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Über dieses Buch

Mit seinem Workshop 2010 zum Thema "Eingebettete Systeme" bietet der Fachausschuss Wissenschaftlern, Nutzern und Herstellern ein Forum an, auf dem neue Trends und Entwicklungen zu folgenden Programmschwerpunkten vorgestellt werden: Sicherheit/Zertifizierung, Echtzeitbetriebssysteme, Softwareentwicklung, Testen, Energieeffizienz, Virtuelle Umgebungen, Multicore-Systeme

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Energieeffiziente Software-Systeme

Der Energieverbrauch von Computer-Systemen nimmt stetig zu. Bereits 2006 sagte das statistische Amt der Europäischen Union voraus, dass im Jahr 2020 bis zu 20% des weltweiten Energieverbrauchs auf Informationstechnik zurückzuführen sein wird. Die von uns durchgeführten Arbeiten (vgl. www.imenco.eu) beschäftigen sich mit der vermuteten Korrelation zwischen ausgeführter Software und dem Energieverbrauch eines IT-Systems, der Identifikation von (eindeutigen) Software-Energiesignaturen sowie Ansätzen zur Spezifikation, Vorhersage und Optimierung von Software-Energiekonsumption.
Bunse Christian, Höpfner Hagen

Notwendigkeit von Metriken für neue Programmiermethoden automatisierungstechnischer Anlagen

Die Softwareentwicklung für Echtzeitsysteme befindet sich im Umbruch. Neben den klassischen, prozeduralen SPS-Programmiersprachen der IEC 61131-3 kommen zunehmend objektorientierte Elemente zum Einsatz, wie sie auch in der objektorientierten Erweiterung der IEC 61131-3 definiert werden. Dieser Artikel erläutert die zu erwartenden Effekte der Umstellung auf die Komplexität und Modularität von automatisierungstechnischen Echtzeitsystemen und auf die Usability der Entwicklungsmethoden von Seiten der Softwareentwickler. Abschließend wird ein Forschungsansatz für die vollständige Komplexitätsmessung von automatisierungstechnischen Echtzeitsystemen für die Erstellung einer domänenübergreifenden Metrikensammlung vorgestellt.
S. Braun, M. Obermeier, J. Schmidt-Colinet, K. Eben, M. Kissel

Entwicklung einer echtzeitfähigen CLI-Laufzeitumgebung für den Einsatz in der Automatisierungstechnik

Bei der Entwicklung hochperformanter Automatisierungslösungen werden höhere Programmiersprachen gegenüber klassischen SPS-Konzepten zunehmend attraktiv. Da es eine Vielzahl von Automatisierungsplattformen gibt, gilt dies insbesondere für plattformunabhängige Sprachen wie Java oder, auf der Common Language Infrastructure (CLI) aufsetzende, Sprachen wie C#. Um die in der Automatisierungstechnik auftretenden Zeitanforderungen einhalten zu können, müssen CLI-Laufzeitumgebungen eine zeitlich deterministische Ausführung garantieren. Dabei treten eine Reihe technischer Herausforderungen auf. Dieser Beitrag diskutiert verschiedene dieser Herausforderungen, stellt Lösungsansätze für die Überwindung der, durch Just-in-Time-Compilierung verursachten, zeitlichen Nichtdeterminismen bei der Ausführung von Anwendungen in der Mono-Laufzeitumgebung vor, und zeigt die Wirksamkeit unseres Ansatzes durch Laufzeitmessungen.
Alexej Schepeljanski, Martin Däumler, Matthias Werner

Design eines Virtual Machine Monitors aufbauend auf einem Mikrokern

Der Mikrokern des PikeOS Betriebssystems (BSs) wird für die hardwareunterstütze Virtualisierung erweitert. Dazu wird ein Design erstellt, welches wie der Mikrokern weitestgehend architekturunabhängig ist und minimale Änderungen am bestehenden BS fordert. Der Mikrokern dient bei dem gewählten Ansatz als Hypervisor und es wird ein Virtueller Maschinen Monitor entwickelt. In dieser Arbeit werden die Grundlagen der Betriebssystemvirtualisierung kurz erläutert und bestehende Ansätze analysiert. Der Schwerpunkt liegt auf dem Erarbeiten eines Designs und dessen Implementierung. Abschließend wird die Implementierung getestet und der gewählte Ansatz diskutiert.
Tobias Stumpf

Echtzeitfähigkeit virtueller Maschinen

Bei der Ausführung von Echtzeitanwendungen in einer Virtualisierungsumgebung ergeben sich regelmäßig Probleme, da hier mehrere Scheduler unkoordiniert auf das Zeitverhalten der Anwendung einwirken. Dies ist jedoch kein grundsätzlicher Fehler des Virtualisierungsansatzes an sich: Virtualisierung wurde bisher überwiegend im Bereich der Server und Workstations eingesetzt, wo in der Regel keine Anforderung der Echtzeitfähigkeit besteht. Dieser Beitrag untersucht zunächst die prinzipielle Möglichkeit, unter einer virtuellen Maschine deterministisches Zeitverhalten sicherzustellen. Im Weiteren wird eine Einschätzung der Kosten geliefert, die dabei in Kauf zu nehmen sind. Dabei wird sowohl auf die Verluste durch prinzipiell unvermeidliche Planungslücken als auch auf die hardwarebedingten Kosten des Umschaltens zwischen virtuellen Maschinen eingegangen.
Robert Kaiser, Dieter Zöbel

Entwurf und Realisierung eines Adapters für UniLoG zur Lastgenerierung an IP-basierten Schnittstellen

Rechnernetze sind allgegenwärtig. Man erwartet, dass die Netze so leistungsstark sind, dass sie die Anforderungen der Anwendungsdienste und ihrer Benutzer erfüllen. Ein Spezialwerkzeug zum Ermitteln der Leistungsfähigkeit der Netze sind Lastgeneratoren. Dieser Beitrag präsentiert einen echtzeitfähigen Lastgenerator für IP-Netze und zeigt seinen Nutzen im Rahmen einer umfangreichen Fallstudie für ein Video-on-Demand-Szenario mit RTSP/RTP in einem WLAN auf Basis des Standards IEEE 802.11g.
Martin Kulas

Superblock-basierte Quellcodeoptimierungen zur WCET-Reduktion

Das Konzept der Superblöcke wurde auf dem Gebiet der Compileroptimierungen in der Vergangenheit bereits erfolgreich zur Optimierung der ACET (Average Case Execution Time) verwendet. Superblöcke sind dabei spezielle Ketten von Basisblöcken, die es erleichtern, Optimierungen über Basisblockgrenzen anzuwenden und somit ein höheres Optimierungspotential zu schaffen. In der vorliegenden Arbeit wurde dieses Konzept zum ersten Mal zur Reduktion der WCET (Worst Case Execution Time) von Programmen für eingebettete Systeme ausgenutzt. Die WCET ist im Kontext der eingebetteten Systeme eine wichtige Metrik, da viele eingebettete Systeme unter Echtzeitbedingungen arbeiten müssen und hierzu eine sichere obere Schranke für die Laufzeit eines Programms unabdingbar ist.
Die vorgestellte Superblockbildung baut auf einem neuartigen Trace-Selektions-Algorithmus auf, der WCET-Daten auswertet. Außerdem wurde das Konzept der Superblöcke zum ersten Mal auf der Quellcodeebene angewandt. Auf diese Weise findet die Optimierung früher statt, so daß eine größere Anzahl nachfolgender Optimierungen von der erzielten Umstrukturierung profitieren kann. Weiterhin wurden die klassischen Optimierungen Common Subexpression Elimination (CSE) und Dead Code Elimination (DCE) an die Anwendung in Quellcode-Superblöcken angepasst. Mit diesen Techniken wurde auf einer Testmenge von 55 bekannten Standard-Benchmarks eine durschnittliche WCET-Reduktion von bis zu 10.2% erzielt.
Timon Kelter

RidersGuide: The First Real-Time Navigation System for Ski Slopes

Although being great fun to exercise, skiing and snowboarding entail the risk of accidents such as any other high-energy participation sport. A factor increasing the risk of accidents is foggy weather, when the view limited to a few meters and safety-critical areas such as crossings, steep areas, obstacles and the edges of the slope cannot be made out. In this paper, we present a prototype of a navigation system supporting the wayfinding of skiers and snowboarders on ski slopes. It consists of a mobile computing device with a GPS receiver and an audio and visual feedback system. In its basic functionality, the prototype recognizes when skiers and snowboarders approach safety-critical areas and generates corresponding warnings. It is moreover capable of guiding skiers and snowboarders down the slope on safe paths to minimize risk with the help of routing instructions. We evaluated our prototype system on ski slopes in Grindelwald and Savognin, Switzerland, in a user study with 20 participants. According to the study, safety warnings, which have to be perceived instantly, are recognized best through spoken audio messages. Contrariwise, video feedback outperforms natural speech regarding routing instructions.
Lino Schmid, Thomas Holleczek, Gerhard Tröster

Rapid Prototyping eingebetteter Systeme zur echtzeitfähigen Sortierung von Schüttgütern

Sensorgestützte Sortiersysteme für Schüttgüter ergänzen oder ersetzen in vielen Bereichen die menschlichen Sichtprüfer. Durch stetige Erhöhung der Anzahl ausgewerteter Merkmale lassen sich immer komplexere Aufgaben lösen, jedoch steigen dadurch auch die Anforderungen an die Auswerteeinheit. Um die Zuordnung eines Klassifikationsergebnisses zu einem Schüttgutobjekt nicht zu verlieren, müssen der Sensor zur Informationsgewinnung und der Aktor zur Ausschleusung nah beieinanderliegen. Aktuelle Systeme verarbeiten Datenmengen von 60 MByte/s und müssen in 40 ms die Informationen klassifizieren, bevor das Schüttgutobjekt den Aktor passiert. Diese Arbeit beschreibt eine modulare Architektur zum Aufbau unterschiedlicher Schüttgutanwendungen, wobei die Echtzeit- und Synchronizitätsanforderung garantiert werden.
Rüdiger Heintz, Robin Gruna, Thomas Längle, Günter Struck

Dezentrale Echtzeitverarbeitung von RFID-Daten

Bis 2013 sollen 80% der Güter des täglichen Bedarfs mit RFID-Etiketten versehen sein [10], um deren Sicht- und Steuerbarkeit in den vielen Stationen der Produktions- und Verteilungsprozesse zu erhöhen. Deshalb befaßt sich dieser Beitrag mit Verfahren, wie die entsprechenden Daten zeitgerecht vom Ort ihrer Erfassung zum Erzeuger weitergeleitet werden können, ohne dabei auf aufwendige, zentralisierte und hierarchische Client-Server-Systeme zurückgreifen zu müssen. Als Alternative wird Strukturbildung in einem sich selbst organisierenden, dezentralen System vorgeschlagen und deren Leistungsfähigkeit durch Simulationen untersucht.
Panchalee Sukjit, Herwig Unger

Ein Regler zur Kollisionsvermeidung von Flugrobotern

Fliegende Roboter werden in letzter Zeit vermehrt nicht nur im Außenbereich, sondern auch innerhalb von Gebäuden eingesetzt. Durch den fehlenden Bodenkontakt können Hindernisse wie z.B. Treppen ohne mechanischen Aufwand überwunden werden. Für rollende Plattformen triviale Operationen, wie über einem Ort in der Luft stehen zu bleiben und nicht mit Hindernissen zu kollidieren, sind hier allerdings komplexe Aufgaben. Schwebende Flugobjekte befinden sich auf einem Luftkissen, das vor allem innerhalb von Gebäuden durch starke Verwirbelungen sehr instabil ist. Dies macht selbst eine stabiles Halten der Position ohne zusätzliche Sensorik oder ohne externes Positionierungssystem schwierig bis unmöglich. In dieser Arbeit wird eine Sensorik vorgestellt, die so genannte Quadrokopter (vier-rotoriges Flugobjekt) erweitert, so dass Hindernisse erkannt und Kollisionen vermieden werden können. Neben einer kostengünstigen und leichtgewichtigen Hardware wurde ebenfalls ein einfacher Regler (auf die Rechenkomplexität bezogen) implementiert, der selbst auf sehr kleine Mikrocontroller portiert werden kann. Aufgrund der geringen Sensorreichweite ist die maximale Geschwindigkeit des fliegenden Objekts stark eingeschränkt.
Jürgen Eckert, Bernd Hügel, Reinhard German, Falko Dressler

IEEE 1588-Leistungstester mit Emulation von Umwelteinflüssen

Um in verteilten Systemen Echtzeit gewährleisten zu können ist eine hochgenaue Zeitsynchronisation in den verteilten Knoten erforderlich. Hier hat sich in den letzten Jahren für Ethernet-Netzwerke der Standard IEEE 1588 etabliert. Für hochgenaue 1588-Implementierungen ist ein gut aufeinander abgestimmtes Hardware-/ Software-Co-Design erforderlich. Insbesondere die deterministische Verarbeitung von Synchronisationstelegrammen innerhalb der Geräte, und die Berechnungen von Regelalgorithmen zur Kontrolle der Laufgeschwindigkeit der lokalen Uhrwerke, sind eine besondere Herausforderung. Daher wird in dieser Arbeit ein Testgerät vorgestellt, welches IEEE 1588-Implementierungen auf Synchronisationsgenauigkeit unter wechselnden Umgebungsbedingungen testet. Umgebungsbedingungen, wie sie im industriellen Umfeld auftreten, sind beispielsweise schwankende Temperatur oder mechanische Belastungen. Die Architektur des Testgerätes muss die Möglichkeit bieten, diese Bedingungen zu emulieren.
Christian Hallas, Daniel Kirschberger, Sebastian Schriegel

Smart Metering: Entwicklung eines intelligenten Stromzählers

Pufferung eines periodischen SPI-Datenstroms für eine blockweise SPI-Verarbeitung
Im Rahmen dieses Beitrags wird anhand des Forschungsprojekts SmartMetering: Disagreggation von Energieverbrauchern die Entwicklung eines intelligenten Stromzählers als eingebettetes System diskutiert. Dabei wird der Fokus auf die notwendige Data Acquisition Card gelegt, welche die analogen Messwerte erfasst und über einen AD-Wandler digitalisiert. Die Messdaten werden vom AD-Wandler kontinuierlich per SPI-Bus bereitgestellt und müssen zwischengespeichert werden. Für diese Aufgabe wird ein FPGA mit angebundenem RAM eingesetzt, so dass die Daten anschließend als Pakete über die USB-Schnittstelle in Echtzeit in das Linux System übertragen werden können.
Dirk Benyoucef, Steffen Mauch

Ein FPGA-basiertes System-on-Chip in der Echtzeitbildverarbeitung

Der Beitrag beschreibt ein System-on-Chip (SoC), das für die Führung von autonomen Fahrzeugen entwickelt wird. Der Schwerpunkt des Entwurfes zielt darauf ab, die rechenintensiven Fahrzeugführungsfunktionen mit einer Hardware-Beschreibungssprache auf die parallele FPGA-Logik abzubilden. Hier wird insbesondere die Modellierung von Bildverarbeitungsfunktionen zur Fahrspurerkennung vorgestellt. Die SoC-Plattform besteht aus einem μController mit Busschnittstellen zu Beschleunigermodulen, die die Rechenfunktionen übernehmen und mit Tasks eines Echtzeitbetriebssystems kommunizieren sollen. Auch mit Taktfrequenzen unter 100 MHz lassen sich durch diese HW-SW-Konfiguration die Echtzeitanforderungen nach Rechtzeitigkeit und Gleichzeitigkeit der digitalen Regelkreise für Kollisionsvermeidung und der Spurführung einhalten.
Bernd Schwarz
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