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EMBEDDED SYSTEMS
Medien zwischen Technologie und Gesellschaft Maximilian Berndt WS 12/13
Universität zu KölnProf. Dr. Manfred Thaller
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Überblick
1) Grundlagen: Was sind eingebettete Systeme?
2) Software3) Entwicklungsprozess4) Anforderungen an das System5) Embedded Systems in der Medizin
Beispiele
6) Quellen
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1. Was sind eingebettete Systeme?
„Unter eingebetteten Systemen versteht man Hard- und Softwaresysteme, die eingebettet in umgebende technische Systeme komplexe Steuerungs-, Regelungs- und Datenverarbeitungsaufgaben übernehmen“ Prinzip der Miniaturisierung
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1. Beispiele für Embedded SystemsEingebettete Systeme sind in viele Alltagsgegenstände integriert Waschmaschinen Fernseher Mobiltelefone Computerperipherie (Tastatur, Maus,
Drucker oder Monitor) Kraftfahrzeugen (versch. Steuergeräte
für Airbag, ABS, Motor usw.)
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1. Was sind eingebettete Systeme? Softwaregesteuerte Mikrocomputer (auf eine Aufgabe
fixiert) Bsp.: Auto Diese Mikrocomputer unterscheiden sich grundlegend
von normalen PCs sind in das Auto eingebettet, also für den Nutzer nicht als separates Element erkennbar
bilden mit ihren Sensoren, Antrieben und den mechanischen Teilen ein System mit genau definierter Funktionalität Bsp.: Regensensor; misst die Niederschlagsstärke über
Sensoren und berechnet dann die auszuführende Aktion bzw. Geschwindigkeit des Scheibenwischers
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1. Was sind eingebettete Systeme?
CPU
Externer Speicher
(RAM, Flash)
A/D - Wandl
erD/A - Wandl
erGPIO -
Controller Watchdog
Interner Speicher
(RAM, Flash)
Timer
Netzwerk –
Controller (z.B. CAN)
LanAktoren (digital)
Sensoren (digital)
Sensoren (analog)
Aktoren (analog)
MCU
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1. Was sind eingebettete Systeme?
„Je kleiner solche Komponenten werden, desto größer ist deren Flexibilität und Mobilität bei sinkenden Kosten, so dass mehr Objekte in einem Gesamtsystem zum Einsatz kommen können und diese mit intelligenter Sensorik und Rechenleistung ausgestattet werden können“
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1. Was sind eingebettete Systeme?
PC = Datengetrieben
Bearbeitungsdauer von Hardware, Datenmenge und Benutzer abhängig
Eingebettetes System = Programmgetrieben
zyklische Aktivierung Bearbeitungsdauer
bei Echtzeitsystemen festgelegt
PCEmbedded–System
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Steuerdaten
Berechnung und
Aufbereitung
Sensordaten
Zyklische Aktivierung
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2. Software
PC-Anwendungen werden auf betriebssystemkompatiblen Editoren innerhalb der Zielarchitektur geschrieben
Anwendungen werden nicht innerhalb des Zielbetriebssystems geschrieben
System besitzt andere Architektur als der PC
PC Embedded–System
Notwendigkeit eines Cross-Compilers
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2. Software
Cross – Compiler: schlagen Brücke zwischen PC und Zielarchitektur des eingebetteten Systems
Erzeugter Maschinencode ist nicht auf PCs lauffähig, sondern muss für Testzwecke von Simulatoren umgewandelt werden
Oder Test am Zielprozessor selbst
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3. Entwicklungsprozesse
Implementierung
Design
Architektur
Anforderungsanalyse
Modultest
Integrationstest
Anforderungstest
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4. Anforderungen: Qualitätskriterien
Sicherheit Zuverlässigkeit Robustheit Testbarkeit
Vor allem bei langfristigen Projekten wichtig
Oft hängen viel Geld und/oder Menschenleben an eingebetteten Systemen
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4. Anforderungen: Sicherheit!
Unterscheidung in Safety und Security
Security: Das System wird nicht durch die Umgebung gefährdet (Zugriffssicherheit)
Safety: Das System stellt keine Gefahr für die Umgebung dar
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4. Safety
Gefahren, die vom System ausgehen könnten, müssen abgeschätzt werden
Erstellung von Szenarien, in denen das System genutzt werden wird
Tests, Tests und noch mehr Tests
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4. Anforderungen: Dokumentation Systeme werden oft über Jahre genutzt Ständige Weiterentwicklung, Anpassung
u. Funktionserweiterung Um Kosten gering zu halten, ist gute Dokumentation notwendig
Bei Änderungen kann auf diese zurückgegriffen werden
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5. Anwendungen in der Medizin
Prinzip der Miniaturisierung!
Prozess zur Verkleinerung von Strukturen unter Beibehaltung der Funktion
Beispiele: Hörgeräte, Endoskope, Biosensoren, Herzschrittmacher, „schlaues Pflaster“
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5. Anwendungen in der Medizin Bekannteste Nutzung:
Herzschrittmacher! Extrem hohe Sicherheit muss
gewährleistet sein
Schwierigkeit: Einhaltung strenger internationaler Sicherheitsstandards
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5a. Beispiel I
Herzschrittmacher sind an Elektroden angeschlossen, die gleichzeitig sowohl zur Wahrnehmung der Herzfunktion als auch zur Stimulation dienen
Wird innerhalb einer einstellbaren Zeitdauer kein Herzschlag detektiert (Sensoren), folgt eine Stimulation mit einem elektrischen Impuls (Aktoren)
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5b. Beispiel II
Biosensor für Diabetiker: Biosensor befindet sich am Körper des
Patienten; kann den Glukosespiegel kontinuierlich auch in Schweiß oder Augenflüssigkeit messen
Über eine Wireless-Schnittstelle sendet der Biosensor die Daten an ein mobiles Empfangsgerät Patient hat seinen Glukosespiegel ständig im Auge
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5c. Beispiel III: „schlaues Pflaster“
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5d. Beispiel IV: abbaubare Implantate
Abbaubare Implantate und Elektrogeräte: Forscher implantierten Ratten einen kleinen Thermoregler durch lokale Erhöhung der Temperatur kann eine
bakterielle Wundinfektionen verhindert oder bekämpft werden Die Körpertemperatur an der vorgesehenen Stelle stieg um
fünf Grad an
Implantat war nach 15 Tagen durch Kontakt mit Körperflüssigkeit fast vollständig verschwunden
kritischer Zeitraum, der nach einer Operation nötig ist, um eine Wunde keimfrei zu halten
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Quellen
Eißenlöffel, Thomas: Embedded-Software entwickeln. Grundlagen der Programmierung eingebetteter Systeme – Eine Einführung für Anwendungsentwickler. Heidelberg 2012.
White, Elecia: Making Embedded Systems. Sebastopol,USA 2011.
http://hammet.imtek.uni-freiburg.de/content/ems/de/szenarien_alt.php
http://www.handelsblatt.com/technologie/forschung-medizin/forschung-innovation/bio-elektronik-forscher-konstruieren-abbaubare-elektrogeraete/7193962.html
http://www.eue24.net/pi/index.php?StoryID=253&articleID=220764
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