Seminar: Eingebettete Systeme (SS2012)

In dieser Einführungsveranstaltung werden einige, für das Seminar wesentliche Begriffe (z.B. Eingebettetes System, Betriebssystem, ...) kurz erläutert, sowie die bereitgestellten Themen vorgestellt. Eine Themenreservierung ist ebenso möglich, sowie die Erörterung des organisatorischen Ablaufs.

Symbolisches Model Checking mit BDDs ist eine Verifikationstechnik, die schon häufig erfolgreich in der Industrie eingesetzt wurde. Eines der Hauptprobleme dieser Technik ist es, dass die BDDs beim Model Checking häufig intraktabel groß werden. Eine Technik zur Abmilderung dieses Problems für Systeme mit replizierten Komponenten die Symmetrien aufweisen ist die Symmetriereduktion. In diesem Vortrag sollen Symmetriereduktionstechniken für symbolisches Model Checking mit BDDs vorgestellt werden.

Häufig bestehen eingebettete Systeme nur aus einem Mikrocontroller und wenigen Sensoren und/oder Aktoren. Für derartige Konstellationen bietet sich für die Anbindung der Peripheriekomponenten an den Mikrocontroller das  Master-Slave-Prinzip an, wobei der Mikrocontroller idealerweise die Rolle des Masters übernimmt. In diesem Vortrag sollen daher zwei relativ einfach gebaute seriellen Datenbusse vorgestellt werden: das Serial Peripheral Interface (SPI), und der Inter-Integrated Circuit (I²C), die beide nach dem o.g. Master-Slave-Prinzip arbeiten. 

Bei der Koordination vieler Sensoren und Aktoren spielen Feldbusse eine elementare Rolle. Besonders im Automobilbereich kommen sicherheitskritische Ereignisse vor, die spezielle Anforderungen an ein derartiges Kommunikationssystem stellen. So möchte man ein serielles, deterministisches und fehlertolerantes Feldbussystem, das dennoch bei höheren Übertragungsrate ausfallsicher und Echtzeit-fähig ist. Typische Vertreter sind Controller Area Network (CAN),  Local Interconnect Network (LIN) und FlexRay. In diesem Vortrag soll ein solches Bussystem aus dem Automobil-Bereich vorgestellt werden.

Die (früher) bei Computern sehr verbreitete Schnittstelle zur digitalen, seriellen Kommunikation mit Peripheriegeräten ist die sog. Serielle Schnittstelle. Meist realisiert ein sog. Universal Asynchronous Receiver Transmitter (UART) als elektronisches Bauteil diese Schnittstelle. Als Standard kommt bei Computern meist RS-232 zum Einsatz. In diesem Vortrag soll die Funktionsweise der Seriellen Schnittstelle vorgestellt werden.

Mittlerweile haben sich in der Industrie auf  TCP/IP und IT-Standards basierte Kommunikationssysteme im offenen Industrial Ethernet Standard etabliert. Bekannte Vertreter sind das mittlerweile in der dritten Generation verfügbare SErial Realtime COmmunication System (SERCOS III), sowie das PROcess FIeld NETwork (PROFINET). In diesem Vortrag soll anhand eines der o.g. Vertreter der Industrial Ethernet Standard vorgestellt werden.

Müssen - wie z.B. in einem modernen Automobil - verschiedenste eingebettete Systeme koordiniert zusammenarbeiten, bedarf es einheitlicher Beschreibungs- und Konfigurationsformate. Dazu wurde OSEK-OS (eine vom OSEK-Konsortium verabschiedete Spezifikation) sowie dessen "Nachfolger"  AUTomotive Open System ARchitecture (AUTOSAR) als Standard für Echtzeitbetriebssysteme etabliert. Solche Standards ermöglichen den einfachen  Austausch von Software auf verschiedenen Steuergeräten, indem sie Methoden zur Beschreibung von Softwarekomponenten bereitstellt, so dass diese Komponenten wieder verwendbar, austauschbar, skalierbar und integrierbar sind. In diesem Vortrag soll ein OSEK-konformes Betriebssystem vorgestellt werden.  

Dass sich Open-Source Software und deren kommerzieller Einsatz nicht ausschließen müssen, zeigt das  Echtzeitbetriebssystem FreeRTOS. Es basiert auf einem Mikrokernel und wurde bereits für zahlreiche Mikrocontroller portiert. Allerdings fehlt es FreeRTOS an wichtigen Synchronisationsmechanismen. Dieser Vortrag soll das Open-Source-Betriebssystem FreeRTOS vorstellen.

Ein weiteres Echtzeitbetriebssystem, das auf den  Kategorien Verteilte Systeme, Adaptive Systeme und Chaos fußt, ist ChorusOS. Dank dessen Design und Technologie erlaubt es den Bau offener, verteilter und skalierbarer Betriebssysteme. Die modulare Architektur basiert auf dem Nucleus Mikrokernel und erlaubt die dynamische Konfiguration von System und Anwendungen. ChorusOS bzw. der Nucleus Kernel sollen in diesem Vortrag vorgestellt werden.

Speziell auf eingebettete Systeme ausgerichtet ist QNX. Dieses  unix-artige Echtzeitbetriebssystem ist zwar proprietär, aber dennoch POSIX-fähig, d.h. es versteht die Spezifikation des Portable Operating System Interface. In diesem Vortrag soll QNX vorgestellt werden.

Ein ebenfalls proprietäres Echtzeitbetriebssystem für eingebettete Systeme ist VxWorks. Dieses Betriebssystem findet hauptsächlich in Kleingeräten (Fotoapparat, Netzwerk-Infrastruktur, Maschinensteuerung, etc.) Anwendung und soll in diesem Vortrag vorgestellt werden.

Die immer leistungsfähigeren Mikrocontroller erlauben mittlerweile selbst in eingebetteten Systemen den Einsatz sog. virtueller Maschinen. Dabei stellt die Binary Translation eine der effektivsten Emulations-Methoden dar. Dazu werden Instruktionsfolgen der virtuellen Maschine in den Instruktionssatz der Zielmaschine übertragen. Eine Virtualisierungssoftware die dies anbietet ist z.B. VmWare. In diesem Vortrag soll eine effiziente Implementierung (der Hardware-Ansteuerung) einer virtuellen Maschine für eingebettete Systeme vorgestellt werden.