Einfuehrung in Embedded Systeme

Von Maschinencode bis Rust (und mehr)

24.01.2025

Was sind Embedded Systeme?

Was sind Embedded Systeme?

• Systeme, die speziell für bestimmte Aufgaben konzipiert sind
• Automotive (Steuergeräte)
• Medizintechnik (Herzmonitor)
• IoT-Sensoren (Temperaturüberwachung)
• Haushaltsgeräte (Kaffeemaschinen)
• Luftfahrt (Flugsteuerung)
• Arbeiten unter Hardware- und Energieeinschränkungen

Server/Client vs. Embedded

Hardware-beschraenkungen

• Wenig Speicher: KB statt GB
• Limitierte CPU-Leistung: MHz statt GHz
• Meist Single-Core-System
• Keine GPU Rechenleistung
• Energieverbrauch: Batteriebetrieben, Energieeffizient
• Beispiel: ESP32 (160 MHz, 400 KB RAM, 4 MB Flash)
• Gegenbeispiel: Heimrechner (8 x 3,60Ghz, 128GB Ram, 12TB Speicher, RTX4070 GPU)

Harte Echtzeit

• Definition: Garantierte Antwortzeit in Millisekunden
• Beispiele:
• Airbags (≤ 10 ms)
• Motorsteuerung (≤ 1 ms)
• Herausforderungen:
• (Predictable) Scheduling
• Kein Platz für „Garbage Collection“
• Random Number Generators sehr rechenintensiv

Funktionale Sicherheit

• Ziel: Vermeidung von Risiken durch Systemfehler
• Beispiele:
• ISO 26262 (Automotive)
• IEC 61508 (Industrie)
• Praktische Auswirkungen:
• Redundante Hardware
• Verifikation und Validierung
• Testanforderungen (Four Eye)

Zuverlaessigkeit und Lebenszyklus

• Anforderungen:
• Langzeitstabilität: 10+ Jahre Betrieb
• Robust gegen äußere Einflüsse (Temperatur, Feuchtigkeit, mechanischer Natur)
• Geringe Wartung: Firmware-Updates oft schwierig
• Beispiel: Steuergeräte in Fahrzeugen

Vielfalt der
Embedded Welt

• Automotive: Harte Echtzeit, Sicherheit
• Medizintechnik: Verlässlichkeit, Validierung, Präzision
• Luftfahrt: Redundanz, Zertifizierung
• Kaffeemaschinen: Kosteneffizienz, Benutzerfreundlichkeit
• IoT-Sensoren: Energieeffizienz, Netzwerkkonnektivität

Software
-
Sprachen

Maschinencode und Assembler

• Maschinencode: Direktes Arbeiten mit Binärdaten (z.B. 10101010)
• Assembler: Menschlich lesbare Abstraktion
• Beispiel Assembler

MOV AL, EAX
ADD AL, 200
OUT 0x64, AL

• Sehr fehleranfällig und schwer wartbar
• Von Prozessorarchitektur abhängig

Assembler

Von Assembler zu C

• Einführung von Abstraktion
• Besser lesbar: “int a = 5;“
• Portabilität zwischen Architekturen

void setLED() {
GPIO- > OUT = 0x01;
}

• + Modularisierung durch Funktionen & Methoden
• + Schnellere Entwicklung
• + Leichtere Fehlersuche
• - ABER: Keine Memory Safety!
  Keine Systemfehler zur Compiletime!

C Upgrade ++

• + Klassen und Objekte: Wiederverwendbarkeit
• + Abstraktion: LED als Objekt

class LED {
public:
void on() { GPIO->OUT = 0x01; }
};

• - Größere Codebasis
• - Schwer zu debuggen in Embedded-Umgebungen
• - ABER: Keine Memory Safety!
  Keine Systemfehler zur Compiletime!

Zukunft Rust

• + Ownership-Modell verhindert Speicherfehler
• + Kein Nullpointer-Dereferenzieren
• + Effizienz: Low-Level wie C, aber sicherer
• + Hardware Abstraktion durch HAL

let p = embassy_stm32::init(Default::default()); // Peripherie
let mut led = Output::new(p.PC13, Level::High, Speed::Low);

loop {

led.set_high();

Timer::after_millis(1000).await;

led.set_low();

Timer::after_secs(1).await;

}

• Moderne Toolchain: Rustup, Cargo, probe-rs
• + Nicht nur für Embedded geeignet

Quick Recap

Hardware
MCU

Arduino

Arduino

• Schnellstart für Maker und Profis
• Einfach zu programmieren mit Arduino IDE
• Riesige Community und Bibliotheken
• Anwendungsfälle: Prototyping, Bildungsprojekte

Beispiel in Arduino IDE (C ähnlich)

void setup() {
pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
}
void loop() {
digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);
delay(1000);
digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
delay(1000);
}

STM32

STM32

STM32

STM32

• Der Klassiker für Embedded-Entwicklung
• ARM Cortex-M, 72 MHz, 64 KB RAM, bis 512 KB Flash
• Viele Varianten (Low-Power, High-Performance)
• Besonderheit: Umfangreiche Peripherie (CAN, I2C, SPI, ADC)
• Anwendungsfälle: Industrie, Automotive, Medizintechnik

ESP32

ESP32

• WLAN und Bluetooth in einem Modul
• ARM Cortex-M/32-Bit RISC-V (2021), 160 MHz, 400 KB SRAM, 4 MB Flash
• WLAN 802.11 b/g/n, Bluetooth 5.0
• Anwendungsfälle: IoT-Geräte, Smart Home
• Besonderheit: Preisgünstig und vielseitig

Beispielcode (Rust)

let wifi = Wifi::new();
wifi.connect(“SSID”, “password”);

Embedded
Architektur

Softwarearchitektur in Embedded-Systemen

• meist Layered Architecture
• Hardware-Abstraktionsschicht (HAL)
• Betriebssystem oder Scheduler
• Applikationslogik
• Vorteile
• Geringe Größe
• Modularität
• Wiederverwendbarkeit
• Einfachere Fehleranalyse
• Beispiel: RTOS-basierte Architektur
• Tasks für Sensoren, Kommunikation und Steuerung
• Energiesparzyklen/-Modi

Systemarchitektur

• Co-Design von Hardware und Software
• Ressourcenbeschränkungen früh berücksichtigen
• Interface-Definition zwischen Modulen festlegen
• Beispiel
• Kommunikation über SPI/I2C zwischen Microcontroller und Sensor
• Kommunikation zwischen Microcontroller über UART
• Echtzeitsteuerung von Aktoren über PWM

Systemarchitektur Herausforderung

• Synchronisation zwischen Software- und Hardwareentwicklung
• Starke Einflüsse von außen (Wetter, Zugänglichkeit, Versorgung)
• Änderungen der Sensoren/Aktoren haben starke Auswirkung auf Software
• Wechselnde Anforderungen des Kunden

Beispiel: IoT-Geraet

• Anforderungen
• Periodisches Auslesen eines Sensors
• Senden der Daten über WLAN
• Hardware: ESP32 + DHT22 (Temperatursensor)
• Software
• FreeRTOS für Multitasking
• MQTT für Datenübertragung
• Beispiel (Rust)

let mut sensor = Dht22::new(pin);
let temperature = sensor.read_temperature()?;
mqtt.publish(“sensor/temp”, temperature);

Zusammenfassung

• Embedded-Systeme sind vielseitig und anspruchsvoll
• Rust ist ein vielversprechendes Tool
• Sicherheit
• Effizienz
• Modernes Ökosystem
• Plattformen wie ESP32, STM32 und Arduino ermöglichen schnelle Prototypenentwicklung
• Architektur und Anforderungsanalyse sind entscheidend für den Erfolg

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& Diskussionen

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