Programmierung eingebetteter Systeme (ES)

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1 Programmierung eingebetteter Systeme (ES) Prof. Dr. Albrecht Swietlik Dr. Jiri Spale 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 1

2 Inhalt #1 1. Einführung (Spale) Bedeutung von embedded Systemen (ES), Mikrocontroller-Arten, Anwendungsbeispiele 2. Technische Mittel im ES-Praktikum (Swietlik) netx evaluation Bords, Entwicklungsystem Hitex, StartEasy. Vorstellung der Versuche. 3. ARM9 Kern Architektur, Pipeline, Register, Befelsatz 4. netx-funktionseinheiten im Bezug auf das Praktikum (Spale) Speichertypen, GPIO, PIO, Timer, Interrupts, UART, ADU 5. Was der ES-Programmierer über die Hardware wissen muss (Spale) Anschluss von Peripherien, Entprellung, Tastatur, Anzeige 6. Programmiersprachen und Entwicklungswerkzeuge für ES (Spale) General purpose Sprachen, synchrone Sprache, HW-Beschreibungssprachen Deguggen und Testen: Logic Analyzer, Simulatoren, In-Circuit-Emulator, In-System- Programmer, JTAG 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 2

3 Inhalt #2 7. netx Vertiefung (Spale) ARM Bus-Struktur, Data Switch, Host Interface, Dual Port Memory, Extension Bus, I2C 8. Echtzeit Betriebsysteme (Swietlik) Aufgaben, Struktur, Produkte. Beispiel RCX 9. Busse, Kommunikationsschnittstellen (Swietlik) Profibus, echtzeit Ethernet, CAN 10. FireWire in Automatisierung (Spale) 11. Programmierung von ES in Hochsprachen (Swietlik) embedded Java 12. Mehrprozessorsysteme (Swietlik) 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 3

4 Was ist ein eingebettetes System? das ist es nicht! 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 4

5 Was ist ein eingebettetes System? Definition [Thaller 1997] Ein durch Software kontrollierten Computer oder Mikroprozessor, der Teil eines größeren Systems ist, dessen primäre Funktion nicht rechenorientiert ist. Berkeley Modell [Ed Lee]: Eingebettete Software ist Software, die mit physikalischen Prozessen verbunden ist. Das technische Problem ist die Verwaltung von Zeit und Konkurrenz in Rechnersystemen. Daniel Gajski (Director Center for Embedded Computing Systems, UCI): An embedded System is a computer that does not look like a computer 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 5

6 Charakteristiken von ES Zweckbestimmtheit Ausführung dedizierter Funktionen Fester Bestandteil eines technischen Gesamtsystems Interaktion mit Umgebung mittels Sensorik und Aktuatorik Bestehen aus Hard- und Software Eingesetzte Hardware: a) Standardhardware Mikroprozessoren Mikrokontroller b) Spezialhardware z. B. MPEG-Dekoder in der Videotechnik DSP 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 6

7 µ-prozessor, µ-controller, µ-computer µ-prozessor (seit 1970, TI) kleine Abmessungen alle Funktionseinheiten des Prozessors auf einem Mikrochip µ-controller, µc, MCU, Einchip-Rechner, SoC (System on Chip) auf einem Chip: mindestens Prozessor + Peripherien oft inklusive Programm- und Daten-Speicher heute auch CAN, LIN, USB, I 2 C, SPI, UART, Eth, PWM, LCD-Ctrl, ADU,DAU µ-computer (µ-rechner) Begriff im Wandel : Computer mit einem µ-prozessor als Zentraleinheit; Abgrenzung von Mainframes und Minirechnern heute: obige Def. bei jedem Rechner erfüllt; unten µc werden heute meist Rechner kleiner als PC gemeint, µ-controller, Prozessrechner, Begriff gerät wahrscheinlich in Vergessenheit 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 7

8 Embedded und real-time systems Echtzeitsysteme: Einhaltung von Deadlines zwingend erforderlich embedded embedded real-time real-time Deadlines-Beispiele: Zykluszeiten bei - Verarbeitung von Eingaben - Generieren von Steuersignalen maximale Latenzzeit bei der Reaktion auf äußere Ereignisse 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 8

9 Rechnerarchitekturen bei ES Von Neumann 68HC08 Intel bis 486 ARM7 Harvard Intel Pentium und höher PIC (Microchip Technology Inc) AVR-Reihe (Atmel) ARM9 DSP, z.b. C6x Familie von TI SHARC=super Harvard Einsatz von DRAM 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 9

10 Von Neumann Harvard Rechnerarchitekturen #2 Code und Daten über gleichen Bus übertragen Fazit für Programmierer (auch für den Hochsprachenprogrammierer): Programm- und Datenspeicher im gleichen Adressraum Program- und Datanspeicher getrennt, über getrennte Busse angesteuert Fazit für Programmierer (auch für den Hochsprachenprogrammierer): Programm- und Datenspeicher getrennt adressiert Vorteile: Nachteile: (C-Programmierer: Spracherweiterung notwendig, gcc reicht nicht aus) gleichzeitiges Fetch + Laden von Daten SW-Fehler können kein Programmcode überschreiben mehrere Rechenwerke können parallel geladen werden parallele Programme Datenwortbreite und Befehlswortbreite können unterschiedlich sein -> gut für ES Optimierung von Programmspeicherbedarf Daten können kein Programmspeicher nutzen und umgekehrt 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 10

11 Harvard-Architektur a) Original mit getrennten Codeund Datenadressräumen b) modifizierte Variante mit einheitlichem Adressraum, aber getrennten Zugriffswegen (eingesetzt bei Pentium, ARM9, ) 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 11

12 8-Bit-Prozesoren = Oma s Zeiten? Prozessorarten nach Operanden-Länge: vereinfacht: ein 8-Bit-Prozessor geeignet für Umgang mit Zahlen oder 8-Bit: Mikrowellen, Taschenrechner, PC-Tastaturen, IR-FB 16 oder 32-Bit: SPS, Handys, PDA, tragbare Videospiele 32 oder 64-Bit: PC, Laset-Jets Trend: Mehrkern-Prozessoren (2-10 Kerne): PC, DSP Weitere Frequenz-Erhöhung stoßt auf physikalische Grenzen. Offene Fragen bei Kerne-Prozessoren: Struktur, Memory-Sharing, Verbindungen, Programmierweise, Bedienung durch BS. Bsp: kundenspezifischer IBM-Prozessor für Sony Playstation 3: Hauptkern basiert auf der Power PC-Architektur, verteilt Arbeit an 6 einfachere spezialisierte DSP. Verbindung durch Gate-Arrays Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 12

13 Auswahl von Prozessoren Quelle: LinuxDevices.com. Sixth annual Embedded Linux Market Survey. May Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 13

14 Bedeutung von ES ca. 9/10 aller elektronischen Bauelemente in ES ES findet man in allen Bereichen der Technik Hauptgründe: Fortschritte in Schlüsseltechnologien (Mikroelektronik, formale Methoden) Vielfalt von Anwendungen 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 14

15 Anwendungsgebiete #1 Elektronik für Automobilindustrie Steuerung von Fensterheber, Schiebedach Sitzverstellung (Positionsspeicher) Getriebesteuerung (Automatik) Klimaanlage Park Distance Control Elektronische Zündung Bremsunterstützung ABS ESP Airbags Totwinkelmelder... U.v.m... Mehrere Netze Bis zu 100 vernetzte Prozessoren Bordnetz eines Fahrzeuges mit unterschiedlichen Bussystemen 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme Application areas

16 Flugtechnik Anwendungsgebiete #2 Schienenfahrzeuge Prager Metro auf einer Teststrecke ČKD/Siemens Transportation Systems Prague Low-floor tram 14T in Prag Škoda Pilsen, Design Porsche Design Group 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme Application areas

17 Anwendungsgebiete #3 Telekommunikation Militäranwendungen Authentifizierung Blockschaltbild einer Prozessor-Chipkarte Krypto-Chip (links) und der dazugehörige Mikroprozessor (rechts) 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme Application areas

18 Anwendungsgebiete #4 Verbrauchselektronik Fernseher, Videorecorder, Kameras CD/DVD-Player, MiniDiscPlayer Digitale Videoschnittsysteme, Spielekonsolen Waschmaschine, Trockner, E-Herd Haustechnik, Heizungsanlagen Telefone, Telefonanlagen PDAs, Mobiltelefone, Organizer 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 18

19 Anwendungsgebiete #5 Industrie-Automation Industrieroboter (pro Achse ein Kontroller) CNC-Maschinen Prozesssteuerungen (chemische Industrie) Gebäude-Automation Gebäude/Klimatechnik Handel Kassensysteme Werkstückträgersystem mit Roboterstation Stein-Automation, VS-Schwenningen 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 19

20 Anwendungsgebiete #6 Medizintechnik Infusionspumpen Herzschrittmacher Prothetik Elektronik / Wissenschaft Messgeräte, Funktionsgeneratoren, Oszilloskope, LogicAnalyzer Herzschrittmacher Laser-Doppler-Anemometer mit FFT-Prozessor Oszilloskop und Logic Analyzer In unserem Praktikum 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme Application areas

21 Anwendungsgebiete #7 PC-Komponenten Spezialprozessoren Graphics, sound 32-bit Processoren IR, Bluetooth Network, WLAN Harddisk RAID controllers 8-bit Processoren USB Keyboard, mouse 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme Application areas

22 Beispiele von ES #1 Pilsner Unique Bar Zapfhähne für jeden Gast auf den Tischen ml-genaues Messen der Durchflussmenge Terminale zur Wahl der Biersorte, Bestellen von Speisen und Abrechnung kontaktlose Meßwert-Übertragung Computer-gestützte Kalibrierung zentrales Budgeting, Bestellwesen für alle Filialen 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme Application areas

23 Beispiele von ES #2 Waldmaschinen - vernetztes Computersystem Steuerung von Armen, Manipulatoren Navigationssystem Führung von Statistiken 16-Bit Prozessoren im Netzwerk 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme Application areas

24 Beispiele von ES #3 Extrem große ES Computergestützte Funktionen: Radar Navigationssystem Waffen Schadenkontrolle. Quelle: (public domain) Große Server Tausende Prozessoren im Netzwerk 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme Application areas

25 Spezifika beim ES- Entwurf komplexes Zusammenspiel von Hard- und Software, Echtzeit Fehlerursache meist in der Kombination von Ereignissen mangelnde Erprobungsmöglichkeiten unter realen Bedingungen Notwendigkeit der Wiederverwendung von Komponenten Termin- und Kostendruck, Konkurrenzdruck 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 25

26 Risiken bei Echtzeitanwendungen: harte Forderungen in Bezug auf das Zeitverhalten Dieses Gefahrenpotential wird häufig unterschätzt Risiko minimieren -> es bedarf eines systematischen Entwicklungsprozesses Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 26

27 Unfälle durch ES #1 1993: Bruchlandung eines Airbus A-320 auf dem Warschauer Flughafen Ursachen: Fehlkonstruktion des Sensors zur Erkennung der Bodenberührung Im Flight Mode ließ sich die zum Bremsen notwendige Schubumkehr nicht einschalten => Kein Pilotenfehler, sondern falsche Entwurfsentscheidungen der Konstrukteure und Software-Ingenieure Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 27

28 Unfälle durch ES #2 1996: Absturz einer Ariane 5 Rakete Ursachen: Softwarefehler im Trägheitsnavigationssystem (das Programm wurde unverändert von der Ariane 4 übernommen, da es bei Ariane 4 gut funktionierte) Die größere horizontale Bewegung der Ariane 5 beim Start gegenüber der Ariane 4 führten zu einem Variablenüberlauf. Folge: 1. Absturz das redundanten Back-up System 2. Absturz des Hauptnavigationssystems => Der Ausfall eines sehr kleinen Teils der Software führte zu einem Totalausfall des Gesamtsystems mit einem Schaden von ca. 8 Mrd. US $ Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 28

29 Belehrung: Quality of Development Integrierte Verifikation und Validation IV&V Spezifikations und Konfigurationsmanagement, Anforderungsüberwachung und Codeinspektion Statische und dynamische Analyse, automatisiertes Testen Simulation, Formale Verifikation und Modellprüfung Review der Software durch Hardware-Ingenieure und umgekehrt Zusammenspiel erforderlich! Technologie-Entwicklung Projektmanagement Qualitätssicherung 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 29