Beste Programmiersprachen für Embedded-Systeme. Von Mikrocontrollern bis zu fortgeschrittenen Systemen

Eingebettete Systeme sind das Rückgrat der modernen Technologie und treiben alles an – von IoT-Geräten und industrieller Automatisierung bis hin zu Echtzeit-Embedded-Systemen und sicherheitskritischen Systemen. Die Wahl der richtigen Programmiersprache für die Entwicklung eingebetteter Systeme ist entscheidend, da sie sich direkt auf das Speichermanagement, die Hardware-Interaktion und die Systemressourcen auswirkt.

Bei Scythe Studio sind wir auf die Entwicklung eingebetteter Systeme spezialisiert und helfen Unternehmen, die beste Programmiersprache für eingebettete Geräte entsprechend ihren Anforderungen zu wählen. Egal, ob Sie ressourcenbeschränkte Geräte oder komplexe eingebettete Systeme entwickeln – die richtige Sprache gewährleistet Effizienz, Sicherheit und Skalierbarkeit auf verschiedenen Plattformen.

 

C, C++ und Assembler

 

C: Der König der Low-Level-Programmierung

C gehört zu den führenden Programmiersprachen für eingebettete Systeme, insbesondere für Systeme mit begrenzten Ressourcen, die geringen Speicherverbrauch und direkten Hardware-Zugriff erfordern. Mit minimalem Overhead wird C häufig für Gerätetreiber, Echtzeitbetriebssysteme und eingebettete Software verwendet, die strenge Anforderungen an den Energieverbrauch stellt.

Im Gegensatz zu höheren Programmiersprachen bietet C direkten Zugriff auf Hardwarekomponenten, was es ideal für Embedded-Software-Projekte macht, bei denen eine präzise Kontrolle des Speicherverbrauchs erforderlich ist. Allerdings bietet C keine eingebaute Speichersicherheit, was zu häufigen Programmierfehlern wie Pufferüberläufen und Speicherlecks führen kann, was die Entwicklungsprozesse komplexer macht.

 

Übersicht über die C-Sprache

 

Vorteile	Nachteile	Anwendungsfälle
Direkter Zugriff auf Hardwarekomponenten	Keine eingebaute Speichersicherheit, anfällig für Pufferüberläufe	Gerätetreiber, Echtzeitbetriebssysteme
Minimaler Overhead und effizienter Speicherverbrauch	Manuelles Speichermanagement erhöht die Entwicklungs-Komplexität	Low-Power-Embedded-Systeme mit strikten Ressourcenbeschränkungen
Weite Verbreitung und großes Ökosystem	Begrenzte Unterstützung für moderne objektorientierte Programmierung	Systeme, die maximale Energieeffizienz erfordern

 

 

C++: Wenn objektorientierte Programmierung sinnvoll ist

C++ baut auf C auf und erweitert es um objektorientierte Programmierung, wodurch es für komplexe eingebettete Systeme geeignet ist, die sowohl umfangreiche Funktionen als auch niedrige Hardwarezugriffs-Ebene benötigen. Dank der Standard Template Library (STL), Ausnahmebehandlung und Unterstützung moderner Technologien wird C++ häufig in Embedded-Anwendungen verwendet, insbesondere auf Embedded-Linux-Geräten.

Im Gegensatz zu C bietet C++ eine objektorientierte Architektur, die es ermöglicht, wiederverwendbaren Code über verschiedene Plattformen hinweg zu schreiben. Allerdings können Funktionen wie dynamische Speicherzuweisung und zusätzlicher Laufzeit-Overhead bei bestimmten C++-Abstraktionen die Vorhersehbarkeit in Echtzeit-Embedded-Systemen mit strikten Ressourcenbeschränkungen beeinträchtigen.

 

Übersicht über die C++-Sprache

 

Vorteile	Nachteile	Anwendungsfälle
Objektorientierte Programmierung mit umfangreichen Bibliotheken	Größerer Speicherverbrauch im Vergleich zu C	Komplexe eingebettete Systeme mit objektorientiertem Ansatz
Unterstützt die Standard Template Library (STL) für komplexe Anwendungen	Einige Systeme unterstützen keine dynamische Speicherzuweisung auf dem Heap	Industrielle Automatisierung und IoT-Geräte
Bessere Speichersicherheit als C	Längere Kompilierzeiten aufgrund vieler Features	Embedded-Linux-Systeme mit erweiterten Funktionen

 

Mehr über C++ in eingebetteten Systemen? Lesen Sie unseren Beitrag: C++ für Embedded-Systeme

 

 

Warum verwenden wir in den meisten unserer Projekte für eingebettete Systeme C++?

Man kann mit Fug und Recht behaupten, dass C++ eine der am häufigsten gewählten Programmiersprachen für die Entwicklung eingebetteter Systeme ist. Die Anzahl der aktiven Entwickler, der Open-Source-Projekte und der Software, die bereits mit C++ läuft, macht es in vielen Fällen zur besten Wahl.

C++ ist eine Basissprache für verschiedene GUI-Frameworks wie LVGL oder Qt. In unserem Artikel zu diesem Thema erfahren Sie, was Qt ist. Mit beiden Frameworks können Sie visuelle Anwendungen erstellen, wenn Ihr eingebettetes Gerät über einen Bildschirm verfügt. LVGL ist besser für Low-Level-Mikrocontroller geeignet, während Qt ein weitaus leistungsfähigeres Framework ist, das jedoch auch einen erheblichen Overhead mit sich bringt.

 

Assembler: Wenn jedes Byte und jeder Zyklus zählt

Für Echtzeit-Embedded-Systeme, bei denen jede Verarbeitungseinheit zählt, bietet die Assemblersprache den niedrigstmöglichen Overhead und direkten Zugriff auf die Hardware. Diese Low-Level-Sprache ermöglicht die vollständige Kontrolle über Systemressourcen und wird daher häufig für Gerätetreiber und Echtzeitbetriebssysteme mit strikten Timing-Anforderungen verwendet.

Während Assembler absolute Kontrolle bietet, ist es hochgradig hardwareabhängig, was die Portabilität über verschiedene Plattformen hinweg erschwert. Zudem ist die Entwicklung in Assembler zeitaufwändig und fehleranfällig, weshalb sie meist nur für performancekritische Teile der Embedded-Entwicklung eingesetzt wird.

 

Übersicht über die Assemblersprache

 

Vorteile	Nachteile	Anwendungsfälle
Low-Level-Sprache mit direkter Hardware-Interaktion	Schwierig zu warten und zu debuggen	Performance-kritische Echtzeit-Embedded-Systeme
Minimaler Overhead und maximale Leistung	Hochgradig hardwareabhängig, eingeschränkte Portabilität	Ultra-Low-Power-Mikrocontroller
Absolute Kontrolle über Systemressourcen	Langsame Entwicklung im Vergleich zu höheren Programmiersprachen	Gerätetreiber mit Low-Level-Fähigkeiten

 

 

Rust: Die sichere und moderne Alternative

Rust ist eine neue Programmiersprache, die in der Embedded-System-Entwicklung zunehmend an Bedeutung gewinnt – vor allem wegen ihrer Speichersicherheit und Unterstützung für nebenläufige Programmierung. Im Gegensatz zu C und C++ eliminiert Rust Pufferüberläufe, Speicherlecks und andere häufige Programmierfehler, was sie besonders für sicherheitskritische Systeme geeignet macht.

Ein großer Vorteil von Rust ist, dass sie die Kontrolle auf niedriger Ebene ermöglicht, ohne dabei die Leistung zu beeinträchtigen. Sie ist ideal für eingebettete Systeme, die hohe Sicherheit und vorhersehbaren Energieverbrauch erfordern. Allerdings verfügt Rust noch über ein kleineres Ökosystem als C und C++, und manche Embedded-Projekte können durch Einschränkungen bei der Toolchain beeinflusst werden.

 

Übersicht über die Rust-Sprache

 

Vorteile	Nachteile	Anwendungsfälle
Starke Speichersicherheit und Unterstützung für nebenläufige Programmierung	Relativ neue Sprache mit kleinerem Ökosystem	Sicherheitskritische Systeme in der Automobil- und Luftfahrtindustrie
Eliminiert Pufferüberläufe und Speicherlecks	Steile Lernkurve für traditionelle Embedded-Entwickler	Speichersichere Embedded-Projekte
Kein Garbage Collector, reduziert unvorhersehbaren Ressourcenverbrauch	Begrenzte Toolchain-Unterstützung in einigen Embedded-Anwendungen	Ressourcenbeschränkte Systeme mit hohen Anforderungen an Sicherheit und Zuverlässigkeit

Rust hat viele einzigartige Vorteile, und im Internet wird viel darüber geredet, aber das Hauptproblem ist, dass es nicht so häufig verwendet wird. Wir haben eine Menge Leute, die sich bei uns bewerben und Rust zu ihren Fähigkeiten zählen, und wenn wir sie fragen, warum sie nicht nach einer Stelle suchen, bei der sie in Rust programmieren können, sagen sie, dass es nicht genügend Stellenangebote gibt, die Rust beinhalten.

 

 

C# und High-Level-Sprachen: Wann sind sie sinnvoll?

 

Eingebettete Systeme mit vollständiger Betriebssystemunterstützung

C# und andere High-Level-Sprachen eignen sich für eingebettete Systeme, die auf Echtzeitbetriebssystemen oder vollständigen Betriebssystemumgebungen laufen. Im Gegensatz zu Low-Level-Sprachen bieten sie eine schnelle Prototypenerstellung, umfangreiche Bibliotheken und objektorientiertes Design.

Allerdings hat die Entwicklung in C# einen höheren Speicherverbrauch und benötigt mehr Ressourcen, weshalb sie für Echtzeit-Embedded-Systeme mit strengen Energieverbrauchsbeschränkungen weniger geeignet ist.

 

Übersicht über C# und High-Level-Sprachen

 

Vorteile	Nachteile	Anwendungsfälle
Schnelle Entwicklung mit umfangreichen Bibliotheken	Höherer Speicherverbrauch im Vergleich zu Low-Level-Sprachen	Embedded-Entwicklung mit vollständigen Betriebssystemumgebungen
Garbage Collection vereinfacht das Speichermanagement	Für Echtzeit-Embedded-Systeme ungeeignet	Industrielle Automatisierung und IoT
Starke Community-Unterstützung für industrielle Anwendungen und IoT-Geräte	Benötigt erhebliche Ressourcen für effiziente Ausführung	Machine-Learning-Anwendungen auf Embedded-Plattformen

 

 

Andere Programmiersprachen für die eingebettete Programmierung

Der Begriff „Entwicklung eingebetteter Systeme“ ist bereits ziemlich unscharf. Ein eingebettetes Gerät kann ein medizinischer Roboter sein, auf dem ein High-End-PC mit Windows läuft, oder ein kleiner Sensor mit einem winzigen Mikroprozessor. Beide Beispiele entsprechen der Definition von eingebetteten Systemen, da eingebettete Systeme heutzutage „geschlossene Geräte“ bedeuten und es keine Rolle spielt, welche Hardware oder welches Betriebssystem ihnen zugrunde liegt.

Es fällt mir schwer, diese Worte zu schreiben, aber Sprachen wie Dart (für Flutter-Entwickler), das bereits erwähnte C#, Java oder JavaScript können in einigen Fällen auch als eingebettete Programmiersprachen bezeichnet werden. Bevor Sie sich für eine einfache Sprache entscheiden, sollten Sie der Auswahl der richtigen Sprache große Aufmerksamkeit schenken.

 

Es hängt von Ihrem Projekt ab

Obwohl die Wahl einer Programmiersprache für die Entwicklung eines eingebetteten Systems einer der allerersten Schritte ist, die Sie unternehmen müssen, ist es unmöglich, sich einfach für diese Sprache zu entscheiden. Eingebettete Programmierung ist ein komplexes Thema und es gibt eine Menge projektspezifischer Faktoren, die diese Wahl beeinflussen, so dass es schwierig ist, nur eine wirklich beste Sprache zu nennen.

 

Mikrocontroller vs. Embedded-Linux-Geräte

Die Wahl der Programmiersprache für Embedded-Systeme hängt von der Zielhardware ab. Während C und Assembler für den direkten Low-Level-Zugriff auf Mikrocontroller erforderlich sind, eignen sich andere Sprachen wie C++, Rust und C# besser für Embedded-Linux-Geräte, die umfangreiche Bibliotheken und objektorientierte Unterstützung benötigen.

 

Echtzeit-Zwangsbedingungen

Für eingebettete Echtzeitsysteme sind Low-Level-Funktionen und eine vorhersehbare Ausführung entscheidend. Sprachen, die eine Garbage Collection oder Ausnahmebehandlung einführen, sind möglicherweise nicht ideal.

 

 

Hardware-Einschränkungen

Einige Zielplattformen unterstützen möglicherweise nicht alle eingebetteten Programmiersprachen, die wir verwenden möchten. Dies gilt sowohl für die Leistungsfähigkeit der Hardware im Falle von Hochsprachen als auch für die Unterstützung einer bestimmten Architektur oder Toolchain.

 

Ökosystem, Tools und Community-Support

Jede Programmiersprache für Embedded-Entwicklung hat ihr eigenes Ökosystem. C und C++ verfügen über ein etabliertes Embedded-Ökosystem mit bewährten Tools, während Rust aufgrund seiner Sicherheit zunehmend an Beliebtheit gewinnt. C# und andere High-Level-Sprachen bieten eine einfachere Entwicklung, erfordern jedoch spezielle Hardware-Unterstützung.

 

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Bei Scythe Studio sind wir auf die Programmierung eingebetteter Systeme spezialisiert und unterstützen Sie bei der Wahl der richtigen Sprache für Ihr Projekt. Egal, ob Sie mit ressourcenbeschränkten Geräten, komplexer Embedded-Software oder Echtzeitbetriebssystemen arbeiten – unser Team stellt sicher, dass Ihr Code höchste Anforderungen an Leistung, Sicherheit und Zuverlässigkeit erfüllt.

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