Unbekannte Helden

Ihr volles Potenzial entfalten die eingebetteten Systeme wohl erst in Zukunft, sagt Prof. Michael Hübner vom Lehrstuhl für Eingebettete Systeme der Informationstechnik an der RUB. Und obwohl die Miniaturrechner bereits heute überall stecken, wissen viele nicht, was sie alles leisten. Also haben wir uns auf die Suche nach diesen unbekannten Helden im typischen Uni-Alltag gemacht – und den Experten um eine Einschätzung gebeten.

06:04

Was hier piept, ist mein Funkwecker. Schlaftrunken versuche ich ihn zum Schweigen zu bringen.

funk Prof. Hübner: „Der Chip im Wecker ist ein eingebettetes System, bestehend aus einem Mikroprozessor und weiteren IP-Cores. (Das sind die Kerne, welche weitere Funktionalität bereitstellen und vom Mikroprozessor verwendet werden.) Er hat über Funk die Atomzeit empfangen, ausgewertet und mit der eingestellten Weckzeit verglichen. Der Summer wurde aktiviert und lässt sich per Tastendruck abschalten. Alles das erledigt der Mikrocontroller und seine eigens für diese Aufgaben entwickelte Software.“

06:30

Ohne Frühstück mit Croissants, RUBENS und heißem Kaffee verlasse ich heute nicht das Haus.

house Prof. Hübner: „Der Kaffee kommt aus einer Maschine, die ein eingebettetes System mit einem Mikroprozessor enthält. Wenn der Kaffee gebrüht wird, muss eine Heizung und eine Pumpe aktiviert werden. Gleichzeitig werden Temperatur, Druck und Flüssigkeitsdurchfluss gemessen. Im Gegensatz zum Wecker haben wir es hier mit einem System zu tun, bei dem Sicherheit eine große Rolle spielt. Das Gerät darf auf keinen Fall zu heiß werden, das Wasser darf nicht überlaufen. Ein solches eingebettetes System muss zertifiziert sein, damit es in einer Kaffeemaschine verwendet werden darf. (Übrigens: Um die Zeitung zu drucken und auszuliefern sind hunderte von eingebetteten Systemen verwendet worden …).“

10:25

In der Uni geht es weiter. Mit dem Laptop in unserer Mitte bereiten wir das nächste Referat vor.

study Prof. Hübner: „Das Laptop gehört nicht zu der Gruppe eingebetteter Systeme. Es ist ein Computersystem, die Benutzer treten hier direkt mit dem Rechner in Kontakt. Bei eingebetteten Systemen ist dies nicht der Fall. Man nutzt sie, ohne den Rechner direkt zu ‚sehen‘. Jedoch ist der Rechner gegebenenfalls mit dem Internet verbunden. Im WLAN-Router ist wiederum ein eingebettetes System mit einem hochleistungsfähigen Prozessor zu finden, der die Funkschnittstelle verwaltet und die Datenpakete empfängt, sendet und verwaltet.“

12:10

Bargeldlos geht es in die Mittagspause. Den Henkelmann bezahle ich routiniert mit meiner Smartcard.

card Prof. Hübner: „Die SMART-Card ist smart, da hier auch ein eingebettetes System enthalten ist. Oft ist in diesen und anderen Karten ein Mikrocontroller integriert, der neben einer ID auch weitere Informationen enthält. Man kennt dies auch bei der Karte der Gesundheitskasse oder Telefonkarte. Die Besonderheit bei solchen Systemen ist, dass sie meist ohne eigene Energieversorgung auskommen. Es genügt ein schwaches magnetisches Feld, um genügend Energie zur Verfügung zu stellen, um den Prozessor samt Sender- und Empfänger für einige Sekunden in Betrieb zu nehmen. Das genügt um eine Bezahlung durchzuführen. Solche Systeme sind ‚Ultra-Low Power Devices‘, eine große Herausforderung im Bereich Embedded Systems.“

16:15

An der Haltestelle via Smartphone checken, ob der Zug am Hauptbahnhof pünktlich ankommt.

smartphone Prof. Hübner: „Das Paradebeispiel für eingebettete Systeme ist das Smartphone. Ein ‚System-on-Chip‘ (das sind dann gleich mehrere Prozessoren und IP-Cores auf einem Chip) ermöglicht das Telefonieren über C-, D-, UMTS, LTE Netz. Alle Standards müssen unterstützt werden. Neben dem Telefonieren kann das Smartphone auch Bilder machen, Spielen, Rechnen und vieles mehr. Heutige Smartphones haben eine Rechenleistung wie ein PC und verfügen über Touch Screens, Mikrophone, Kameras und Taster. Das eingebettete System ist ein sogenanntes ‚Multicore-System‘, mehrere Prozessoren unterschiedlicher Bauart übernehmen parallel die anfallenden Tasks: Telefonieren, Signalverarbeitung für die Funkstrecke, Touch-Screen, Hintergrundtasks des Betriebssystems oder Apps verwalten und so weiter. Das Ganze soll natürlich energiesparend sein, damit die Batterie lange hält. Hier haben wir ein ‚High-Performance Embedded System‘.“

17:00

Auf Knopfdruck geht es los: Jetzt mit dem Auto ins Grüne und noch ein Ründchen rennen.

car Prof. Hübner: „Der Schlüssel muss über Funk einen Code an das Fahrzeug schicken. Dies geschieht durch einen Mikrocontroller, der im eingebetteten System im Schlüssel zu finden ist. Der Code wird trickreich mit einem speziellen Kryptographieverfahren erstellt. Das muss sehr schnell gehen, denn keiner will Sekunden warten bis die Türe sich öffnet. Was im Auto geschieht ist enorm: Je nach Fahrzeugtyp können nun bis zu einhundert Prozessoren aktiviert werden. Diese sind alle in eingebetteten Systemen als ‚Electronic Control Units‘ (kurz ECU) im Auto verbaut und steuern zum Beispiel die Alarmanlage und die Wegfahrsperre. Die meisten ECUs im Auto sind ‚echtzeitfähig‘ und extrem sicher, denn sie müssen sehr zuverlässig funktionieren. Die Entwicklung solcher Systeme ist hoch anspruchsvoll und äußerst interessant. Viele Systeme müssen dreifach redundant ausgelegt werden, damit bei einem Ausfall eines der beiden weiteren Systeme einspringt. Das ist ähnlich wie in der Luftfahrt (bei der man im Übrigen mit tausenden eingebetteten Systemen fliegt).“

17:20

Zehn Kilometer querfeldein: Mit der Smartwatch behalte ich beim Training meinen Körper im Blick.

sport Prof. Hübner: „Die Smartwatch ist ein eingebettetes System, in dem ein Prozessor über Sensoren die Vitalparameter wie etwa Blutdruck und Herzfrequenz misst. Manchmal gibt es auch Sensoren in den Schuhen. Diese vernetzen sich dann drahtlos mit der Smartwatch. Auch hier spielt ‚Ultra-Low Power‘ eine große Rolle.“

20:17

Endlich Beine hoch und rein ins Vergnügen: Mit der Fernbedienung zappe ich durchs Programm.

tv Prof. Hübner: Das Zappen wird ermöglicht durch einen Prozessor in der Fernbedienung. Oft wird über eine Infrarot-Schnittstelle ein sogenannter ‚RC45 Code‘ an der Fernseher gesendet. Das Ganze kommt aus dem eingebetteten System in der Fernbedienung. Im Fernseher oder in der Settop Box beim Sattelitenfernsehen sind oft rund 20 bis 30 Prozessoren verbaut. Manche decodieren das Fernsehsignal (z.B. bei DVB-T etc.), andere steuern den Bildschirm an, manche überwachen die Interfaces wie etwa die Infrarot-Schnittstelle oder Taster. Auch hier sind es die eingebetteten Systeme, die mit einer Software die Funktionalität zur Verfügung stellen, ohne dass man davon etwas mitbekommt. So werden Störungen im Bild und Ton korrigiert oder Daten vom Videotext entschlüsselt. Bei mordernsten Geräten kann man per Geste das Programm umschalten. Diese Smart-TVs verfügen über zusätzliche Kameras und gegebenenfalls einen Touch Screen. Alles das darf nicht viel kosten und muss wenig Strom verbrauchen, so wie eigentlich alle eingebetteten Systeme.“