Eingebettete Systeme basieren auf Mikroprozessoren, um den Betrieb anderer Geräte zu steuern oder deren Leistung zu überwachen. Sie sind in der Regel klein und kompakt, sodass ihre Größe bei der Konstruktion berücksichtigt werden muss.
Ein eingebettetes System kann über eine eingeschränkte Benutzeroberfläche verfügen, meistens hat es jedoch überhaupt keine Benutzeroberfläche. In diesen Fällen interagieren Menschen mit diesen Systemen über manuelle Steuerungen wie Schalter und Drehregler oder automatisierte Steuerungen wie Sensoren und Aktoren. Der Prozess der Integration von Hardware- und Softwarekomponenten in ein eingebettetes System wird als Embedded Computing bezeichnet. Für praktische Anwendungen und die Fernverwaltung, insbesondere mit Plattformen wie Raspberry Pi, kann es sehr vorteilhaft sein, den Umgang mit VNC für den Fernzugriff zu erlernen.
Definition eines eingebetteten Systems
Ein eingebettetes System ist eine Computersystemeinheit mit spezifischen Funktionen und Merkmalen. Es ist dafür ausgelegt, innerhalb anderer Geräte als Teil ihrer logischen oder physischen Struktur zu arbeiten. In der Regel ist es in ein größeres System eingebettet, beispielsweise in ein Auto, ein Flugzeug oder ein Smartphone.
Architektur eingebetteter Systeme
Ein eingebettetes System besteht aus Hardware und Software. Es umfasst nur seine Betriebsumgebung und sein Betriebssystem sowie seinen gesamten Softwareinhalt. Die Hardware umfasst viele Elemente, darunter Signalprozessoren, Speicher, Kommunikationsmodule und so weiter. Aufgrund ihrer einzigartigen Struktur unterscheiden sich eingebettete Systeme erheblich von Computerverarbeitungssystemen. Da es kein passendes Speichermedium mit großer Kapazität gibt, kann das eingebettete System keine großen Mengen an Informationen speichern. Darüber hinaus umfassen die meisten verwendeten Speichermedien EPROM, EEPROM usw., wobei der Software-Teil der Entwicklungsplattform eine API-Schnittstelle ist.
Hardwarestruktur
Der Hardware-Teil eines eingebetteten Systems unterscheidet sich nicht von dem eines allgemeinen Computersystems. Er besteht aus Prozessoren, Speicher, externen Geräten, E/A-Schnittstellen und Grafikcontrollern.
Zentraleinheit
Die CPU eines eingebetteten Systems umfasst eine Recheneinheit und ein Steuermodul. Sie ist außerdem mit einem Speichermodul, einem Stromversorgungsmodul, einem Reset-Modul usw. ausgestattet. Diese Zentraleinheit kann eine dedizierte Komponente sein, wie beispielsweise der Mikrocontroller ATmega328P.
Blitz
Um die Anforderungen eingebetteter Systeme hinsichtlich Geschwindigkeit, Volumen und Stromverbrauch zu erfüllen, werden Betriebssysteme und Anwendungssoftware eingesetzt. Spezielle Daten, die über einen langen Zeitraum gespeichert werden müssen, werden in der Regel nicht auf großvolumigen und langsamen Speichermedien wie Festplatten gespeichert, sondern meist auf EPROM, E2PROM oder Flash-Speichern.
A/D-Module
In eingebetteten Systemen werden A/D- oder D/A-Module hauptsächlich für Mess- und Steuerungszwecke verwendet, während sie in Allzweckcomputern nur selten zum Einsatz kommen.
Bus
Je nach tatsächlicher Anwendung und Umfang verwenden einige eingebettete Systeme einen externen Bus. Mit der raschen Ausweitung der Anwendungsbereiche werden in eingebetteten Systemen immer mehr Arten von Bussen verwendet.
Signalprozessoren
Die Hardware umfasst viele Elemente, darunter Signalprozessoren, Speicher, Kommunikationsmodule und so weiter. Darunter befinden sich spezielle Komponenten, die als digitale Signalprozessoren (DSPs) bekannt sind.
Softwaresystem
Das Softwaresystem des eingebetteten Systems ist für das spezifische Hardwaresystem und die Benutzeranforderungen des eingebetteten Systems ausgelegt. Es ist ein wichtiger Bestandteil des eingebetteten Systems und der Schlüssel zur Realisierung der Funktionen des eingebetteten Systems. Es ist in vier Schichten unterteilt: Treiberschicht, Betriebssystemschicht, Middleware-Schicht und Anwendungsschicht.
1. Treiber-Ebene
Die Treiberebene ist eine Ebene, die direkt mit der Hardware verbunden ist und Hardwaretreiber oder grundlegende Kernunterstützung für Betriebssysteme und Anwendungen bereitstellt. In eingebetteten Systemen wird ein Treiber manchmal als Board Support Package (BSP) bezeichnet. BSP hat die Funktion, die grundlegende Hardwareumgebung des Systems nach dem Einschalten des eingebetteten Systems zu initialisieren. Zur grundlegenden Hardware gehören Mikroprozessor, Speicher, Interrupt-Controller, DMA, Timer und so weiter. Treiberschicht – im Allgemeinen gibt es drei Arten von Programmen, nämlich Initialisierungsprogramme auf Board-Ebene, Standardtreiberprogramme und Anwendungstreiberprogramme.
2. Betriebssystemebene
Das Betriebssystem im eingebetteten System verfügt über die Kernfunktionen eines allgemeinen Betriebssystems und ist für die Zuweisung aller Software- und Hardware-Ressourcen des eingebetteten Systems, die Arbeitssteuerung und die Koordination gleichzeitiger Aktivitäten verantwortlich. Es verfügt weiterhin über eingebettete Funktionen und gehört zum eingebetteten Betriebssystem (EOS). Zu den gängigen eingebetteten Betriebssystemen gehören Windows CE, Palm:OS, Linux, VxWorks.pSOS.QNX.LynxOS usw. Mit einem eingebetteten Betriebssystem lassen sich Anwendungen schneller, effizienter und stabiler schreiben.
3. Middleware-Schicht
Middleware ist Software, die zur Unterstützung und Förderung der Entwicklung von Anwendungssoftware eingesetzt wird. Sie umfasst in der Regel Datenbanken, Netzwerkprotokolle, Grafikunterstützung und entsprechende Entwicklungstools wie MySQL, TCP/IP, GU1 usw.
4. Anwendungsschicht
Embedded-Anwendungssoftware ist Software, die auf einen bestimmten Anwendungsbereich ausgerichtet ist und dazu dient, die vom Benutzer erwarteten Ziele zu erreichen. Es gibt einen gewissen Unterschied zwischen Embedded-Anwendungssoftware und gewöhnlicher Anwendungssoftware. Sie muss nicht nur die Anforderungen praktischer Anwendungen in Bezug auf Genauigkeit, Sicherheit und Stabilität erfüllen, sondern auch optimiert sein, um den Verbrauch von Systemressourcen und die Hardwarekosten zu reduzieren.
Wie funktioniert ein eingebettetes System?
Ein eingebettetes System ist ein Computersystem, das für die Ausführung bestimmter Aufgaben innerhalb eines größeren Systems entwickelt wurde. Es ist in der Regel als Teil eines kompletten Geräts, wie beispielsweise eines Autos oder eines Haushaltsgeräts, eingebettet und dient der Steuerung oder Überwachung des Geräts, in das es eingebettet ist.
Eingebettete Systeme basieren in der Regel auf einem Mikroprozessor mit spezieller Hardware und Software, die für die Ausführung einer bestimmten Aufgabe entwickelt wurde. Sie sind oft für den Echtzeitbetrieb ausgelegt, was bedeutet, dass sie innerhalb eines bestimmten Zeitrahmens auf externe Ereignisse reagieren müssen. Dies kann ihre Entwicklung und Fehlerbehebung erschweren, ermöglicht ihnen aber auch eine sehr effiziente Ausführung der vorgesehenen Aufgaben.
Eingebettete Systeme finden sich in einer Vielzahl von Geräten, von Autos und Flugzeugen bis hin zu Haushaltsgeräten und Industriemaschinen. Mit dem technologischen Fortschritt und der zunehmenden Vernetzung von Geräten werden sie immer häufiger eingesetzt.
Klassifizierung eingebetteter Systeme
Ein eingebettetes System kann je nach den verwendeten Kriterien auf verschiedene Weise klassifiziert werden. Eine gängige Klassifizierung basiert auf der Komplexität des Systems. Einfache Systeme benötigen möglicherweise nur einen Mikroprozessor, während komplexere Systeme einen Mikroprozessor, Speicher, E/A-Geräte und Software erfordern können. Weitere Klassifizierungen umfassen die Art der Anwendung, den Prozessortyp, die Größe des Systems und den Entwicklungszyklus des Systems.
Basierend auf Komplexität
Einfache eingebettete Systeme:
Diese Systeme benötigen lediglich einen Mikroprozessor.
Mittelschwere eingebettete Systeme:
Diese Systeme benötigen einen Mikroprozessor und Speicher.
Komplexe eingebettete Systeme:
Diese Systeme benötigen einen Mikroprozessor, Speicher, E/A-Geräte und Software.
Basierend auf Leistung und Funktion
Echtzeit-Embedded-Systeme:
Es handelt sich um computergestützte Anwendungen, die Echtzeitaufgaben wie die Steuerung von Robotersystemen, die Überwachung von Zuständen oder die Durchführung von Messungen in Fertigungs- oder Industrieumgebungen ausführen. Diese Systeme zeichnen sich in der Regel durch strenge Latenzanforderungen aus und können eine geringe Bandbreite und geringe Latenzanforderungen aufweisen. Diese Art von Systemen wird in der Regel auf batteriebetriebenen Geräten wie Sensoren eingesetzt.
Eigenständige eingebettete Systeme:
Standalone-Systeme sind eigenständig und benötigen keine Verbindung, um zu funktionieren. Sie tauschen keine Daten mit anderen Systemen aus, und die Daten bleiben auf dem Gerät gespeichert. Es handelt sich um einfache Systeme, die keinen großen Speicherplatz oder keine hohe Rechenleistung benötigen. Kleinere Geräte wie Fitness-Tracker, Haussicherheitssysteme oder MP3-Player sind Beispiele für eigenständige Systeme. In diesen Fällen wird der Großteil der Daten während des Installationsprozesses verwendet oder während des normalen Betriebs des Systems generiert. Diese Systeme benötigen keine Internetverbindung und können daher unabhängig vom Hauptsystem betrieben werden.
Vernetzte eingebettete Systeme:
Vernetzte eingebettete Systeme ermöglichen die Erfassung und Analyse von Daten aus Sensoren und Geräten. Diese Systeme sind sowohl untereinander als auch mit dem Internet verbunden, um eine einfache Datenübertragung und den Fernzugriff auf die Daten zu ermöglichen. Sie sind auch mit anderen Systemen wie ERP-, CRM- und Lieferkettensystemen verbunden. Vernetzte eingebettete Systeme werden häufig in Branchen wie Öl und Gas, Elektrizität, Luft- und Raumfahrt und Verteidigung, Automobil und Gesundheitswesen eingesetzt.
Mobile eingebettete Systeme:
Mobile eingebettete Systeme sind kleine, tragbare Geräte, die unterwegs verwendet werden können. Sie werden häufig in einer mobilen Umgebung eingesetzt und können mit einer Batterie betrieben werden. Diese Systeme können über drahtlose Funktionen verfügen und mit anderen Systemen kommunizieren. Mobile eingebettete Systeme können Informationen über Sensoren erfassen oder vom Benutzer über eine Benutzeroberfläche gesteuert werden. Mobile eingebettete Systeme können in der Fabrik oder im Büro eingesetzt werden. Sie können zur Bestandsverfolgung, Standortüberwachung oder zum Scannen von Barcodes verwendet werden. Mobile eingebettete Systeme können auch zum Senden von Daten zur Analyse in die Cloud verwendet werden.
Basierend auf der Anwendung
Steuerung eingebetteter Systeme:
Diese Systeme werden zur Steuerung von Prozessen oder Maschinen eingesetzt.
Kommunikations-Embedded-Systeme:
Diese Systeme dienen zum Senden und Empfangen von Daten.
Embedded-Systeme für Verbraucher:
Diese Systeme werden in Produkten für Verbraucher eingesetzt, beispielsweise in Fernsehern und Mikrowellen.
Industrielle eingebettete Systeme:
Diese Systeme werden in industriellen Anwendungen wie der Fabrikautomation eingesetzt.
Anwendungen für eingebettete Systeme
Aufgrund ihrer geringen Größe, hohen Zuverlässigkeit, starken Funktionalität, Flexibilität und Benutzerfreundlichkeit hat sich der Einsatz von eingebetteten Steuerungen auf verschiedene Bereiche wie Industrie, Landwirtschaft, Bildung, Landesverteidigung, wissenschaftliche Forschung und das tägliche Leben ausgeweitet.
Industriell
In der industriellen Steuerung sind eingebettete Systeme die Schlüsselkomponenten der industriellen Automatisierung. Dazu gehören elektromechanische Steuerungen, Industrieroboter, Prozesssteuerungen, DDC-Steuerungen, DCS-Steuerungen, intelligente Sensoren und traditionelle industrielle Umwandlungen usw.
Instrumentierung
Es gibt intelligente Instrumente, intelligente Messgeräte, medizinische Geräte wie Chromatographen, Oszilloskope usw.
Beleuchtungssystem
Zu den gängigen eingebetteten Systemen in der Telekommunikation gehören in der Regel intelligente Leitungssteuerungen, solarbetriebene Straßenlaternen, Ampeln usw.
Navigationssteuerung
Die eingebetteten Systeme werden auch in der Raketensteuerung, Torpedosteuerung, Luft- und Raumfahrtnavigationssystemen, elektronischen Störsystemen usw. eingesetzt.
Zivile Ausrüstung
In unserem Alltag finden sich eingebettete Systeme beispielsweise in Terminals, elektronischem Spielzeug, Kameras, Projektoren, Diebstahlsicherungen usw.
Kommunikation und Netzwerk
Produkte wie Computer, Mobiltelefone und TV-Set-Top-Boxen verfügen beide über eingebettete Systeme.
Landwirtschaft
Wassersparendes Kontrollsystem für die Landwirtschaft, erdelose Anbautechnologie, intelligente Saatguttechnik usw.
