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Embedded Systems und ihre Entwicklung: Was du wissen musst

Daniel Radermacher · 13. April 2020 · 5 Min Lesezeit

Eingebettete Systeme sind die Basis für viele elektronische Geräte. Als Kombination aus Hardware und Software, die für bestimmte Funktionen konzipiert sind, sorgen Embedded Systems für die Funktionalität von Industriemaschinen, Connected Cars, Haushaltsgeräten, Verkaufsautomaten, Spielzeug oder in Smartphones.

Dabei ist die Range der Anwendungen groß. Von Computersystemen ohne Benutzeroberfläche bis hin zu komplexen grafischen Benutzeroberflächen, etwa für Touchscreen-Erkennung oder der Verwendung von Remote Benutzeroberflächen, ist alles dabei.

Vor allem das Internet der Dinge mit seiner Armada an neuen smarten Geräten und Maschinen mit Köpfchen erhöht die Bedeutung von Embedded Systems noch einmal.

Bei IoT-Analytics, dem führenden Markforschungsinstitut für das Internet der Dinge, schätzt man, dass die Zahl der aktiven IoT-Geräte bis 2025 auf 22 Milliarden Geräte weltweit ansteigen wird.

Ob Wearables, Drohnen, Smart Homes, Smart Buildings, smarte Logistik oder die smarte Fabrik: die steigende Zahl an IoT-Anwendungen wird natürlich auch das Wachstum eingebetteter Systeme weiter fördern.

So ist anzunehmen, dass die Entwicklung von Embedded Systems zum großen Teil eben auch vom Internet der Dinge angetrieben wird.

Schließlich muss jede der zukünftigen smarten Geräte neben der Verbindung mit dem Netz über eine vernünftige Datenverarbeitungsfunktion usw. verfügen.

Dazu werden Software und mechanische Komponenten benötigt, die sich intelligent vernetzen lassen.

Geräte mit einem eingebetteten System eben.

Embedded Systems – Hardware meets Software

Die Hardware von Embedded Systems basiert entweder auf Mikroprozessoren oder auf Mikrocontrollern. Sowohl bei der einen, als auch bei der anderen Lösung ist die integrierte Schaltung der Dreh- und Angelpunkt des Produkts. Ohne diese ist etwa die Berechnung von Echtzeitoperationen nicht möglich.

Für welche Möglichkeit man sich entscheidet, hängt vielleicht vom Umfang der Operationen ab.

Beim Mikroprozessor wird eine einzige Zentraleinheit (CPU) implementiert. Je nachdem ist hier das Erweitern durch zugefügte Komponenten, etwa zusätzlich Speicherchips erforderlich. Das macht vielleicht mehr Arbeit. Es lässt aber auch Raum für Flexibilität.

Mikrocontroller dagegen werden als in sich geschlossene Systeme angelegt. Hier gibt es nicht nur eine CPU, sondern das System verfügt auch über Speicher, Peripheriegeräte oder serielle Kommunikationsanschlüsse. Gerade bei komplexen Operationen wie sie etwa in Connected Cars oder bei smarten medizinischen Apparaten gebraucht werden, ist der Einsatz von Mikrocontrollern die sinnvollere Alternative.

Um beide Systeme zum Leben zu erwecken und ans Arbeiten zu kriegen, kommt es zur Verbindung mit der eingebetteten Systemsoftware. Eine einfache Programmierung erfolgt häufig über eingebettete Betriebssysteme oder Sprachplattformen, die auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten wird. Oft wird beim Speichern von Programmen und Betriebssystemen auf eingebetteter Hardware entweder Flash oder ein wieder beschreibbarer Flash-Speicher genutzt.

Eingebettete Systeme mit Firmware

Ein weiterer wichtiger Ausdruck, der im Zuge der Programmierung respektive der Software in Embedded Systems fällt, ist die Firmware.

Kein Smartphones und kein smarter Fernseher läuft ohne die passende Firmware, die nichts anderes darstellt als die grundlegende Betriebssoftware des Gerätes mit Konnektivität. Wegen ihrer Bedeutung wird sie oft im Flash-Speicher abgelegt. Dort eben, wo der Nutzer nicht so leicht drankommt.

Der Vorteil der Firmware auf eingebetteten Systemen ist, dass sie einfacher aktualisiert werden kann. Eingebettete Firmware wird beispielsweise genutzt, um Systemfunktionen zu steuern, etwa beim Smartphone, um ihm mitzuteilen, wie es mit anderen Geräten kommunizieren und bestimmte Funktionen ausführen soll.

Unterscheiden tut sich die Firmware von der eingebettete Software nur dahingehend, dass sich die Software oft auf den einzigen Code, der auf einer Hardware ausgeführt wird, bezieht. Die Firmware dagegen kann sich auch auf den Chip beziehen, auf dem sich zum Beispiel das Eingabe- / Ausgabesystem (BIOS) des Smartphones befindet. Diese macht das Smartphone ja überhaupt zunächst funktionsfähig. Zu den bekannten Herstellern von Chips für Embedded Systems gehören große Namen wie Apple, IBM oder Intel.

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Eine kurze Geschichte der Embedded Systems

Eingebettete Systeme gibt es tatsächlich schon sehr lange. Sie fanden wie so viele technische Errungenschaften ihren Ursprung in der Luftfahrt bzw. der Raumfahrt.

Bereits 1961 entwickelte der amerikanische Ingenieur Charles Stark Draper die erste integrierte Schaltung, die auf dem Apollo Guidance Computer des Apollo Command Module und dem Lunar Module installiert und verwendet wurde. Damit konnten Astronauten Flugdaten in Echtzeit sammeln.

1965 entwickelte das Unternehmen Autonetics, das inzwischen zu Boeing gehört, einen Computer für das Raketenleitsystem Minuteman I. Der Nachfolger Minuteman II, der 1966 in Produktion ging, war bereits für einen großvolumigen Einsatz integrierter Schaltkreise bekannt.

Im Jahr 1968 dann ging es von der Luft auf den Boden. Der Volkswagen 1600 verwendete einen Mikroprozessor zur Steuerung seines elektronischen Kraftstoffeinspritzsystems. Er sorgte damit für den Einzug von Embedded Systems ins Fahrzeug.

1971 dann kam es zum ersten im Handel erhältlichen Prozessor durch Intel. 4004, der 4-Bit-Mikroprozessor, wurde für Taschenrechner und andere elektronische Kleingeräte entwickelt.

1972 folgte der 8-Bit-Intel 8008 mit einem 16 KB Speicher und 1974 der Intel 8080 mit 64 KB Speicher. Aber natürlich blieb Intel nicht der einzige Hersteller. So verkaufte Wind River im Jahr 1987 das erste eingebettete Betriebssystem, das Echtzeit-VxWorks.

1996 folgte der inzwischen noch bekanntere Hersteller Microsoft. In den 1990ern kamen die ersten eingebetteten Linux-Produkte, die auch heute noch in den meisten Geräten verwendet werden, auf den Markt.

Worauf ich achten muss beim Entwickeln von IoT Embedded Systems

Die Welt der Elektronik hat sich in den vergangenen Jahrzehnen verändert, vor allem aber gewinnt sie immer mehr an Bedeutung. Bei der Entwicklung von Embedded Systems in IoT-Geräten gibt es daher verschiedene Komponenten, die besondere Beachtung erfordern:

Das Entwickeln erfordert eine gründliche Planung.
Das Hardware-Design muss sicherstellen, dass alle notwendigen IoT-Funktionen erfüllt werden.
Die reibungslose Integration neuer Dienste muss gewährleistet sein.
Häufige Änderungen an Hardware- und Softwareeinrichtungen müssen mit eingeplant werden.
Alle durchzuführenden Operationen im eingebetteten System müssen mit möglichst geringem Stromverbrauch durchgeführt werden.
IoT-Hardwareprodukte müssen in der eingebetteten Echtzeitumgebung eine robuste Leistung bringen.
Beachtet, dass die eingebetteten Komponenten in einer stark ressourcenbeschränkten Situation arbeiten könnten.
Die Vernetzung von eingebetteten Systemen kann Sicherheitsrisiken bergen. Achtet daher auf Sicherheitsvorkehrungen, zum Beispiel durch kryptografischen Schlüssel, durch die sich Geräte untereinander erkennen können.
Testet umfassend, zum Beispiel auch auf die Folgen von Konnektivitätsschwankungen hin.

Gründliches Planen und gründliches Testen. Beides bildet den Rahmen für die Entwicklung von Embedded Systems. Und dann kann der Fortschritt, der mit eingebetteten Systemen und IoT-Geräten einhergeht, weiter voranschreiten.

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