Embedded-System-Begriffe, die IoT-Admins kennen müssen

Embedded Systems

Embedded Systems kombinieren Hardware und Software, um eine bestimmte Funktion auszuführen, zum Beispiel Temperaturmessung, Datenweiterleitung, Datenüberwachung oder die Versorgung eines Elektromotors. Sie sind entweder programmierbar oder haben feste Funktionen. Beispiele sind Autos, Smartphones, Industriemaschinen und medizinische Geräte. IoT-spezifische Anwendungsfälle sind Wearables, Drohnen und intelligente Haushaltsgeräte.

Embedded Systems funktionieren oft als Teil eines größeren Geräts, sind aber Computersysteme. Sie können eine Vielzahl von Benutzerschnittstellen haben: keine Benutzeroberfläche, eine komplexe grafische Benutzeroberfläche, Tasten, LEDs, Touchscreens oder eine Fernsteuerung.

Zu diesen Systemen gehören auch ein Prozessor, eine Stromversorgung, ein Speicher und Kommunikationsanschlüsse. Über die Kommunikationsanschlüsse werden Daten über ein spezielles Protokoll an den Prozessor und die Peripheriegeräte übertragen.

Die Software des Embedded Systems ist oft extrem spezialisiert, um eine einzige gewünschte Funktion auszuführen. In den meisten Fällen verwenden die Ingenieure eine abgespeckte Linux-Distribution, können aber auch Windows IoT oder Embedded Java für das System einsetzen.

Beispiele für Embedded Systems sind mobile, vernetzte, eigenständige und Echtzeit-Systeme:

• Mobile Embedded Systems sind für den portablen Einsatz konzipiert. Zu den Anwendungsfällen gehören Smartphones oder Digitalkameras.
• Vernetzte Embedded Systems werden an ein Netzwerk angeschlossen und geben Daten an andere Systeme weiter. Dabei kann es sich um Haussicherheits- oder Kassensysteme handeln.
• Standalone Embedded Systems sind nicht auf ein Host-System angewiesen. Sie führen eine spezielle Aufgabe aus und sind nicht Teil eines größeren Computersystems. Oft handelt es sich um digitale Armbanduhren, Taschenrechner oder Haushaltsgeräte.
• Real-Time Embedded Systems liefern in vorgegebenen Zeitintervallen eine bestimmte Ausgabe. Ein Beispiel hierfür ist ein Verkehrsleitsystem. Diese Art von Embedded Systems wird aber auch häufig für unternehmenskritische Anwendungsfälle eingesetzt.

Admins können die Technologie auch anhand von Leistungsanforderungen oder Architekturen kategorisieren.

System on a Chip

Ein System on a Chip (SoC) ist ein Mikrochip, der alle elektronischen Schaltungen für ein System auf einem einzelnen integrierten Schaltkreis enthält. Diese Technologie findet sich in kleinen, komplexen Geräten der Unterhaltungselektronik, wie Smartphones, Wearables und IoT-Sensoren.

Ein Geräuscherkennungsgerät könnte einen Analog-Digital-Wandler, einen Speicher, eine E/A-Logiksteuerung und einen Mikroprozessor auf einem Chip enthalten, den die Entwickler in ein Gerät integrieren können. Andere SoC-Konfigurationen können einen Beschleunigungsmesser und einen Gyroskopsensor zur Bewegungsverfolgung enthalten.

Anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis

Ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (Application-Specific Integrated Circuit, ASIC) ist ein Mikrochip, der für einen speziellen Anwendungsfall hergestellt wird. Im Gegensatz zu Mikroprozessoren oder Speicherchips führen ASICs in der Regel nur ein bestimmtes Übertragungsprotokoll oder -verfahren aus; ASICs sind auch ein Beispiel für SoCs.

Immer mehr Unternehmen setzen ASICs für IoT-Geräte ein, da sie im Vergleich zu Allzweck-Computerchips einen kleineren Formfaktor, einen geringeren Stromverbrauch und niedrigere Kosten aufweisen. Außerdem können die Anbieter ASICs in großem Maßstab herstellen.

Echtzeitbetriebssystem

Echtzeitbetriebssysteme (Real-Time OS, RTOS) wurden entwickelt, um Aktionen innerhalb einer bestimmten Zeitspanne zu garantieren. Sie unterstützen oft kritische Systeme und Geräte, die zeitabhängig sind. Echtzeitbetriebssysteme messen die Zeit in Millisekunden, um sicherzustellen, dass alle Fristen eingehalten werden.

Diese Betriebssysteme haben ähnliche Funktionen wie Allzweckbetriebssysteme, enthalten aber einen Scheduler, damit das System die Fristen für Aufgaben erfüllen kann. Zu den Hauptmerkmalen eines RTOS gehören geringer Platzbedarf, hohe Leistung, Determinismus, Sicherheitsprotokolle, prioritätsbasierte Zeitplanung und Zeitinformationen. Mit diesen Merkmalen bietet ein RTOS Multitasking, Prozess-Thread-Priorisierung und Interrupt-Level-Funktionalität.

Echtzeitbetriebssysteme verwalten gleichzeitig mehrere Prozesse, reagieren auf Ereignisse in einem vorher festgelegten Zeitrahmen und überwachen die Priorität von Aufgaben. Aufgrund dieser Eigenschaften sind sie für Embedded Systems geeignet, die Echtzeitoperationen oder Datenerfassung erfordern.

Zu den Anwendungsfällen für ein RTOS gehören Antiblockiersysteme, medizinische Systeme, PCs, Kameras und Flugsicherungssysteme.

Digitale Signalverarbeitung

Bei der digitalem Signalverarbeitung handelt es sich um eine Sammlung von Techniken, die zur Verbesserung der Genauigkeit und Zuverlässigkeit der digitalen Kommunikation beitragen. Diese Techniken dienen dazu, die Pegel oder Zustände eines digitalen Signals zu klären. Die Schaltkreise, die die digitale Signalverarbeitung durchführen, sind so konzipiert, dass sie zwischen vom Menschen verursachten Signalen und allgemeinem Rauschen unterscheiden können.

Rauschen, das heißt unerwünschte elektrische oder elektromagnetische Energie, ist für drahtlose Systeme ein größeres Problem als für festverdrahtete Geräte. Unerwünschtes Rauschen kann Dateien und die Text-, Bild- oder Audiokommunikation beeinträchtigen; außerdem verschlechtert es die Signal- und Datenqualität.

Zwei traditionelle Methoden zur Verringerung des Signal-Rausch-Verhältnisses sind die Erhöhung der übertragenen Signalleistung und der Empfängerempfindlichkeit. Durch Anpassungen können Audiotechniker die Empfindlichkeit des Empfängers verbessern und damit die Qualität des empfangenen Signals.