Arbeitsgruppe Architektur und Entwurf eingebetteter Systeme

Prof. Dr.-Ing. Rolf Ernst

Themengebiet

Schwerpunkt der Forschungsarbeiten ist der Entwurf und die Architektur eingebetteter Systeme. Unter einem eingebetteten System versteht man dabei ein (Mikro-) Computersystem, das in ein technisches System "eingebettet" ist, welches selbst nicht als Computer erscheint. Beispiele hierfür sind die kooperierenden Mikrocomputer in heutigen Kraftfahrzeugen (mehr als 50 in Pkws der gehobenen Klasse), die sehr leistungsfähigen und dennoch sehr energieeffizienten Mikrocomputer in Mobiltelefonen oder die kostengünstigen Mikrocomputer in vielen Gebrauchsgegenständen. Andere Anwendungen, etwa in der Luftfahrt, stellen hohe Anforderungen an die Ausfallsicherheit. Ein wachsender Grad an Vernetzung der eingebetteten Systeme hat zu neuen Themenstellungen der Cyber-physical Systems (Kombination mit Regelungtechnik) geführt. In Verbindung mit dem Internet entsteht das Internet-of-Things, das einerseits dem Internet den Zugang zu der Welt der eingebetteten Systeme ermöglicht, andererseits die eingebetteten Systeme mit den Informationen aus dem Internet versorgt. In beiden Richtungen enstehen neue Möglichkeiten für Forschung und Innovation. 

Aufgabenstellung

Die gemeinsame Eigenschaft der eingebetteten Systeme ist ihre fest vorgegebene Aufgabe, die durch das übergeordnete technische System bestimmt ist, also z.B. durch das Kraftfahrzeug. Ganz im Gegensatz zum PC, der sehr unterschiedliche und immer neue Programme ausführen und damit frei programmierbar bleiben soll, darf man ein eingebettetes System auf die Aufgabe spezialisieren. Bei dieser Spezialisierung wird nicht nur die Software und, wenn vorhanden, das Betriebssystem an die Aufgabe angepasst, sondern auch die Hardware, also die Mikrocomputer und die weiteren elektronischen Komponenten eines Systems. Daraus ergeben sich entscheidende Vorteile, die viele Produkte erst möglich machen. Ein Smartphone etwa enthält, neben Standardprozessoren für die Ausführung von ladbaren Anwendungen (Apps), unterschiedliche spezialisierte Prozessoren und Schaltungen für die Signalverarbeitung im Mobilkanal und für die Graphik. Diese spezialisierten Prozessoren sind wiederum aus vielen an die Aufgabe angepassten Rechenkernen aufgebaut. Die aus dieser "Kooperation" entstehende Leistung ist notwendig weit höher als die eines heutigen PC-Mehrkern-Prozessors. Dennoch verbraucht das System weit weniger Energie, ist leichter und billiger herzustellen. Nur dadurch wird das Produkt wirtschaftlich und funktionell überhaupt attraktiv.

Forschungstrends

Architektur
Ein wichtiger Trend ist die Verlagerung des Interesses von kompakten Einzelprozessoren, die mit Speicher und Peripherie auf einer integrierten Schaltung integriert werden (Systems-on-Chip, SoC) hin zu Multi-core- und vernetzten, verteilten Systemen. In beiden Fällen rückt die Kommunikation zwischen den einzelnen Prozessoren gegenüber dem Prozessor selbst in den Vordergrund („Communication Centric Systems“). Themen wie Network-on-Chip, Real-time Ethernet, drahtlose Netze oder der Einsatz des Internet für die Vernetzung eingebetteter Systeme sind daher zu wichtigen Forschungsthemen eingebetteter Systeme geworden und lassen die Gebiete der Computertechnik und der Kommunikationsnetze zusammenwachsen. Daraus entstehen neue Anwendungen, vor allem Cyber-physical Systems, Systems-of-Systems und das Internet der Dinge (Internet-of-Things), s.o.. Ein weiterer Trend ist der Einsatz von rekonfigurierbaren Schaltungen, deren Hardwarefunktion programmiert werden kann. Damit können Teile der Hardware auf eine Aufgabe spezialisiert werden, ohne eine neue Hardware herzustellen. Dadurch entstehen zusätzliche Freiheiten im Entwurf.

Entwurf
Die neuen Multi-Core-Architekturen und ihre Vernetzung prägen auch den Entwurfsprozess eingebetteter Systeme. Hier hat die Arbeitsgruppe einen Schwerpunkt in den Bereich der Analyse und Optimierung derartiger Systeme hinsichtlich Zeitverhalten, Rechenleistung, Zuverlässigkeit, Sicherheit und Verlustleistung gelegt. Die Vorhersagbarkeit der Entwurfsergebnisse ist dabei ein wichtiges Ziel, um entstehende Risiken beherrschen zu können. Eingebettete Systeme sind dabei nicht mehr durch statische Aufgaben gekennzeichnet, sondern erfordern zunehmend Anpassungen an neue Aufgaben, die über Softwareupdates oder die Veränderung von Hardware- oder Netzwerkkonfigurationen ermöglicht werden. Adaptive und dynamische Systeme bilden daher einen zweiten Schwerpunkt im Entwurf.

Forschungsprojekte

Alle Forschungsprojekte finden Sie auf der englischen Seite.

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