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Was ist ein Embedded System?

| Autor / Redakteur: Prof. Dr. Christian Siemers * / Sebastian Gerstl

Verschiedene Ausprägungen der Zeit

Bild 5: Übergänge zwischen den Zeitbindungen
Bild 5: Übergänge zwischen den Zeitbindungen (Bild: Siemers)

In den vorangegangenen Abschnitten wurde bereits verdeutlicht: Die Zeit spielt bei den binärwertigen digitalen und den analogen Systemen (Umgebungsprozess) eine Rolle, die genauer betrachtet werden muss. Wir unterscheiden folgende Zeitsysteme:

In Zeit-analogen Systemen ist die Zeit komplett kontinuierlich, d.h., jeder Zwischenwert zwischen zwei Zeitpunkten kann angenommen werden und ist Werte-relevant. Als Folge hiervon muss jede Funktion f(t) für alle Werte t ϵ [-∞, ∞] bzw. für endliche Intervalle mit t ϵ [t0, t1] definiert werden. Zeit-analoge Systeme sind fast immer mit Werte-Analogie gekoppelt. Zusammengefasst wird dies als analoge Welt bezeichnet.

In Zeit-diskreten Systemen gilt, dass das System, beschrieben z.B. durch eine Funktion, von abzählbar vielen Zeitpunkte abhängt. Hierbei können abzählbar unendlich viele oder endlich viele Zeitpunkte relevant sein. Folglich wird jede Funktion g(t) für alle Werte t ϵ N (oder ähnlich mächtige Mengen) oder für t ϵ {t0, t1, … tk} definiert. Zeit-diskrete Systeme sind fast immer mit Werte-Diskretheit gekoppelt, man spricht dann auch von der digitalen Welt.

Zeit-unabhängige Systeme sind Systeme, die keine Zeitbindung besitzen. Dies bedeutet nicht, dass sie über die Zeit konstant sind, sie sind nur nicht explizit daran gebunden.

Hiermit wird deutlich, dass zwischen einer realen Zeit (Außenzeit) und der Programmlaufzeit (Innenzeit) unterschieden werden muss. Die Aufgabe einer Echtzeitprogrammierung besteht also darin, zwischen realer Zeit und Programmlaufzeit eine feste Beziehung herzustellen. Die Zeit-unabhängigen Systeme werden häufig auch als informationstechnische Systeme (IT-Systeme) bezeichnet.

In der Praxis sieht die Kopplung zwischen diesen drei Zeitbindungen so aus, dass Übergänge durch bestimmte Bausteine oder Vorgänge geschaffen werden. Bild 5 stellt dies zusammenfassend dar.

Hieraus lassen sich zwei Probleme identifizieren: Es gibt einen Informationsverlust beim Übergang zwischen der analogen und der Zeit- und Werte-diskreten Welt vor. Dieser Informationsverlust ist seit langem bekannt und ausreichend behandelt. Im System liegt eine Kopplung zwischen isochronen und asynchronen Teilen vor. Die isochronen Teile behandeln den Umgebungsprozess mit gleicher Zeitbindung, während die asynchronen Systemteile ohne Bindung mit eigener Programmlaufzeit laufen, dennoch jedoch algorithmischen Bezug dazu haben. Diese Schnittstelle ist sorgfältig zu planen.

Die im letzten Aufzählungspunkt geforderte sorgfältige Planung der Schnittstelle führt dann zu den Echtzeitsystemen, bei denen die Anforderungen an das IT-System so gestellt werden, dass das System auf einem gewissen Level wieder isochron arbeitet. Auf Echtzeitsysteme gehen wir in einem eigenen Grundlagenbeitrag noch einmal näher ein.

Weitere Randbedingungen für Embedded Systeme

Die Zeit spielt in Embedded Systems aus dem Grund eine übergeordnete Rolle, weil der Rechner in eine Maschine eingebettet ist, deren Zeitbedingungen vorherbestimmt sind. Insofern hat die Zeit eine übergeordnete Bedeutung.

Aber: Es existieren noch weitere Randbedingungen, insbesondere für den Entwurfsprozess:

  • Power Dissipation/Verlustleistung: Welche Durchschnitts- und/oder Spitzenleistung ist vertretbar, gefordert, nicht zu unterschreiten usw.?
  • Ressourcenminimierung: Nicht nur die Verlustleistung, auch die Siliziumfläche, die sich in Kosten niederschlägt, soll minimiert werden.

Als vorläufiges Fazit kann gelten: Entwicklung für eingebettete Systeme bedeutet, eine Entwicklung mit scharfen und unscharfen Randbedingungen durchzuführen.

Hinweis: Dieser Beitrag ist ein Auszug aus dem Handbuch „Embedded Systems Engineering“. Es ist auch als kostenlose PDF-Version verfügbar.

* Prof. Dr. Christian Siemers lehrt an der Technische Universität Clausthal und arbeitet dort am Institut für Elektrische Informationstechnik (IEI).

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