Embedded Systems

30 Präsenzstunden Vorlesung, 30 Präsenzstunden Praktikum, 45 Stunden Vor-/Nachbereitung des Praktikums, 45 Stunden Nachbereitung der Vorlesung und Prüfungsvorbereitung

Grundlegende Programmierkenntnisse (OO, Prozedural, Assembler); Erfahrung in SW Entwicklung / SW Engineering; Erfahrungen im Umgang mit SW-Entwicklungs-Tools (IDE, Debuggen, Testen); Grundkenntnisse der Betriebssysteme; Grundkenntnisse der Digital- und Rechnertechnik;

Studierende lernen die Besonderheiten der Entwicklung Eingebetteter Systeme (ES) kennen, die sich durch sehr begrenzte Ressourcen auszeichnen, sogenannte Deeply Embedded Systems.

Im konkreten werden folgende Ziele adressiert:

Grundlagen ES

• Studierende sind in der Lage das Spektrum Eingebetteter Systeme (ES) zu beschreiben und deren Anwendung zu erläutern.
• Sie sind in der Lage die charakteristischen Eigenschaften ES zu beschreiben und die Besonderheiten unterschiedliche Lösungsansätze zu analysieren, zu vergleichen und zu bewerten.

Elektrische / Elektronische Grundlagen

• Studierende sind in der Lage die Funktion grundlegender elektrischer und elektronischer Bauteile zu beschreiben und im Kontext einer Schaltung die übergeordnete Funktion zu analysieren und zu erklären.
• Studierende sind in der Lage einfache Elektrische Netzwerke, wie sie zur Anbindung ES an die physikalische Umwelt zum Einsatz kommen, zu designen und entsprechende Komponenten auszulegen.
• Studierende sind in der Lage die Rechnerarchitekturen, die bei ES zum Einsatz kommen, anhand gegebener Datenblätter zu analysieren und effektiv zur Realisierung ES Lösungen einzusetzen.
• Sie kennen die unterschiedlichen Möglichkeiten der Anbindung eines Mikrocontrollers an die physikalischen Umwelt und können abhängig von gegebenen Rahmenbedingungen eine fundierte Entscheidung für eine zielführende Lösung treffen.

SW Entwicklung für Deeply Embedded Systems

• Sie kennen die Besonderheiten bei der Entwicklung von SW für solche Systeme und können Applikationen für solche Systeme entwickeln.

Systemtheorie und Regelung

• Studierende sind in der Lage technische Prozesse mittels systemtheoretischer Ansätze zu modellieren und deren relevanten Eigenschaften zu analysieren.
• Studierende sind in der Lage für einfache technische Prozesse, Regelungsziele zu definieren und dafür geeignete, effektive Reglerstrukturen zu wählen und zu parametrieren.

Grundlagen Eingebetteter Systeme (ES) und deren Kategorisierung

Elektrische und Elektronische Grundlagen

• Elektronische Grundlagen (Kirchhoffschen Gesetzte, Widerstand, Kapazität, Induktivität, ...)
• Elektrische Netzwerke (Übertragungsfunktion, Zweipole, Vierpole, ...)
• Elektronische Grundschaltungen (Halbleiter, Diode, Transistor, Operationsverstärker, ...)

ES Hardware

• Arten von Prozessoren
• Ebenen: Prozessor, Mikrocontroller, PCB-Board, System
• Programmiermodell
• Peripherie

Standard Interfaces

• Technologien
• Open-Collector / Open-Drain / Open-Output, Push-Pull, Tristate
• Bus-Systeme (seriell vs. parallel, synchron vs. asynchron, RS232, SPI, I2C)
• Pulse-Width-Modulation (PWM)

SW Entwicklung von ES

• Besonderheiten bei der Entwicklung (Cross-Plattform, Debug RAM vs. FLASH, Memory Map, Linker-Skript, Map File, ...)
• Tools im ES Bereich (Debug Monitor, Bootloader, Remote Debugger, In-Circuite-Emulator, BDM / JTAG / SWD, Simulator, ...)
• Startup und Initialisierung von ES

Systemtheorie und Regelung

• Beschreibung / Modellierung technischer Prozesse und Eingebetteter Systeme (Mathematische Grundlagen, Modellierung dynamischer Systeme, ...)
• Systemanalyse
• Vorgehen beim klassischen Regelungsentwurf
• Steuerung vs. Regelung
• Elementare Glieder (P-Glied, Totzeit, PT1-Glied, PT2-Glied, I-Glied, D-Glied, PI-Glied, PID-Glied)
• Reglerauswahl und Parameterbestimmung (Pol-Nullstellen Verfahren, heuristische Verfahren)

Tafel, Folien, Beamer, Lehr-/Lernvideos, Gastvorträge

• K. Berns, A. Köpper, und B. Schürmann, Technische Grundlagen Eingebetteter Systeme: Elektronik, Systemtheorie, Komponenten und Analyse. Wiesbaden: Springer Fachmedien Wiesbaden, 2019.
• P. Marwedel, Embedded System Design: Embedded Systems Foundations of Cyber-Physical Systems, and the Internet of Things. Cham: Springer International Publishing, 2021.
• F. Hüning, Embedded Systems für IoT. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2019.
• D.D. Gajski, F. Vahid, S. Narayan, J. Gong: Specification and Design of Embedded Systems, Prentice Hall, 1994
• A. Barkalov, L. Titarenko, und M. Mazurkiewicz, Foundations of Embedded Systems, Bd. 195. Cham: Springer International Publishing, 2019.
• aktuelle Literatur aus Internet