Embedded Systems (ES)

Belegbar Sommersemester
ECTS-Punkte 10 (ca. 300 Stunden)
Fachgebiet Praktische Informatik

Ziel des Moduls

Eingebettete Systeme sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken und finden in sehr vielen Bereichen ihre Anwendung wie z.B. in der Telekommunikation (Einsatz von LPWAN – LoRa usw.), der Haushalts- und Unterhaltungselektronik (Smart Home), der industriellen Steuerungs- und Automatisierungssysteme (Smart Industry) und Datenerfassung (Smart City, Smart Energy, Smart Farming). Sie werden in Zukunft eine dominierende Rolle übernehmen und in vielen Bereichen die bisher eingesetzten weniger flexiblen Lösungen ersetzen.

Dieses Modul führt ein in den Bereich der "Eingebetteten Systeme". Sie erhalten einen Einblick in deren zukünftige Bedeutung, lernen die theoretischen Grundlagen der Arbeitsweise kennen und üben im Rahmen einer viertägigen praktischen Phase die Konfiguration und Inbetriebnahme solcher Systeme.

Inhalt des Moduls
  • Digitaltechnik und Rechnerarchitektur
  • Grundlagen von Betriebssystemen
  • Programmieren in C und Einführung in die Systemprogrammierung unter Linux
  • Embedded Linux
  • Sensorik für IoT
  • IoT-Kommunikation
Inhalt im Detail

ES 1: Digitaltechnik und Rechnerarchitektur
Autoren: Prof. Dr. Helmut Bollenbacher, Hochschule Koblenz/Prof. Dr. Peter Liell, Hochschule Kaiserslautern

  • Digital - Analog: Was ist Digital?; Codierung
  • Darstellung von Zahlen: Polyadische Zahlensysteme; Duales Zahlensystem; Oktalsystem; Hexadezimalsystem
  • Logische Verknüpfungen - Schaltalgebra: Formalismen und Definitionen; Algebraische Eigenschaften aussagenlogischer Verknüpfungen; Schaltnetze; Minimierung von Schaltfunktionen
  • Schaltwerke: Kippstufen; Bistabile Kippstufen; Endliche Automaten
  • Rechnerarchitekturen: Die Architektur des "Von-Neumann-Rechners"; Die Architektur des Harvard-Rechners; SIMD-Rechner; Rechner mit CISC- und RISC-Befehlssätzen
  • Rechnerbaugruppen: Speicher; CPU; Bussysteme

ES 2: Grundlagen von Betriebssystemen
Autor: Prof. Dr. Carsten Vogt, Technische Hochschule Köln

  • Die Kurseinheit ist als Begleittext zu dem Buch "Mandl, Peter: Grundkurs Betriebssysteme, Verlag Springer Vieweg" konzipiert.
  • Einführung: Computersysteme, Entwicklung von Betriebssystemen
  • Betriebssystemarchitekturen und Betriebsarten: Zugriffsschutz in Betriebssystemen; Betriebssystemarchitekturen; Klassische Großrechnerbetriebsarten; Terminalserver-Betrieb; Verteilte Verarbeitung
  • Interruptverarbeitung: Interrupts; Systemaufrufe
  • Prozesse und Threads: Prozesse; Threads; Programmiermodelle für Threads; Prozesse und Threads in konkreten Betriebssystemen
  • CPU-Scheduling: Scheduling-Kriterien; Scheduling-Verfahren; Vergleich ausgewählter Scheduling-Verfahren
  • Synchronisation und Kommunikation: Grundlegendes; Konzepte; Synchronisationstechniken moderner Betriebssysteme; Synchronisationsmechanismen in Programmiersprachen; Kommunikation von Prozessen und Threads
  • Hauptspeicherverwaltung: Grundlegende Betrachtungen; Virtueller Speicher; Speicherverwaltung in ausgewählten Systemen

ES 3: Programmieren in C und Einführung in die Systemprogrammierung unter Linux
Autor: Prof. Dr. Helmut Bollenbacher, Hochschule Koblenz

  • Einführung in die Programmiersprache C: Vor- und Nachteile der Sprache; Ein erstes C-Programm; Namen und reservierte Schlüsselwörter; Elementare Datentypen; Arrays, Strukturen, Unions und Zeiger; Operatoren; Kontrollstrukturen; Funktionen; Präprozessor-Anweisungen; Geltungsbereiche von Bezeichnern; Speicherklassen; Notwendigkeit und Vorteile einer Stilfibel
  • Linux-Systemtreiber: Hardwarezugriffe; Hardwarezugriffe aus dem User-Space; Systemtreiber aus Applikationssicht; Ladbare und nicht ladbare Systemtreiber; Block- und zeichenorientierte Treiber
  • Erstellen von Systemtreibern: Hallo-Welt-Treiber; Aufbau eines minimalen Systemtreibers; Beispiel: Null-Device-Systemtreiber; Testen von Treibern; Interruptverarbeitung im Treiber; Treibererweiterungen; Nützliche Regeln für Treiberentwicklung

ES 4: Embedded Linux
Autoren: Prof. Dr. Helmut Bollenbacher, Hochschule Koblenz

  • Embedded Systems - warum Linux?
  • Grober Aufbau eines Embedded Systems unter Linux
  • Entwicklungs- und Testwerkzeuge
  • Skript-Programmierung (Bash)
  • Datenträger
  • Umgang mit Dateisystemen
  • Einsatz von Filesystemen beim Kernelstart
  • Busybox
  • Bootlader
  • Schnittstellen für Input/Output
  • GNU General Public License

ES 5: Sensorik für IoT
Autor: Prof. Dr. Helmut Bollenbacher, Hochschule Koblenz

  • Internet of Things
  • Smart Technologies: Smart Home; Smart Garden; Smart Citys; Smart Industries; Smart Energy; Smart Farming
  • Messdatenerfassung: AD-Wandler; DA-Wandler; Abtastung; Linearisierung
  • Sensorik: Strom-/Spannungsmessung; Staubpartikelsensor; Kraftmessung; Vibrationen/Schwingungen; Helligkeit; Überwachung der Luftqualität; Magnetfeld; Füllstandmessungen; Bewegungsmanipulation; Wasserlecksensoren
  • Energy Harvesting: Energy Harvesting Principle; Batterienutzungsdauer; Piezoeffekt; Peltierelemente

ES 6: IoT-Kommunikation
Autor: Prof. Dr. Helmut Bollenbacher, Hochschule Koblenz

  • Funktechnik: Wellenausbreitung; Antennentechnik; ISM-Frequenzbänder; Maximierung Entfernung/Batterienutzungsdauer; Antennenwahl und -montage (best practice)
  • LoRa: LoRa; LoRa-Spezialitäten; Das Spreadspektrum-Modulationsverfahren; LowPowerWAN: Nodes/Gateways/Repeater
  • Sigfox: Sigfox; Das BPSK-Modulationsverfahren; Das Sigfox-Netzwerk
  • ThingSpeak ist eine IoT-Cloud der Fa. Mathworks. Mit Hilfe von ThingSpeak wird exemplarisch geübt, wie Daten geladen, visualisiert und analysiert werden.
  • Der Umgang mit dem Nachrichtenprotokoll (MQTT ) wird geübt, das sich besonders bei der Datenübertragung über Strecken mit geringer Bandbreite und/oder IoT-Geräten mit hoher Latenzzeit bewährt hat.
Umfang des Moduls
  •  6 Lehrhefte mit Übungsaufgaben
  • Lehrbuch
  • Software
  • Praktische Phase (4 Tage zzgl. Prüfungstag) - Art der Durchführung
Empfohlene Vorkenntnisse

Grundkenntnisse in einer Programmiersprache.

Kursdauer
1 Semester

Kosten
zur Kostenübersicht Einzelmodule

Abschluss
Das Modul ist verwendbar für die Abschlüsse:

Leseprobe

Lehrbuch
(in den Modulkosten enthalten)
Grundkurs Betriebssysteme

Lehrhefte
ES 2: Grundlagen von Betriebssystemen, Vorbemerkungen, Inhaltsverzeichnis, Kapitel 2
ES 4: Embedded Linux, Vorwort, Inhaltsverzeichnis, Kapitel 1-2

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