EBS 1.1 Flashcards
Kapitel 1-3
In welche fünf strukturellen Bestandteile kann ein eingebettetes System zerlegt werden?
- Kontrolleinheit (Steuergerät)
- Regelstrecke mit Aktoren und Sensoren
- Benutzerschnittstelle
- Umgebung
- Benutzer
Was ist die Aufgabe der Kontrolleinheit in einem eingebetteten System?
Die Kontrolleinheit empfängt Signale von der Benutzerschnittstelle und den Sensoren der Regelstrecke, verarbeitet diese Eingaben und sendet Antwortsignale an die Benutzerschnittstelle und die Aktuatoren der Regelstrecke. Sie bildet den Kern des eingebetteten Systems und kann aus parallelen, verteilten Subkomponenten bestehen.
Welche Charakteristiken hat die Regelstrecke in einem eingebetteten System?
Die Regelstrecke ist heterogen und kann aus elektronischen, elektrischen und mechanischen Teilen bestehen. Sie erhält Kontrollsignale und gibt über ihre Sensoren Signale aus. Die Grenze zwischen Regelstrecke und Umgebung ist entscheidend und kann komplex sein. Die Interaktion wird durch diskrete und kontinuierliche Ströme modelliert.
Welche Rolle spielt die Benutzerschnittstelle in einem eingebetteten System?
Die Benutzerschnittstelle ermöglicht die Interaktion zwischen dem eingebetteten System und dem Benutzer. Sie besteht aus Eingabegeräten (z. B. Schalter, Tasten) und Ausgabegeräten (z. B. Bildschirme, Signalleuchten) und kann in dezentrale Bedienstationen zerlegt werden.
Wie sind die Umgebung und der Benutzer in die Struktur eingebetteter Systeme integriert?
Die Umgebung und der Benutzer sind integrale Bestandteile eines eingebetteten Systems. Die Umgebung steht in komplexer Wechselwirkung mit der Regelstrecke, die nicht direkt von der Kontrolleinheit beeinflusst wird. Der Benutzer interagiert über die Benutzerschnittstelle mit dem System.
Wie werden die Kommunikationskanäle in einem eingebetteten System beschrieben?
Kommunikationskanäle werden durch Pfeile dargestellt, die gerichtete Kommunikationswege symbolisieren. Sie transportieren diskrete Nachrichten oder kontinuierliche Signale. Diskrete Nachrichten sind ereignisdiskret, kontinuierliche Signale sind zeit- und wertkontinuierlich.
Was ist der Unterschied zwischen der „Black-Box-Sicht“ und der „Glass-Box-Sicht“ auf die Kontrolleinheit?
Die „Black-Box-Sicht“ betrachtet die Kontrolleinheit ohne detaillierte Kenntnis ihrer inneren Struktur, während die „Glass-Box-Sicht“ die interne Parallelität und Verteilung der Kontrolleinheit berücksichtigt.
In welche strukturellen Bestandteile kann ein eingebettetes System aufgeteilt werden?
Die strukturellen Bestandteile eines eingebetteten Systems sind: Das Steuergerät, die Regelstrecke mit Aktoren und Sensoren, die Benutzerschnittstelle, die Umgebung sowie der Benutzer.
Wie kann man zeitdiskrete und zeitkontinuierliche Signale der Regelstrecke als mathematische Funktionen darstellen?
Zeitkontinuierliche Funktion: f:R0+→Wf:R0+→W
Zeitdiskrete Funktion: g:N→Wg:N→W
wobei:
R0+R0+ die reellen positiven Zahlen einschließlich der Null bezeichnet, NN die natürlichen Zahlen einschließlich der Null bezeichnet, WW den Wertebereich der ggf. abstrahierten Sensor- bzw. Aktordaten bezeichnet.
Wie kann man die „Black-Box-Sicht“ eines Steuergeräts als mathematische Funktion beschreiben?
Die „Black-Box“-Sicht eines Steuergeräts könnte man als Funktion höherer Ordnung wie folgt beschreiben:
h1:(N→W)→(N→W)h1:(N→W)→(N→W) h2:(R0+→W)→(R0+→W)h2:(R0+→W)→(R0+→W)
Das bedeutet, dass die „Black-Box“-Sicht eine mathematische Funktion darstellt, die diskrete bzw. kontinuierliche Signale verarbeitet und als Eingabe- und Ausgabegrößen definiert ist.
Was umfasst das erste Kapitel zu eingebetteten Systemen?
Das erste Kapitel enthält eine allgemeine Einführung in das Thema eingebettete Systeme. Es beginnt mit einer Motivation, einer Klassifikation dieser Systeme, Beispielen und betroffenen Branchen sowie Anwendungen. Das Kapitel schließt mit einer Diskussion zentraler Herausforderungen. Nach der Lektüre sollten Sie die zentrale Rolle eingebetteter Systeme für die Informatik und Mikrosystemtechnik verstehen, sie von anderen Systemen unterscheiden können und die wichtigsten Anwendungen und Begriffe sowie die noch zu lösenden Herausforderungen einschätzen können.
Was ist ein eingebettetes System und welche Aufgaben übernimmt es?
Ein eingebettetes System ist ein Computersystem, das in ein umgebendes technisches System eingebettet ist und mit diesem interagiert. Es übernimmt komplexe Steuerungs-, Regelungs-, Überwachungs- und Datenverarbeitungsaufgaben und verleiht dem umgebenden System oft einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil. Eingebettete Systeme sind in allen Bereichen der Technik weit verbreitet.
Was sind reaktive Systeme und wie unterscheiden sie sich von transformationellen Systemen?
Reaktive Systeme interagieren beständig mit ihrer Umgebung und reagieren auf Ereignisse, die von außen getrieben werden. Im Gegensatz dazu verarbeiten transformationelle Systeme nur Eingaben, die beim Systemstart vollständig vorliegen, und geben Ausgaben erst nach der Systemterminierung aus. Reaktive Systeme finden Anwendung in der Flugzeug-, Automobil- und Telekommunikationselektronik.
Was sind die aktuellen Trends beim Entwurf eingebetteter Systeme?
Die aktuellen Trends umfassen:
-Einen steigenden Anteil des elektronischen Teilsystems, insbesondere des digitalen Teils und der Software.
-Einen Trend zu mehr Intelligenz und fortschreitender Vernetzung.
-Den Entwurfskompromiss zwischen kostengünstigen Standardkomponenten und schneller Spezial-Hardware.
Welche drei Klassen von Computersystemen gibt es und wie unterscheiden sie sich?
Die drei Klassen von Computersystemen sind:
- Transformationelle Systeme: Verarbeiten nur vollständige Eingaben und geben Ausgaben erst nach der Termination aus.
-Interaktive Systeme: Synchronisieren sich stetig mit ihrer Umgebung und erzeugen Ausgaben während der Laufzeit.
-Reaktive Systeme: Reagieren auf Ereignisse von außen und müssen zuverlässig und zeitkritisch agieren.
Welche Eigenschaften und Herausforderungen zeichnen reaktive Systeme aus?
Reaktive Systeme arbeiten oft nebenläufig, müssen äußerst zuverlässig sein und Zeitschranken einhalten. Sie sind in komplexe Systemumgebungen eingebettet und müssen funktional korrekt sein. Die Entwicklung reaktiver Systeme erfordert die Beherrschung der Komplexität und die Einhaltung von Reaktionszeiten, insbesondere bei sicherheitskritischen Anwendungen.
In welchen Anwendungsgebieten finden sich eingebettete Systeme?
Eingebettete Systeme sind weit verbreitet in:
-Telekommunikation (z.B. Telefon, Fax)
-Haushalt (z.B. Waschmaschine, Mikrowelle)
-Peripheriegeräte (z.B. Tastatur, Modem)
-Bürotechnik (z.B. Kopierer, Schreibmaschine)
-Geräte für Freizeit, Hobby und Garten
-Automobiltechnik (z.B. ABS, Navigationssysteme)
-Öffentlicher Verkehr (z.B. Fahrkartenautomat)
-Luft- und Raumfahrttechnik
-Fertigungstechnik
-Medizintechnik, Umwelttechnik, Militärtechnik
Wie funktioniert ein Airbag-System als Beispiel für ein eingebettetes System im Automobilbau?
Ein Airbag-System misst mittels eines zentralen Sensors die Beschleunigung des Fahrzeugs. Bei einem Unfall registriert der Sensor die negative Beschleunigung, zündet einen Gasgenerator und bläst den Airbag innerhalb von Hundertstelsekunden auf. So schützt der Airbag den Insassen vor dem Aufprall auf das Lenkrad oder den Armaturenträger.
Was versteht man unter einem reaktiven System?
Ein reaktives System besteht aus Software und/oder Hardware und setzt Eingabeereignisse, deren zeitliches Auftreten meist nicht vorhergesagt werden kann, oftmals unter Einhaltung von Zeitvorgaben, in Ausgabeereignisse um.
Was ist ein hybrides System?
Ein hybrides System verarbeitet sowohl kontinuierliche (analoge) als auch diskrete Datenanteile und interagiert sowohl über kontinuierliche Zeiträume als auch zu diskreten Zeitpunkten mit seiner Umgebung. Man spricht von “datenkontinuierlich/-diskret” oder “zeitkontinuierlich/-diskret”.
Welche besonderen Herausforderungen bestehen bei der Entwicklung eingebetteter Systeme?
Die Herausforderungen umfassen:
- Verkürzung der „Time to Market“ und Erhöhung der Nutzungsadäquanz.
- Verbesserung der Beherrschbarkeit des Entwicklungsprozesses.
- Herstellung der Durchgängigkeit des Entwicklungsprozesses.
- Verbesserung der Modellierung von Zeit-, Reaktivitäts- und Verteilungsaspekten.
- Erhöhung der Zuverlässigkeit, Vorhersagbarkeit, Adaptierbarkeit und Modifizierbarkeit.
Welche zentralen Eigenschaften und Unterschiede haben eingebettete Systeme im Vergleich zu anderen Computersystemen?
Eingebettete Systeme sind reaktive Systeme, die sich durch Echtzeit-Anforderungen auszeichnen und in zahlreiche Lebensbereiche integriert sind. Sie haben andere Entwicklungsanforderungen als Büroanwendungen und müssen besondere Herausforderungen in der Softwareentwicklung bewältigen.
Welcher Prozentsatz der 2002 weltweit produzierten Prozessoren wurde in
eingebetteten Systemen verbaut?
Etwa 98 % der weltweit produzierten Prozessoren im Jahr 2002 in eingebetteten Systemen verbaut.
Warum unterscheidet sich die Entwicklung eines eingebetteten Systems
von der einer Büroanwendung?
Bei einer Büroanwendung handelt es sich um ein rein transformationelles
oder interaktives System, bei einem eingebetteten System dagegen um ein
reaktives System. Reaktive Systeme müssen im Gegensatz zu interaktiven
Systemen ständig mit ihrer Umgebung interagieren, und dies zudem in einer
von der Umgebung vorgegebenen Weise und Geschwindigkeit. Interaktive
Systeme kommunizieren zwar auch mit ihrem Benutzer, allerdings in einer
von ihnen selbst definierten Weise und Geschwindigkeit. Rein
transformationelle Systeme führen keine Kommunikation mit ihrer Umgebung.
Aus diesem Grund ist bei der Entwicklung eingebetteter Systeme das
Hauptaugenmerk auf die Verarbeitung von Signalen und Ereignissen der
Umgebung bzw. deren Beschreibung zu legen.
Finden Sie in Ihrem Auto Beispiele für sicherheitskritische und nicht-sicherheitskritische
Systeme!
Sicherheitskritisch: ABS, Airbag, ASC, DSC, ACC usw.;
Unkritisch: PDC,
Navigation, Radio, Telefon etc.
Welche Ausprägungen eingebetteter Systeme kennen Sie?
Eingebettete Systeme lassen sich auf unterschiedliche Weise einordnen.
Man unterscheidet beispielsweise Echtzeit- und Nicht-Echtzeitsysteme,
wobei Echtzeitsysteme weiter nach harten und weichen Echtzeitanforderungen
unterschieden werden können. Ferner lassen sich kontinuierliche
(wert- und/oder zeitkontinuierlich) von diskreten (wert- und/oder zeitdiskret)
und verteilte von monolithischen Systemen unterscheiden. Schließlich
gibt es noch die Klasse der sicherheitskritischen eingebetteten Systeme.
Was ist der Unterschied zwischen verteilten und monolithischen Systemen
Ein verteiltes System besteht aus Komponenten, die räumlich oder logisch
verteilt sind und mittels einer Koppelung bzw. Vernetzung zum Erreichen der
Funktionalität des Gesamtsystems beitragen.
Monolithische Systeme dagegen bestehen dagegen nur aus einem System, das für sich allein eine Funktion abbildet.
Welche wesentlichen Hardware-Komponenten umfassen eingebettete Systeme und was sind ihre grundlegenden Funktionen?
Eingebettete Systeme umfassen Steuergeräte sowie zusätzliche periphere Geräte wie Sensoren, Aktoren und Wandler.
- Steuergeräte: Diese umfassen Mikrocontroller oder Mikroprozessoren, die die Steuerung von Prozessen übernehmen.
- Sensoren: Erfassen physikalische oder chemische Eingangsgrößen und liefern ein Ausgangssignal zur weiteren Verarbeitung.
- Aktoren: Wirken steuernd auf den technischen Prozess ein, indem sie elektrische Signale in mechanische Arbeit umwandeln.
- Wandler: Dienen zur Umwandlung analoger in digitale Signale und umgekehrt, um eine digitale Verarbeitung der Signale zu ermöglichen.
Welche Umgebungsbedingungen und Störfaktoren müssen bei der Hardware von eingebetteten Systemen berücksichtigt werden?
Die Hardware von eingebetteten Systemen muss robust gegen verschiedene Störfaktoren sein, darunter:
- Wärme bzw. Kälte
- Staub
- Feuchtigkeit und Spritzwasser
- Mechanische Schwingungen und Stöße
- Fremdkörper
- Elektromagnetische Störungen (EMS)
Insbesondere in der Automobilindustrie gibt es spezifische Vorschriften, die genaue Vorgaben zur Einhaltung dieser Bedingungen machen.
Was sind die grundlegenden Komponenten eines Steuergeräts und welche Typen gibt es?
Steuergeräte, auch als Electronic Control Units (ECUs) bekannt, bestehen hauptsächlich aus:
- Mikrocontroller oder Mikroprozessoren: Kernkomponente für die Steuerung von Prozessen.
- RAM und/oder ROM: Für die temporäre bzw. permanente Speicherung von Daten.
- Peripheriegeräte: Weitere Komponenten, die spezifische Aufgaben übernehmen.
Es gibt verschiedene Typen von Steuergeräten:
- Application Specific Instruction Set Processor (ASIP): Optimiert für spezifische Anwendungen mit speziellen Instruktionssätzen.
- Digitaler Signal Prozessor (DSP): Speziell für Signalverarbeitungsaufgaben wie die Fast Fourier Transformation (FFT).
- Application Specific Integrated Circuit (ASIC): Anwendungspezifische integrierte Schaltkreise für hohe Leistungsanforderungen.
- Field Programmable Gate Array (FPGA): Programmierbare Logikbausteine für den Aufbau digitaler Schaltungen.
Welche Rollen spielen Sensoren und Aktoren in eingebetteten Systemen und wie sind sie mit Steuergeräten verbunden?
Sensoren und Aktoren sind die Peripherie von eingebetteten Systemen und übernehmen folgende Rollen:
- Sensoren: Erfassen Eingabeereignisse und wandeln physikalische Größen in elektrische Signale um.
- Aktoren: Setzen elektrische Signale in mechanische Aktionen um und wirken steuernd auf den technischen Prozess ein.
Sensoren und Aktoren können sowohl einzeln als auch über Bussysteme (z.B. CAN, LIN) mit Steuergeräten verbunden sein, die Kommunikation erfolgt über I/O-Schnittstellen.
Warum sind Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandler in eingebetteten Systemen notwendig und wie funktionieren sie?
Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) und Digital-Analog-Wandler (D/A-Wandler) sind notwendig, um die analogen Signale des technischen Prozesses für die digitale Verarbeitung im Steuergerät umwandeln zu können und umgekehrt.
- A/D-Wandler: Wandeln analoge Signale (z.B. Spannungen) in digitale Signale um.
- D/A-Wandler: Wandeln digitale Signale in analoge Signale um.
Diese Wandler können auf verschiedene Weisen in die Signalverarbeitungskette integriert werden: als separate Komponenten, auf derselben Baugruppe mit dem Mikrocontroller oder direkt als Teil des Mikrocontrollers.
Welche Betriebsarten gibt es bei Sensoren in eingebetteten Systemen und wie können Sensoren klassifiziert werden?
Sensoren in eingebetteten Systemen arbeiten entweder im Interrupt-Betrieb oder im Polling-Betrieb.
- Interrupt-Betrieb: Sensoren lösen bei einem Ereignis eine Unterbrechung der aktuellen Verarbeitung aus, auf die das Steuergerät reagiert.
- Polling-Betrieb: Das Steuergerät fragt in regelmäßigen Abständen aktiv beim Sensor nach neuen Ereignissen.
Sensoren können nach verschiedenen Maßgaben klassifiziert werden:
- Ausgabeart: Mechanische, pneumatische, hydraulische oder elektrische Werte.
- Messgröße: Weg, Winkel, Kraft, Druck, Beschleunigung, Temperatur, Gas, etc.
- Wirkungsprinzip: Ohmsch, kapazitiv, induktiv, optoelektronisch, thermoelektrisch, piezoelektrisch, etc.
- Anwendung: Interne Sensoren (erfassen innere Zustände) und externe Sensoren (erfassen äußere Zustände).
- Wertebereich: Binäre, skalare, vektorielle und mustererkennende Sensoren.
Was sind Aktuatoren und welche Funktionen erfüllen sie in eingebetteten Systemen?
Aktuatoren, auch als Aktoren bezeichnet, sind die Verbindungsglieder zwischen dem informationsverarbeitenden Teil eines eingebetteten Systems und dem technischen Prozess. Sie wandeln elektrische Signale in mechanische Arbeit um.
Beispiele für Aktuatoren sind:
- Elektromotoren
- Elektromagnete
- Hydraulische Aktuatoren
- Piezoelektrische Aktuatoren
Aktuatoren sind oft mit Standardschnittstellen wie RS232 oder USB ausgestattet, was eine Systemsteuerung ermöglicht. Sie verwenden heutzutage meist textuelle Kommandos, die selbstdokumentierend sind, um eine Steuerung durch den Benutzer zu erleichtern.
Was ist der Unterschied zwischen einem FPGA und einem ASIC?
Der Name FPGA kommt zum einem von seinem Aufbau als Array von Logikbausteinen
und zum anderen von seiner flexiblen Programmierbarkeit
durch den Anwender. Hierdurch ist auch schon ein wichtiger Unterschied
zu anderen Bausteinen gegeben: Die Funktion eines FPGA ist im voraus
nicht festgelegt und somit kann der Entwickler den Baustein seinen individuellen
Bedürfnissen anpassen. Ein FPGA besteht aus vielen kleinen
Funktionsblöcken. In diesen Funktionsblöcken ist jeweils eine kleine logische
Funktion realisiert. Diese einzelnen Blöcke können über ein Netzwerk
von Verbindungen miteinander verknüpft werden. Durch diese Verknüpfungen
entsteht dann eine personalisierte Schaltung. Im Prinzip ist aber jedes
FPGA auf eine spezielle Anwendung nach seiner Entwicklung und Fertigung
adaptierbar.
ASICs sind dagegen Schaltungen, die für spezielle Anwendungen entworfen
und gefertigt werden. Sie werden auch als semi-custom ICs bezeichnet,
da der Entwurf zum Teil vom Kunden (Auftraggeber) erfolgen kann und
nur noch die Fertigung vom Halbleiterhersteller durchzuführen ist.
Welche Klassifikationsmöglichkeiten für Sensoren kennen Sie?
Es gibt mehrere Klassifikationsmöglichkeiten für Sensoren: Eine erste
Möglichkeit ist nach der Ausgabe, der Messgröße und dem Wirkungsprinzip,
eine zweite die Art der Nutzung der Energie der Messgröße, die in
elektrische Energie gewandelt wird (rezeptive und signalbearbeitende Sensoren).
Ferner können sie in interne und externe Sensoren unterteilt werden
oder einfach nach ihrem Wertebereich unterschieden werden. Die Betriebsarten,
wie das Steuergerät Informationen in Form von Signalen von
Sensoren erhält, sind Polling- oder Interrupt-Betrieb.
Was ist das praktisch ausschließlich verwendete
(elektro-)technische Konzept für Digital/Analog(D/A)-Wandler?
Das praktisch ausschließlich verwendete technische Konzept für Digital/
Analog(D/A)-Wandler ist das der Strom-Summation: Am Eingang eines
Operationsverstärkers werden Ströme aufsummiert, deren Größe der Wertigkeit
der einzelnen Bits in dem umzuwandelnden Digitalwert entspricht.
Was ist ein ASIP
ASIP steht für Application Specific Instruction Set Processor. Es ist ein Prozessor, der von Struktur und Befehlssatz für eine bestimmte Anwendung optimiert ist.
Durch die optimierung ist der ASIP schneller und energieeffizienter für seine Anwendung. Der ASIP ist die Zwischenstelle zwischen einem Allzweckprozessor der in der Regel teurer ist und einer dezidierten Hardware, welche unflexibler ist, da nich programmierbar
Was ist ein DSP
DSP steht für digitaler Signal Prozessor
Ein DSP ist ein spezieller Mikroprozessor, der Befehle (und damit Verarbeitungseinheiten) zur Durchführung von Signal-Verarbeitungs-Aufgaben (beispielsweise für die Fast Fourier Transformation, FFT) besitzt. Er ist dabei auf die häufig vorkommenden Operationen bei der digitalen Signalverarbeitung wie z. B. die schnelle Multiplikation spezialisiert. Der Effizienz der Operationen kommt hierbei ein hoher Stellenwert zu.
Digitale Signal Prozessoren werden beispielsweise in MP3-Decodern, bei der
Bildverarbeitung sowie in der Sprachsignalverarbeitung eingesetzt.
