Viele Menschen denken, dass Projekte nur dann als Embedded Systems gelten, wenn sie auf spezialisierten, hardwaretechnischen Geräten laufen. Das ist jedoch nicht wahr. Embedded Systeme können auf jedem Gerät basieren, einschließlich PC-Desktops. Sie können hochwertige medizinische Geräte oder IoT (Internet of Things)-Geräte sein.

Wie kann ich also ein Embedded System präzise beschreiben? Eines Tages hatte ich das Vergnügen, mit einem erfahrenen Embedded Software Ingenieur zu sprechen, und ich stellte ihm diese Frage. Seine Antwort war prägnant, und ich unterstütze sie von ganzem Herzen. Ein Embedded System ist ein geschlossenes System, was bedeutet, dass es sich um ein System handelt, bei dem man nicht wirklich in der Lage ist, das Verhalten in eine andere Richtung zu ändern, als es ursprünglich geplant war.

Sehen Sie, wie wir die Entwicklung von Embedded Systemen für unsere Kunden angehen.

 

Definition von Embedded Software

Embedded Software ist eine spezialisierte Art von Software, die entwickelt wurde, um dedizierte Steuerungsfunktionen innerhalb geschlossener Geräte auszuführen. Sie arbeitet innerhalb von Hardwaresystemen, um zu steuern, wie sich das Gerät verhält und wie es mit der Außenwelt interagiert.

Die Entwicklung von Embedded Software erfordert ein tiefes Verständnis der Hardwareeinschränkungen und wie diese die Leistung beeinflussen. Im Gegensatz zu Software für allgemeine Zwecke ist Embedded Software eng mit den Hardwarekomponenten integriert und erfordert häufig spezialisierte Programmier- und Entwicklungstools, um eine optimale Leistung zu gewährleisten. Sie ist speziell für Geschwindigkeit, Größe und Energieverbrauch optimiert, um die Anforderungen des Geräts zu erfüllen. Ohne Embedded Software könnte das Gerät seine beabsichtigte Funktion nicht ausführen.

Je nach Fall kann sich die Embedded Software-Entwicklung stark von der Entwicklung von Web- oder mobilen Anwendungen unterscheiden. Schließlich könnte beim Schreiben von Software sogar etwas kaputt gehen. Die Hardwarefähigkeiten sind etwas, das jeder Embedded Systems Ingenieur im Kopf behalten muss. Embedded Software-Entwicklung erfordert viele Fähigkeiten, Geduld (empfehlen Sie mir auf LinkedIn, wenn auch Sie stundenlang ein Linux-Image gebaut haben)) und Aufmerksamkeit.

 

Embedded Software vs. Firmware

Obwohl die Begriffe häufig austauschbar verwendet werden, gibt es einige Unterschiede zwischen Embedded Software und Firmware. Firmware ist eine Art von Embedded Software, die normalerweise im Flash-Speicher gespeichert wird und die Steuerung auf niedriger Ebene für Hardware bietet. Firmware wird in der Regel in Maschinencode geschrieben und selten aktualisiert, sie läuft auf Geräten wie Routern, Tastaturen oder einfachen Geräten, die auf grundlegenden Komponenten basieren.

Embedded Software hingegen ist breiter, potenziell komplexer und kann aktualisiert oder ersetzt werden. Sie kann Betriebssysteme, Gerätetreiber, Anwendungen und Kommunikationsschichten umfassen, die auf Geräten wie medizinischen Instrumenten, industriellen Controllern und IoT-Geräten ausgeführt werden.

 

Wie Embedded Software funktioniert

Embedded Software arbeitet an der faszinierenden Schnittstelle von Hardware und Software, wo beide Welten in perfekter Harmonie arbeiten müssen. Stellen Sie sich den Motor eines Autos vor: Sie können den besten Motor haben, aber ohne das richtige Benzin und präzises Abstimmen wird er sein volles Potenzial nicht erreichen. Ebenso muss Embedded Software auf die Hardware, die sie steuert, bis ins kleinste Detail abgestimmt werden.

Die Magie beginnt, sobald Sie den Einschaltknopf drücken, da die Software sofort übernimmt und das Gerät zum Leben erweckt. Sie durchläuft nahtlos die anfänglichen Bootprozesse, wie ein Dirigent, der ein Orchester leitet, bevor sie die Kontrolle an die Hauptanwendung übergibt, mit der die Benutzer interagieren.

Typischerweise verwaltet die Software grundlegende Funktionen, einschließlich der Kommunikation mit der Hardware und Peripheriegeräten. Zusätzlich kann sie Anwendungssoftware enthalten, die benutzerseitige Komponenten wie eine Benutzeroberfläche (UI) ausführt und es dem Gerät ermöglicht, mit Benutzern oder anderen Geräten zu interagieren.

Ein Embedded System besteht in der Regel aus:

 

1.  Der Kern: Mikrocontroller (MCU) oder Mikroprozessor (MPU)

Embedded Systeme verlassen sich auf einen Mikrocontroller (MCU) oder Mikroprozessor (MPU), um als das „Gehirn“ zu fungieren. Diese sind oft zusammen mit einem System on Module (SoM) und einer Carrier Board (CB) zusammengebaut, die wesentliche Komponenten und Verbindungen für einen nahtlosen Betrieb integrieren.

 

MPU für eingebettete Qt-Software

 

2. Peripheriegeräte: Brücke zwischen der digitalen und physischen Welt

Die Betriebssystemebene kann von einer minimalen Bare-Metal-Konfiguration bis hin zu einer komplexeren Lösung wie einem Echtzeitbetriebssystem, benutzerdefinierten Linux-Bauten (mit Yocto Project oder Buildroot) oder sogar vollständigen Betriebssystemoptionen wie Ubuntu und Windows reichen, je nach den Anforderungen des Systems.

 

3.  Software-Stack: Treiber, Programmiersprachen und Frameworks

Der Software-Stack besteht aus einer oder mehreren Anwendungssoftware, die mit einer Vielzahl von Embedded Software-Entwicklungstools, -sprachen und -frameworks entwickelt wurde. Die Wahl der richtigen Programmierumgebung ist entscheidend. Bei Scythe Studio bevorzugen wir C++, Rust und Python für die Entwicklung und verwenden häufig das Qt-Framework für grafische Benutzeroberflächen. Weitere Informationen finden Sie in unserem Beitrag „Was ist das Qt-Framework?“. Die Wahl der richtigen Softwaretools, des Betriebssystems und der tatsächlichen Hardwarekomponenten ist eine Herausforderung für die meisten Embedded Software-Ingenieure, da sie stark von der Bewertung der Anforderungen des Projekts abhängt.

 

Praktisches Beispiel: Patientenüberwachungsgerät für Vitalparameter

Ein großartiges Beispiel für ein Embedded Gerät ist ein Patientenüberwachungsgerät für Vitalparameter, das entwickelt wurde, um wichtige Gesundheitsindikatoren wie Pulsrate und Blutsauerstoffsättigung in Echtzeit zu verfolgen. Dieser Typ medizinisches Gerät muss Daten mit hoher Präzision und Frequenz sammeln, um sicherzustellen, dass es die strengen Sicherheits- und Genauigkeitsstandards erfüllt, die für eine kontinuierliche Patientenüberwachung erforderlich sind. Das Embedded System verarbeitet in Echtzeit Daten von Sensoren und zeigt diese auf einer Benutzeroberfläche an, sodass medizinisches Fachpersonal schnelle und fundierte Entscheidungen treffen kann.

 

Eingebettetes medizinisches Gerät

In diesem Bild sehen Sie eine Anwendung, die entwickelt wurde, um eine zuverlässige und effiziente Methode zur Überwachung der Patienten Gesundheit zu demonstrieren, wobei der Fokus auf der hohen Datenakkuratesse liegt. Durch die Kombination von Echtzeit-Datenverarbeitung und einer benutzerfreundlichen Oberfläche veranschaulicht das System, wie Embedded Software verwendet werden kann, um praktische, lebensrettende Lösungen im medizinischen Bereich zu schaffen.

 

Herausforderungen in der Embedded Software Entwicklung

Die Erstellung von Embedded Software ist keine leichte Aufgabe. Es ist, als würde man einen Schlüssel anfertigen, der perfekt in ein sehr spezifisches Schloss passen muss. Entwickler kämpfen ständig gegen die Einschränkungen, die die Hardware auferlegt – sei es begrenzte Speichergröße, Rechenleistung oder die Notwendigkeit, minimalen Energieverbrauch zu gewährleisten. Und dann gibt es noch die tickende Uhr: Viele Embedded Systeme müssen in Echtzeit reagieren, was bedeutet, dass es keinen Raum für Verzögerungen oder Fehler gibt.

Sicherheit ist eine weitere drängende Sorge in der Embedded Software Entwicklung, besonders in der heutigen Welt, in der das Internet der Dinge (IoT) Alltagsgeräte mit der digitalen Welt verbindet. Eine einzelne Schwachstelle kann die Tür für Hacker öffnen. Schließlich wird erwartet, dass Embedded Systeme im Gegensatz zu den meisten Softwarelösungen über Jahre oder sogar Jahrzehnten ohne häufige Wartung reibungslos laufen. Es ist ein Balanceakt, der sowohl technisches Können als auch Weitblick erfordert.

Diese Herausforderungen sind nicht nur theoretisch – sie sind reale Einschränkungen, mit denen Entwickler in jeder Phase der Embedded Software-Erstellung konfrontiert sind. Werfen wir einen genaueren Blick auf einige der Schlüsselfaktoren, die den größten Einfluss auf die Embedded Software Entwicklung haben:

• Hardware-Einschränkungen: Begrenzte Rechenleistung, Speicher und Energieverbrauch können die Gestaltung und Entwicklung von Embedded Software einschränken.

• Echtzeit-Anforderungen: Viele Embedded Systeme müssen in Echtzeit reagieren, was den Einsatz von Echtzeitbetriebssystemen (RTOS) oder Bare-Metal-Programmierung erfordert. Die Suche nach den richtigen Embedded Software-Ingenieuren ist eine herausfordernde Aufgabe.

• Sicherheitsbedenken: Angesichts der wachsenden Anzahl vernetzter Geräte ist es zunehmend entscheidend, die Sicherheit in Embedded Systemen zu gewährleisten, um sensible Daten zu schützen.

• Integration mit Hardware: Embedded Software-Ingenieure müssen sowohl Hardware- als auch Softwarekenntnisse haben, um eine optimale Leistung und Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

• Lebenszyklus-Management: Im Gegensatz zu Verbrauchersoftware können Embedded Systeme jahrelang oder jahrzehntelang ohne Updates betrieben werden, daher sind Robustheit und langfristige Wartung entscheidend.

 

Beispiele für Embedded Software in Alltagsgeräten

 

Automobilindustrie

Embedded Software im Automobilbereich ist ein Schlüsselfaktor in modernen Fahrzeugen. Ein Beispiel ist das In-Vehicle Cockpit, in dem die Software Infotainment, Navigation und sogar Sprachsteuerung verwaltet. Ein großartiges Beispiel für diese Technologie finden Sie in unserer Arbeit am In-Vehicle Cockpit von LUV, bei dem Qt-basierte Embedded Software das Benutzererlebnis verbessert.

 

Eingebettete Software für die Automobilindustrie

 

Verbraucherelektronik

Viele Verbraucherelektronikgeräte verlassen sich auf Embedded Software, um nahtlos zu funktionieren. Denken Sie an eine Smartwatch, die nicht nur Ihre Fitness verfolgt, sondern auch mit Ihrem Smartphone kommuniziert. Ein weiteres Beispiel ist der Thermomix, ein Küchengerät, das mit Embedded Software die gesamte Temperaturregelung und Rezeptumsetzung steuert.

 

Medizinische Geräte

Embedded Software ist auch im medizinischen Bereich entscheidend. Geräte wie medizinische Laser für Operationen verlassen sich auf Embedded Anwendungen, um Präzision und Sicherheit zu gewährleisten. Beispielsweise finden Sie in unserer Fallstudie die Entwicklung von Embedded Software für ein medizinisches Lasergerät.

 

Medizinisches Lasergerät

 

Die Bedeutung und Zukunft der Embedded Software in moderner Technologie

Embedded Software ist das Herzstück der modernen Technologie und ermöglicht Innovationen in verschiedenen Branchen. Wir stehen an der Schwelle zu einer neuen technologischen Ära, in der alles von unseren Häusern bis zu unseren Städten miteinander verbunden sein wird. Stellen Sie sich vor, Sie wachen in einer smarten Stadt auf, in der sich die Ampeln in Echtzeit anpassen, um Staus zu reduzieren, oder autonome Fahrzeuge nahtlos miteinander kommunizieren, um Unfälle zu verhindern. Im Zentrum dieser Innovationen steht Embedded Software.

Es geht nicht nur darum, Geräte „intelligent“ zu machen, sondern sie auch vertrauenswürdig, sicher und effizient zu gestalten. Während sich diese Systeme weiterentwickeln, wächst auch die Verantwortung der Entwickler, sicherzustellen, dass sie in der realen Welt einwandfrei funktionieren, in der der kleinste Fehler schwerwiegende Folgen haben könnte.

Zukünftige Entwicklungen wie KI-Integration, fortschrittliche Konnektivität (5G) und Edge Computing werden die Funktionsweise von Embedded Systemen weiter transformieren und sie noch entscheidender für die Weiterentwicklung von Branchen wie Gesundheitswesen, Automobilindustrie und industrieller Automatisierung machen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Embedded Software eine verborgene, aber essentielle Kraft in der heutigen technologischen Landschaft darstellt, mit einer Zukunft voller spannender Möglichkeiten.