20
1 Einleitung
Die Kompatibilität mit von x86-PCs her bekannten Befehlssätzen ist für eingebettete Systeme weniger wichtig, da es normalerweise möglich ist, Softwareanwendungen für eine gegebene Architektur neu zu übersetzen. Sequenzielle Programmiersprachen eignen sich nicht gut für die Aufgabe, nebenläufige Echtzeitsysteme
zu beschreiben. Hier könnten andere Ansätze zur Modellierung von Anwendungen
vorteilhafter sein. Während des Entwurfs eingebetteter/cyber-physikalischer Systeme müssen verschiedene Ziele berücksichtigt werden. Außer der durchschnittlichen
Rechenleistung (Performanz) sind hier die größtmögliche Ausführungszeit (WCET),
der Energieverbrauch, das Gewicht, die Zuverlässigkeit, die Betriebstemperaturen
usw. mögliche Optimierungsziele. Das Einhalten von Echtzeitbedingungen ist für
cyber-physikalische Systeme sehr wichtig, aber nur selten für PC-Systeme. Das Einhalten von Zeitbedingungen kann nur dann zur Entwurfszeit verifiziert werden, wenn
alle Anwendungen auch zur Entwurfszeit bekannt sind. Zudem muss bekannt sein,
welche Anwendungen gleichzeitig ablaufen sollen. So müssen Entwickler beispielsweise sicherstellen, dass eine GPS-Anwendung, ein Telefonanruf und Datenübertragungen gleichzeitig stattfinden können, ohne dass Sprachinformationen verloren
gehen. Bei PC-Systemen ist ein solches Wissen so gut wie nie verfügbar und man
arbeitet mit best effort-Ansätzen, d.h. man versucht, Software möglichst schnell
ablaufen zu lassen, ohne ein bestimmtes Verhalten zu garantieren.
Warum versuchen wir, alle verschiedenen Arten eingebetteter Systeme in einem
Buch zu behandeln? Der Grund dafür ist, dass die informationsverarbeitenden Komponenten in all diesen Systemen über viele gemeinsame Eigenschaften verfügen,
auch wenn die Systeme selbst physisch sehr unterschiedlich sind.
Nicht jedes eingebettete System wird über alle der oben genannten Eigenschaften
verfügen. Wir können den Begriff „eingebettetes System” auch wie folgt definieren:
Definition 1.11: Informationsverarbeitende Systeme, welche die meisten der oben
genannten Eigenschaften erfüllen, werden eingebettete Systeme genannt.
Diese Definition beinhaltet eine gewisse Unschärfe. Es scheint aber weder notwendig noch möglich, diese Unschärfe zu beseitigen.
1.5 Lehrplan-Integration von Eingebetteten Systemen, CPS und
IoT
Leider werden eingebettete Systeme im Computer Science Curriculum, veröffentlicht im Jahr 2013 von ACM und der IEEE Computer Society [10], so gut wie nicht
berücksichtigt. Die wachsende Bedeutung eingebetteter Systeme führt aber zu einem
gesteigerten Bedarf an Ausbildung in diesem Bereich. Diese Ausbildung soll dabei
helfen, die Beschränkungen aktuell verfügbarer Entwurfsmethoden zu überwinden.
Eine Übersicht über Anforderungen und Ansätze zur Lehre im Bereich CPS wurden
von den National Academies of Sciences, Engineering and Medicine [410] sowie
von Marwedel et al. [379] sowie publiziert. Es gibt beispielsweise Bedarf an besse-
1 Einleitung
Die Kompatibilität mit von x86-PCs her bekannten Befehlssätzen ist für eingebettete Systeme weniger wichtig, da es normalerweise möglich ist, Softwareanwendungen für eine gegebene Architektur neu zu übersetzen. Sequenzielle Programmiersprachen eignen sich nicht gut für die Aufgabe, nebenläufige Echtzeitsysteme
zu beschreiben. Hier könnten andere Ansätze zur Modellierung von Anwendungen
vorteilhafter sein. Während des Entwurfs eingebetteter/cyber-physikalischer Systeme müssen verschiedene Ziele berücksichtigt werden. Außer der durchschnittlichen
Rechenleistung (Performanz) sind hier die größtmögliche Ausführungszeit (WCET),
der Energieverbrauch, das Gewicht, die Zuverlässigkeit, die Betriebstemperaturen
usw. mögliche Optimierungsziele. Das Einhalten von Echtzeitbedingungen ist für
cyber-physikalische Systeme sehr wichtig, aber nur selten für PC-Systeme. Das Einhalten von Zeitbedingungen kann nur dann zur Entwurfszeit verifiziert werden, wenn
alle Anwendungen auch zur Entwurfszeit bekannt sind. Zudem muss bekannt sein,
welche Anwendungen gleichzeitig ablaufen sollen. So müssen Entwickler beispielsweise sicherstellen, dass eine GPS-Anwendung, ein Telefonanruf und Datenübertragungen gleichzeitig stattfinden können, ohne dass Sprachinformationen verloren
gehen. Bei PC-Systemen ist ein solches Wissen so gut wie nie verfügbar und man
arbeitet mit best effort-Ansätzen, d.h. man versucht, Software möglichst schnell
ablaufen zu lassen, ohne ein bestimmtes Verhalten zu garantieren.
Warum versuchen wir, alle verschiedenen Arten eingebetteter Systeme in einem
Buch zu behandeln? Der Grund dafür ist, dass die informationsverarbeitenden Komponenten in all diesen Systemen über viele gemeinsame Eigenschaften verfügen,
auch wenn die Systeme selbst physisch sehr unterschiedlich sind.
Nicht jedes eingebettete System wird über alle der oben genannten Eigenschaften
verfügen. Wir können den Begriff „eingebettetes System” auch wie folgt definieren:
Definition 1.11: Informationsverarbeitende Systeme, welche die meisten der oben
genannten Eigenschaften erfüllen, werden eingebettete Systeme genannt.
Diese Definition beinhaltet eine gewisse Unschärfe. Es scheint aber weder notwendig noch möglich, diese Unschärfe zu beseitigen.
1.5 Lehrplan-Integration von Eingebetteten Systemen, CPS und
IoT
Leider werden eingebettete Systeme im Computer Science Curriculum, veröffentlicht im Jahr 2013 von ACM und der IEEE Computer Society [10], so gut wie nicht
berücksichtigt. Die wachsende Bedeutung eingebetteter Systeme führt aber zu einem
gesteigerten Bedarf an Ausbildung in diesem Bereich. Diese Ausbildung soll dabei
helfen, die Beschränkungen aktuell verfügbarer Entwurfsmethoden zu überwinden.
Eine Übersicht über Anforderungen und Ansätze zur Lehre im Bereich CPS wurden
von den National Academies of Sciences, Engineering and Medicine [410] sowie
von Marwedel et al. [379] sowie publiziert. Es gibt beispielsweise Bedarf an besse-