Embedded Systeme. Inhalt: 1. Charakterisierung. 2. Geschichte. 2.1 Zuse Z3 2.2 Minutemen Rakete 2.3 SPS 2.4 Industrie PC. 3.

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1 Embedded Systeme Inhalt: 1. Charakterisierung 2. Geschichte 2.1 Zuse Z3 2.2 Minutemen Rakete 2.3 SPS 2.4 Industrie PC 3. Stand der Technik 3.1 Betriebssysteme VxWorks Echtzeit Linux Aufspielen von Software auf embedded Systeme Aufbau einer SPS Industrie PC's Digitale Sensoren 4. Zukunft 4.1 Betriebssysteme 4.2 Scheduling 4.3 Kommunikation zwischen den Komponenten 4.2 Prozessoren

2 Charakterisierung : Embedded Systeme bestehen aus einem Rechner und lauffähiger Software und sind in ein Technisches Umfeld eingebettet Eingebettete Systeme können in Einzelfällen auf ähnlicher Hardware wie Arbeitsplatzcomputer basieren (sogenannte embedded - PC ohne Lüfter), typischerweise unterliegen sie jedoch stark einschränkenden Randbedingungen: Minimale Kosten, geringer Platz-, Energie-, Speicherverbrauch. Einzelne Komponenten wie Prozessor und Arbeitsspeicher basieren oft auf Weiterentwicklungen älterer Komponenten, was die langfristige Einsetzbarkeit und Ersatzteilbeschaffung steigert. Moderne Eingebettete Systeme basieren häufig auf Prozessor-Plattformen, die mit der PC-Welt wenig gemeinsam haben, aber im Bezug auf die Peripheriemodule hochintegriert sind und durch moderne Stromspartechniken deutlich weniger Energie verbrauchen. Programme eines Eingebetteten Systems müssen oft Echtzeitanforderungen genügen. In der Regel existieren verglichen mit PC-Hardware nur stark reduzierte Ressourcen, zumeist ohne Festplatte, häufig ohne Betriebssystem, Tastatur oder Bildschirm. Ein ROModer Flash-Chip ersetzt mechanische Speicherkomponenten wie eine Festplatte, stromsparende Prozessoren kommen ohne Lüfter aus: denn bewegliche Teile bedeuten Verschleiß und Fehleranfälligkeit. Wenn überhaupt, dann gibt es meistens nur ein Tastenfeld und die Ausgabe wird soweit vorgesehen durch ein LCD realisiert.

3 Geschichte: Zuse Z3: Der Zuse Z3 wurde 1941 von Konrad Zuse und Helmut Schreyer gebaut. Er war der erste Digitalrechner der binär rechnete, und programmierbar war Merkmale Bild: Nachbau Zuse Z3 Neben der Tatsache, dass sie der erste voll funktionsfähige programmierbare Digitalrechner war, enthielt die Z3 sehr viele Merkmale moderner Rechner: Verwendung des binären Zahlensystems Gleitkommazahlenberechnung Ein- und Ausgabegeräte Möglichkeit der Benutzerinteraktion während des Rechenvorgangs Mikroprogramme Pipelining von Instruktionsfolgen Numerische Sonderwerte Parallele Ausführung von Operationen soweit wie möglich Auch die Z1 verfügte über fast alle der oben angeführten Merkmale, erlangte allerdings nicht so viel Aufsehen, da ihr Rechenwerk aufgrund des mechanischen Aufbaus nicht sehr zuverlässig arbeitete. Allgemein ähneln der Aufbau von Z1 und Z3 einander sehr, was insbesondere für das Rechenwerk gilt. Aufbau Die Z3 besteht aus einer Relais-Gleitkommaarithmetikeinheit für Addition, Subtraktion, Multiplikation, Division, Quadratwurzel, Dezimal-Dual- und Dual-Dezimal-Umwandlung. Das Rechenwerk verfügt über zwei Register R1 und R2. einem Relais-Speicher aus 64 Wörtern, je 22 bit (1 Bit Vorzeichen, 7 Bit Exponent, 14 Bit Mantisse) einem Lochstreifenleser für Filmstreifen, um Programme einzulesen (nicht aber Daten) eine Tastatur mit Lampenfeld für Ein- und Ausgabe von Zahlen und der manuellen Steuerung von Berechnungen.

4 Minuteman Rakete Das erste in Massenproduktion Hergestellte Embedded System war der Zielrechner der Amerikanischen Minutemen Rakete Minuteman III Bild: Zielrechner Minuteman Gefechtsköpfe vom Typ W78 als Mehrfachsprengköpfe (MIRV) Mk12A für eine LGM-30G Minutemann III, Aufnahme 1985 Die LGM-30 Minuteman ist eine dreistufige US-Interkontinentalrakete, hergestellt von Boeing, und der Kern der US-amerikanischen Raketenstreitkräfte. Die Minuteman ist mit Atomsprengköpfen ausgerüstet, besitzt ein integriertes, automatisches Navigationssystem und wird in allen drei Stufen mit Feststofftreibstoff angetrieben. Der erste Start einer Minuteman-1 erfolgte am 15. September 1959, Minuteman-2 am 24. September 1964 und Minuteman-3 am 16. August Minuteman-1 und -2 wurden mittlerweile deaktiviert, die Minuteman-3-Raketen sollen bis circa 2020 im Einsatz bleiben. Von diesem Raketentyp wurden bis zum Produktionsende 1977 mehrere Tausend Stück hergestellt. Die mit nur einem Atomsprengkopf bewaffneten Minuteman-1 sollten ursprünglich auch auf Eisenbahnwagen montiert werden, da solcher Art mobile Startrampen immun gegen Erstschläge sind. Nachdem dieser Plan Ende 1961 aus finanziellen Gründen aufgegeben wurde, konnten Größen- und Gewichtsbeschränkungen aufgegeben werden. In der Folge wurde der Typ Minuteman-2 entwickelt. Die Weiterentwicklung zur Minuteman-3 ermöglichte den Einsatz von drei unabhängig von einander steuerbaren Sprengköpfen (MIRVs). Im Rahmen der START-Abkommen werden diese Raketen jedoch seit der Mitte der 90er auf nur einen Sprengkopf umgerüstet. Außerdem werden Minuteman-2-Raketen, die aus dem Dienst genommen werden, in Minotaur-Trägerraketen für Satellitenstarts umgebaut. Meist werden die Minutemanraketen aus unterirdischen Raketensilos abgefeuert, die meist in Zehner-Gruppen mit einem unterirdischen Kommandostand (LCC) verbunden sind. Diese sind rund um die Uhr von zwei Offizieren besetzt, die einen eingehenden Feuerbefehl durch gleichzeitiges Drehen zweier Zündschlüssel ausführen müssen. Ferner muss auch ein Feuerbefehl von einem benachbarten Kommandostand gegeben werden. Am 28. Januar 1991 startete vom Kwajaleinatoll eine spezielle Minuteman I-Rakete mit einem ERIS-Sprengkopf (Exoatmospheric Re-Entry Interceptor Subsystem) zur Abwehr von Interkontinentalraketen. Ein weiterer Rakentenabwehrtest verlief am 12. März 1992 erfolgreich. Siehe auch unter THAAD. Die USA planen zudem die Weiterentwicklung LGM-30H Minuteman IV, die möglicherweise ab 2020 die Minuteman III ersetzen sollen, als Gegenstück zu den russischen SS-27 Topol-M-Raketen.

5 SPS (Quelle: Wikipedia.de) Das erste Konzept einer SPS wurde 1968 von einer Ingeneur-Gruppe der Hydromatik-Abteilung bei General Motors ( USA ) konzipiert. Seit Anfang der '70er Jahre gab es dann funktionstüchtige Speicher Programmierbare Steuerungen! ( SPS = PLC ). Vor über 30 Jahren begann in einer amerikanischen Kleinstadt nordwestlich von Boston ein neues Zeitalter der industriellen Automation: 1969 baute Richard Morley bei MODICON seine ersten speicherprogrammierbaren Steuerungen Die MODICON 084 wurde die erste SPS ( PLC) der Welt die Serienmäßig hergestellt wurde Der Siegeszug der SPS nahm also von Amerika aus seinen Anfang. Wenige Jahre später begann auch Siemens mit der Herstellung einer ersten SPS Industrie PC (Quelle: ) Als im Jahr 1984 IBM den ersten AT PC auf den Markt brachte, ahnte noch niemand, welchen Siegeszug diese Technologie im Büro- und Privatbereich bald antreten würde. Siemens erkannte frühzeitig das Potenzial dieser Technologie für industrielle Anwendungen und hat bereits 1986 in Karlsruhe den ersten Industrie-PC entwickelt und gefertigt. Diese ersten wurden vorwiegend in Leitwarten eingesetzt, aber bald auch in Schaltschränke eingebaut. Meilensteine: Die Entwicklung von speziellen Gehäuseformen für den Einsatz in Schaltschränken. Der Rack-PC im 19"-Format erleichterte ab 1990 die Montage ganz erheblich. Ihm folgte 1992 der erste Siemens-IPC mit Platz sparendem Flat Panel, der zeigt, dass sich die Industrie- PC inzwischen im rauen Umfeld bewährt hatten und direkt an der Maschine zum Einsatz kamen. Die besondere Robustheit gegenüber Schock und Vibration sowie die hohe EMV- Festigkeit der Simatic PC ermöglichten damals den Maschinenbauern und OEM den Einsatz der innovativen Technologie im fertigungsnahen Bereich ohne aufwändige Zusatzmaßnahmen und bei hoher Betriebssicherheit.

6 Stand der Technik Betriebssysteme für Embedded Anwendungen VXWORKS: VxWorks ist ein proprietäres Echtzeitbetriebssystem, das von Wind River Systems entwickelt wird. Es wird vor allem in bestimmten Kleingeräten verwendet. Typische Anwendungsgebiete umfassen z.b. Luft-/Raumfahrt & Verteidigung, Maschinensteuerungen, medizintechnische Geräte und Netzwerk-Infrastruktur. VxWorks wurde bei der Mars Reconnaissance Orbiter- und Pathfinder-Mission zum Mars eingesetzt. Die Mars-Fahrzeuge Spirit und Opportunity wurden von einem Rechner mit einem PowerPC-Prozessor gesteuert, welcher ebenfalls unter VxWorks lief. Die Entwicklung von Programmen für VxWorks findet auf einem leistungsstärkeren Host- Computer wie etwa PC oder einer Workstation statt. Diese erzeugen spezielle Programmversionen für die jeweils gewünschte Art von Kleingerät. Es stehen Zielplattformen mit unterschiedlichen Prozessoren zur Verfügung. Was sind die wesentlichen Merkmale von VxWorks? In Version 5.1: - wind kernel unlimited tasks priorities - binary, counting mutex semaphores - message q's - POSIX pipes - sockets - shared memory - profiling utilities - ethernet support (i596, LANCE, NIC, SONIC) - SLIP (no PPP yet) - backplane driver for network - rlogin (server & client) - telnet (server only) - rpc (no rpcgen) - nfs (client) - ftp (server & client) - tftp (client & server)

7 Echtzeit Linux: Gründe für und wider der Verwendung von Linux in Eingebetteten Systemen Für den Einsatz von Embedded Linux sprechen neben den fehlenden (oder bei fertigen Distributionen geringeren) Lizenz- und Laufzeitgebühren, dem Zugang zum Quellcode (besseres Verständnis für Entwickler, leichtere Anpassung, leichteres Debugging, formale Zertifizierung möglich), guter Skalierbarkeit und der breiten Hardwareunterstützung auch Punkte wie der gute Netzwerksupport der OpenSource-Gemeinschaft (Mailing-Listen) und die Unabhängigkeit von proprietären Anbietern. Als Nachteil kann angeführt werden, dass der Linux-Kernel zwar wegen seiner starken Modularisierung bis zu einem bestimmten Umfang sehr gut runterskaliert werden kann, dass er jedoch selten an die Größe eines minimalen Systems herankommt. Linux läuft fast ausschließlich auf 32-Bit CPUs (64-Bit), das stellt eine untere Grenze dar (Projekt für Linux auf 16-Bit Prozessoren siehe ELKS). Die Nicht-Echtzeitfähigkeit von Embedded Linux wurde in der Vergangenheit als Nachteil aufgeführt, allerdings existieren in diesem Bereich vielversprechende Projekte. Häufig wird das Vorurteil ob der Verfügbarkeit und der Qualität des Supports als Nachteil aufgefasst. 32 Bit da mit den 16 Bit Prozessoren nur 65 kb Speicher adressiert werden kann. Mit 32 Bit sind etwa 4GB möglich. Dies ist für ein embedded Linux notwendig, da es in der minimalsten Ausführung bereits mehr als 200kB Speicher benötigt. Patch vom August 2006 macht Linux Echtzeitfähig! Quelle Die wichtigsten Komponenten der Realtime- Preempt-Patches: Interrupt-Threading: Bisher wurden Interrupt-Service-Routinen vollständig im Kontext der Interrupt- Verarbeitung ausgeführt. Wenn der Zugriff auf Hardware und Datenstrukturen gegen Funktionen, die nicht im gleichen Kontext ausgeführt werden, serialisiert werden musste, wurden so genannte Spinlocks verwendet. Da Interrupt-Service-Routinen vergleichsweise lange Laufzeiten aufweisen können und solange sie im Interrupt- Kontext ausgeführt werden nicht zu unterbrechen sind, führte dies zu langen Latenzen, die mit einer Echtzeit- Fähigkeit nicht vereinbar waren. Die genannten Spinlocks ließen sich auch nicht einfach in unterbrechbare Spinlocks umwandeln, da dies ebenfalls von deren Ausführung im Interrupt- Kontext verhindert wurde. Das mit den Realtime-Preempt-Patches eingeführte Interrupt-Threading verändert nun das Interrupt-Handling dahingehend, dass nur die Quittierung des Interrupts im Interrupt-Kontext ausgeführt wird. Zur eigentlichen Bearbeitung des Interrupts wird ein diesem Interrupt zugeordneter Kernel- Thread gestartet. Diese Maßnahme reduziert die Bearbeitungszeit im Interrupt-Kontext auf ein Minimum, und die eigentliche, möglicherweise langwierige Interrupt-Service- Routine wird im Thread-Kontext ausgeführt. Dadurch bleibt die Interrupt-Service-Routine unterbrechbar, und auch die weiterhin erforderlichen Spinlocks können in unterbrechbare Spinlocks umgewandelt werden, weil diese nun nicht mehr im Interrupt-Kontext arbeiten. Die Interrupt- Service-Routine einschließlich ihrer Spinlocks kann nun durch den Scheduler gesteuert werden. Die Verwendung

8 von Interrupt-Threads bietet auch im Nicht-Echzeit-Bereich Vorteile, da die bisherige Trennung von Funktionen in Interrupt- und Thread- Kontext aufgehoben werden kann und sich komplexe Locking-Probleme speziell bei der Fehlerbehandlung vermeiden lassen. Um möglichst alle Prozessorarchitekturen auf Interrupt-Threading umzustellen und dessen Weiterentwicklung nicht durch hardwarespezifischen Code zu erschweren, musste der generische IRQ-Layer überarbeitet werden,denn er enthält die von der Prozessorarchitektur unabhängige Behandlung von Interrupts. Zu diesem Zweck wurde das bisher verwendete All-in-One -Interrupt-Konzept auf so genannte Flow-Handler umgestellt. Diese ermöglichen eine individuelle Behandlung und Optimierung der unterschiedlichen Interrupt-Typen wie pegel- oder flankengesteuerte Interrupts. Seit dieser Überarbeitung enthalten die Interrupt-Threads praktisch keinen hardwareabhängigen Code mehr. Die Überarbeitung des generischen IRQ-Layers führte außerdem zu einer Konsolidierung der Interrupt- Routinen für i386, x86_64, ARM und PowerPC und zur sauberen Integration von so genannten Message-Signaled- Interrupts (MSI) Software für Embeddedsysteme aufspielen: Host System Tools,Crosscompiler,Linker,... I/O Schnittstellen Zuerst wird auf einem Leistungsfähigen Hostsystem die Software (übicherweise in C oder Assembler), mit den gewünschten Funktionen erstellt Beim nächsten Schritt wird dieses Programm in eine für den eingesetzten uc verständliche Sprache übersetzt. Und über die I/O Schnittstelle.. I/O Schnittstellen Embedded System... auf das Zielsystem übertragen

9 Aufbau einer SPS Quelle: Architektur Eine standard SPS hat eine Prozessor-Architektur, die im Wesentlichen für die Bit-, Byteoder Wort-Verknüpfung optimiert ist. Siemens-Steuerungen werden beispielsweise Byteweise adressiert, Omron-Steuerungen adressieren dagegen ein volles Wort. E/A Eine SPS hat mehrere analoge und digitale Ein-/Ausgabeschnittstellen die entweder direkt an der SPS abgegriffen werden können oder über ansteckbare Erweiterungsmodule erreicht werden können. Bei einigen Modellen gibt es außerdem ein integriertes Display, das zur Anzeige von Daten (z.b beim Debuggen) gedacht ist. Beispiel zur Programmierung: Eine SPS kann durch verschiedene Programmiersprachen prgrammiert werden. Somit kann z.b. ein Elektriker(KOP oder FUP) genauso schnell das Programmieren einer SPS erlernen wie ein Informatiker(AWL,...). KOP Kontaktplan: FUP Funktionsplan: AWL: Anweisungsliste: U E 0.1 L S5T#20S SA T 10

10 Industrie PC (Quelle: ) Eigenschaften: - Größere Rechneleistung als SPS Bei IPCs werden aktuelle Desktop Prozessoren (z.b Intel Pentium) eingesetz, die den in einer SPS eingesetzten Mikroprozessoren deutlich überlegen sind. Bei den Prozessoren werden meist stromsparende Modelle eingesetzt. Dies ermöglicht eine passive Kühlung, was wiederum die Robustheit des Rechners erhöht. - Austauschbare Hardware Anstatt einer herkömmlichen Hauptplatine (Motherboard) wird eine Backplane (Busplatine) und eine Slot-CPU eingesetzt. Dieser Aufbau ermöglicht den Einsatzt von mehr Einsteckplatinen. z.b. CPU, RAM / ROM, Kommunikationsschnittstelle - Geeignet für raue Umgebungsbedingungen Bei IPCs wird weitgehend auf sich drehende/bewegende Teile wie Lüfter und Festplatten verzichtet. Statt dessen werden große passive Kühler angebracht und anstatt der konventionellen Festplatte kann inzwischen auf schnellen und erschütterungs- unsensiblen Falsh-Speicher zurückgegriffen werden. Zudem wird durch zahlreiche Tests und die Verwendung hochwertiger Materialien auch der Betrieb bei höheren Temperaturen gewährleistet.

11 Digitale Sensoren (Quelle: ) Beispiel: 3D Sensor von ifm mit pmd Technologie pmd (photo misch detktor): Das Prinzip besteht darin, dass vom Sensor (Infrarotes) Licht ausgesendet wird., das dann an einem Gegenstand reflektiert wird und im Sensor ausgewertet wird. Die Entfernung zwischen dem Sensor und dem Gegenstand wird aus der Phasenverschiebung zwischen ausgesendetem und empfangenem Licht berechnet. Aufgrund dieses Prinzips ergibt sich allerdings auch die Unsicherheit, dass der Gegenstand ein vielfaches der Wellenlänge vom Sensor entfernt ist. Prozessor: PowerPC Auflösung: 64x48

12 Zukunft Betriebssysteme Meiner Meinung nach wird in Zukunft der Marktanteil von kommerziellen Produkten wie z.b. VxWorks zurückgehen. Dementsprechend werden dann OpenSource Betriebssystmen wie EmbeddedLinux oder μsmartx an Markanteilen gewinnen. Dies hängt damit zusammen, dass zum einen hinter den freien BS jetzt schon eine starke Community steht und zum anderen zukünftige Prozessorgenerationen das ausführen von BS noch besser unterstützen werden. Scheduling Als Lösung sind bereits mehrere Alternativen für Task-Scheduling am Horizont zu sehen. Die erste nennt sich Deadline Scheduling. Bei dieser Methode ist der Task-Scheduler des Echtzeit-Kernels über die Zeitgrenzen von Tasks informiert und erhöht temporär deren Prioritäten, wenn sie an ihre Zeitgrenzen stoßen und noch nicht abgelaufen sind. Er stellt sicher, dass Tasks ablaufen, bevor sie ihre Deadlines überschreiten, indem er preemptiv Laufzeit von Tasks mit eigentlich höherer Priorität ausborgt. Deadline-Scheduler sind interessant für DSP- und Multimedia-Applikationen, in denen exaktes Timing und die Konsistenz des Timings der Task-Ausführung die wichtigsten Eigenschaften sind. Es gibt weitere Wege für ein Echtzeit-Betriebssystem, Dead-line-Scheduling auszuführen. Beim EDF-Scheduling (Earliest Deadline First) darf der Task, der seiner Deadline am nächsten ist, zuerst ablaufen. Deshalb betrachtet ein Deadline-Scheduler die Zeitgrenzen als wesentlich, noch vor der Task-Priorität. Ein etwas komplexerer Deadline-Scheduler ist der LL-Scheduler (Least Laxity). Er beachtet sowohl die Zeitgrenze eines Tasks als auch die Verarbeitungslast. Speicher wird dynamisch verwaltet Die meisten gängigen Echtzeit-Betriebssysteme bieten den Tasks die Möglichkeit, sich Bereiche des RAMs für den zeitweisen Gebrauch zu borgen. Einige bieten die Speicher- Allokierung aus Heaps, welche aber zu Speicherfragmentie-rung neigen. Andere Echtzeit-Betriebssysteme bieten Pools, die dieses Problem vermeiden. Alle genannten Methoden bergen die Gefahr, dass nicht genügend Speicher zur Verfügung steht (Memory-Starvation). Eine mögliche Lösung besteht darin, Tasks in Gruppen anzuordnen (Bild 3). Jeder Gruppe wird ein jeweiliger Speicher-Heap oder Pool zugeordnet. Damit ist es für andere Task-Gruppen unerheblich, was mit den RAM- Speicherbereichen innerhalb einer Gruppe passiert. Sie werden davon nicht beeinflusst. Probleme können auch auftreten, wenn Tasks dynamisch generiert werden, zum Beispiel wenn ein Task eine Reihe neuer Tasks erstellt, die wiederum selbst neue Tasks produzieren. Diese quantitative Explosion würde sehr schnell den gesamten vorhandenen Speicher eines Heaps oder Pools belegen. Echtzeit-Betriebssysteme könn-ten künftig davor schützen, indem sie den vorhandenen Speicher verwalten. Wenn beispielsweise ein Task zwei neue Tasks generiert, hätten die drei Tasks zusammen dasselbe gesamte Speicher-Allokierungs-Budget wie der ursprüngliche Task. Vielleicht erhält dazu jeder der neuen Tasks ein Drittel des Speicher-Budgets der ursprünglichen Task und gleichzeitig würde das Speicher-Budget des ursprünglichen Tasks auf ein Drittel seines ursprünglichen Wertes gekürzt. Auf diese Weise haben andere Tasks nicht weniger Speicher zur Verfügung.

13 Kommunikation zwischen den Komponenten: Echtzeit Ethernet: Realtime Ethernet ist die Erweiterung des bisherigen Ethernet Protokolls um echtzeitfähige Komponenten. D.h. das eine Antwort innerhalb eines bestimmten Zeitfensters gewährleistet werden muss. Vorteil: Es ist schneller als bisherige Bussysteme und noch dazu zum nicht echtzeitfähigen Ethernet (mit Einschränkungen) kompatibel. Anlagen können auch über mehrere Gebäude hinweg über das bestehende Firmennetzwerk verbunden werden. Deshalb wird dieses Bussystem in Zukunft die größte Markstärke unter allen verfügbaren Systemen haben. Prozessoren Auch die Controller und Prozessoren werden in Zukunft verbessert und erweitert werden. Denkbar sind dabei z.b. die standardmäßige Implementierung von Schnittstellen zu Bussen (LAN, ASI Bus,...) Eine andere Entwicklung wird die Verwendung von mehreren Controllern auf einem Chip sein, die durch die stetige Verkleinerung möglich wird. Quantencomputer Aufgrund der Komplexität des Themas würde eine schlüssige Erklärung ein ganzes Referat in Anspruch nehmen. Deshalb hier nur Grundsätzlich: Ein Quantencomputer rechnet mit sogenannten Qubits Diese können jeden beliebigen Zustand zwischen NULL und EINS annehmen, d.h. es können mit nur einer Operation sämtliche möglichen Ergebnisse dargestellt werden. Wer sich näher dafür interessiert findet bei Wikipedia oder unter einen guten Einstieg

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