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.

Digitaltechnik und Rechnerarchitektur
Grundlagen von Betriebssystemen
Programmieren in C und Einführung in die Systemprogrammierung unter Linux
Embedded Linux
Sensorik für IoT
IoT-Kommunikation

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.