungssystem (PC-Architektur), also normalerweise einer anderen Architektur als der des Zielsystems. Viele Cross-Compiler sind nicht auf einen bestimmten Prozessor begrenzt, sondern können Maschinencode für eine ganze Prozessorfamilie erzeugen, wie ARM7, PowerPC 8xx.

Manche Hersteller bieten auch System Design Kits an, die eine Prototypenplatine mit dem entsprechenden Prozessor zusammen mit einem Satz Software Development Kit und Dokumentation zu Hard- und Software enthalten.

In zunehmendem Maße erfolgt die Softwareentwicklung für eingebettete Systeme mit Hilfe modellbasierter Entwicklung, bei der graphische Modelle des Verhaltens spezifiziert werden, welche dann mittels Codegenerierung in C-Code überführt werden.

Bevorzugte Programmiersprache ist im Allgemeinen C oder C++, aber auch für Java gibt es Ansätze wie OSGi. Assemblersprache wird dann eingesetzt, wenn zeitkritische oder Gerätetreiber-Funktionen vor allem in Interrupts programmiert werden oder wenn das Betriebssystem selbst an eine neue Umgebung bzw. CPU angepasst werden muss. Oberhalb des Betriebssystems ist Assembler eher eine Randerscheinung, in Systemen ohne Betriebssystem und vor allem bei massiven Speicherrestriktionen kommt Assembler jedoch häufiger zur Anwendung. In sicherheitskritischen Anwendungen wie bei Flugsteuerungsrechnern werden in eingebetteten Systemen auch eher exotische Sprachen wie Ada eingesetzt – man muss hier allerdings differenzieren zwischen den zeitkritischen und den sicherheitskritischen Anwendungsebenen, für die ggf. innerhalb des Systems unterschiedliche Anwendungen und Programmiersprachen verantwortlich sein können. Nicht nur in der Automobilindustrie findet häufig die sogenannte modellbasierte Entwicklung mit Matlab/Simulink oder ASCET Anwendung. Aus den Modellen wird automatisch C-Code generiert, der wiederum für den entsprechenden Zielprozessor kompiliert wird.

Das Testen von Software für eingebettete Systeme findet oft in frühen Entwicklungsphasen auf dem PC statt. Dafür muss häufig die Umgebung der Anwendung, mit der das eingebettete System kommuniziert, simuliert werden. Diese Simulation heißt dann MiL (Model in the Loop) oder SiL (Software in the Loop). Wenn die Software auf der Zielhardware implementiert ist, spricht man dagegen von HiL (Hardware in the Loop); der Zugriff auf die Testhardware vom PC aus erfolgt dabei in der Regel über einen Hardware-Emulator.

Die Softwareentwicklung für eingebettete Systeme unterscheidet sich grundsätzlich von der für Desktop- oder PC-Systeme, da hierbei der Fokus auf den Möglichkeiten der Ein-/Ausgabe liegt. Die Funktionen dafür sind hardwareabhängig und für jedes System neu zu entwickeln.

Debugging umfasst Fehlerbeseitigung sowohl in der Software als auch in dem integrierten System. Für Software-Testing kann ein In-Circuit-Emulator (ICE) verwendet werden, eine Kombination aus Programm und Hardware, die es erlaubt, die Software im System, also auf der Zielhardware zu testen. Traditionellerweise muss dazu der eigentliche Controller gegen die ICE-Hardware (ein Bond-out-Prozessor) ausgetauscht werden. Das erlaubt es, die Software komfortabel und ohne weitere Eingriffe in der Zielhardware zu entwickeln. Da mit dem ICE Zugriffe auf die Peripherie der CPU möglich sind, lassen sich Software- von Hardwarefehlern unterscheiden und trennen. Früher wurde dazu ein Logikanalysator benötigt, der als Zusatzoption die Ziel-CPU emulieren konnte.

Heutzutage haben eingebettete CPUs schon einen „Schmalspur“-ICE an Bord, so dass der Hardware-ICE nicht unbedingt benötigt wird. Demgegenüber sind die Einwirkungsmöglichkeiten der Debugging-Software auf die Ziel-CPU eingeschränkt. Eine komplette Überwachung der CPU ist nicht möglich, dafür sind jedoch die Kosten erheblich geringer. Kostet ein voll ausgebautes ICE-System für ein 68000-Derivat einen bis zu sechsstelligen Eurobetrag, liegen die Kosten für solch ein „Schmalspur“-System im unteren 3-stelligen Eurobereich. Meist kommt eine Schnittstelle vom Typ JTAG zum Einsatz. Eine Alternative für Coldfire- und 68000-Derivate ist die Schnittstelle Background Debug Module (BDM) von Motorola.

Auch bei modernen ARM-Architekturen, Controller mit Cortex-M3 Core, ist sie als spezieller Debugging-Core vorhanden: https://developer.arm.com/documentation/ddi0337/e/DDI0337E_cortex_m3_r1p1_trm.pdf (Chapter 10…13) Das ist ein Teil des Microcontrollers, der für den normalen Programmablauf nicht nötig und nur für das Debugging eingebaut ist. Dieser Debugging-Core kann mit einer Debugging-Software über einen JTAG- oder SWD-Adapter angesprochen werden. Damit lässt sich der Prozessor an beliebigen Stellen im Programm anhalten, und die Werte der Register oder des Speichers können angesehen oder verändert werden. Auch ein schrittweises Abarbeiten des Codes zur Fehlersuche ist möglich. Als Hardware ist hier ein JTAG- oder SWD-Adapter nötig, der oft unter 100 € zu bekommen ist. Die Debuggersoftware kann von voll funktionsfähiger Freeware (gdb + ddd, gdb + kgdb, Eclipse) bis zu professioneller Software im Tausend-Euro-Bereich reichen.

Alternativ wird oft mit Simulatoren gearbeitet, welche die interne Struktur und die Peripherie des Mikrocontrollers in Software nachbilden. Beim Debugging sind die „externen“ Signale (Tasten, Display) „von Hand“ nachzubilden, wobei Interrupts benutzt werden müssten, die im Simulator nicht realisierbar sind.

Es gibt auch bei eingebetteten Systemen Entwicklungen auf Java-Basis, begründet im einfacheren Plattformwechsel und der Plattformunabhängigkeit mit Wegfall von Simulatoren (siehe OSGi und Embedded Java).

Der Microcode-Interrupt lässt den Debugger auf der Hardware arbeiten statt nur auf der CPU. Vom Standpunkt der CPU aus können CPU-basierte Debugger dann benutzt werden, um die Elektronik des Computers zu testen und gegebenenfalls Fehler zu diagnostizieren. Diese Fähigkeit wurde an der PDP-11 (siehe Programmed Data Processor) erforscht und entwickelt.

Der Systemtest wird mittels der Hardware-in-the-Loop-Technik durchgeführt, bei der das fertige System an eine Spezialhardware angeschlossen wird, die die Umgebung des Systems simuliert. Auf diese Weise kann das Verhalten des Systems mit Testfällen detailliert untersucht werden.

Zwischen dem eingebetteten System und der Systemumgebung, welche das eingebettete System aufnimmt, befinden sich in der Regel verschiedene Schnittstellen. Diese Schnittstellen können je nach Anwendungszweck des eingebetteten Systems in der Praxis sehr unterschiedlich ausgeführt sein. Eine spezielle Schnittstelle ist dabei die Benutzerschnittstelle (User Interface). Des Weiteren liegen zwischen System und Systemumgebung ein oder mehrere Programmierschnittstellen.

Alle eingebetteten Systeme haben einen Start-up Code, der nach dem Einschalten durchlaufen wird. Normalerweise deaktiviert dieser die Interrupts, kalibriert die interne Elektronik, testet den Computer (RAM, ROM, CPU) und startet den eigentlichen Programmcode, nachdem alles erfolgreich getestet wurde.

Viele dieser Systeme sind innerhalb von 100 ms einsatzbereit. Selbst nach einem kleinen Stromausfall oder einer Spannungsschwankung laufen diese Geräte sofort weiter, da die interne Hardware den Selbsttest der Hardware und Software überspringt. Es tritt jedoch durch möglicherweise veränderte Bits im RAM undefiniertes Systemverhalten auf, das eine Schaltung zur Spannungsüberwachung (Supply Voltage Supervisor, SVS oder auch Brownout Detection genannt) vermeidet. Der SVS löst einen „richtigen“ Reset aus, so dass das System komplett initialisiert wird und auch die Selbsttests durchläuft.

Die Dauer des Systemstarts ist bei der Kfz-Elektronik an den Kontrollleuchten erkennbar, die nach Einschalten der Zündung aufleuchten und nach kurzer Zeit wieder erlöschen. Der Systemstart führt bei vielen Geräten dazu, dass das Einschalten länger dauert als bei analogen Geräten, beispielsweise bei Autoradios.

Eingebettete Systeme besitzen häufig keinen eigenen Anschluss für ein Display oder Eingabegeräte. Jedoch kann eine mittelbare Benutzerkommunikation über Datenschnittstellen vorgesehen werden. So haben netzwerkfähige Drucker und andere Geräte ein Webinterface oder eine serielle Schnittstelle, über die per Browser oder Terminalemulation alle wichtigen Konfigurationseinstellungen erfolgen.

Die Elektronik bildet ein Mikroprozessor mit entsprechender Peripherie oder ein Mikrocontroller. Einige eher veraltete Systeme verwenden noch Allzweck-Mainframes oder Minirechner.

Der erste prominente Einsatz eines eingebetteten Systems war der des Apollo-Guidance-Computers, der von Charles Stark Draper zusammen mit dem MIT Instrumentation Laboratory entwickelt wurde. Jeder Flug auf den Mond hatte zwei dieser Systeme dabei, die zur Steuerung verwendet wurden. Das Inertial Guidance System wurde sowohl im Kommandomodul als auch in der Mondlandefähre (LEM, Lunar Excursion Module) verwendet.

Zu Beginn des Apollo-Projekts wurde dieses System als eine der riskantesten Komponenten des Projektes angesehen.

Die ersten eingebetteten Systeme wurden aber schon vorher in der Minuteman-Rakete eingesetzt und in Serie produziert. Die Anwendung war ein Wege-Such-System, das der Rakete nach einmaliger Programmierung ein unabhängiges Manövrieren ermöglichte. Durch den Preisverfall öffneten sich die verwendeten integrierten Schaltungen allmählich einem größeren Kreis von Anwendungen.

Die entscheidende Eigenschaft des Minuteman-Computers war, dass man den Weg-Finde-Algorithmus später programmieren konnte, wodurch sich die Rakete wesentlich präziser einsetzen ließ. Ein weiterer Vorteil bestand in der Selbsttestfunktion der Rakete zur Statusabfrage sowie darin, dass man zugunsten des Gewichtes auf größere Mengen von Kabeln verzichten konnte.

• Ralf Gessler: Entwicklung Eingebetteter Systeme: Vergleich von Entwicklungsprozessen für FPGA- und Mikroprozessor-Systeme; Entwurf auf Systemebene. 2., aktualis. und erw. Auflage, Springer Vieweg, Wiesbaden [2020], ISBN 978-3-658-30548-2.
• Joachim Wietzke: Embedded Technologies: Vom Treiber bis zur Grafik-Anbindung. (= Xpert.press) Springer Vieweg, Berlin 2012, ISBN 978-3-642-23995-3.
• Thomas Eißenlöffel: Embedded-Software entwickeln: Grundlagen der Programmierung eingebetteter Systeme: eine Einführung für Anwendungsentwickler. dpunkt Verl., Heidelberg 2012, ISBN 978-3-89864-727-4.
• Jörg Wiegelmann: Softwareentwicklung in C für Mikroprozessoren und Mikrocontroller: C-Programmierung für Embedded-Systeme. 7., neu bearb. und erw. Auflage VDE Verlag, Berlin, Offenbach 2017, ISBN 978-3-8007-4328-5.
• Oliver Bringmann, Walter Lange, Martin Bodgan: Eingebettete Systeme: Entwurf, Synthese und Edge AI. 4. Auflage, De Gruyter Oldenbourg, Berlin 2022, ISBN 978-3-11-070205-7.

Commons: Eingebettete Systeme – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Literatur zum Thema Eingebettetes System im Katalog der Deutschen Nationalbibliothek

1. Jürgen Quade, Michael Mächtel: Moderne Realzeitsysteme kompakt: eine Einführung mit Embedded Linux. dpunkt-Verlag, Heidelberg 2012, ISBN 978-3-89864-830-1, S. 3–5, 157–173.
2. Dieter Zöbel: Echtzeitsysteme: Grundlagen und Planung. Springer, Berlin 2008, ISBN 978-3-540-76395-6, S. 18.