Derzeit besteht das Angebot für den Embedded-Markt aus unzusammenhängenden und komplexen Werkzeugketten, die es Entwicklern erschwert, Embedded-Systeme, die Messtechnik, Steuerung und Regelung kombinieren, zu erstellen. Zur Lösung dieser Herausforderung braucht es standardisierte Hardware- und Softwareplattformen, die es auch kleinen Entwicklerteams ermöglichen, zu experimentieren und Problemstellungen schnell und effizient zu lösen. Im Vergleich zu konventionellen Werkzeugketten, die kaum Möglichkeiten zur Systemabstrahierung anbieten und eher durch kryptische, hardwareabhängige Programmierung gekennzeichnet sind, ist ein plattformbasierter Ansatz produktiver. Ein klassischer plattformbasierter Ansatz stellt das Graphical-System-Design dar, mit dem Anwendungen in Grundbausteine wie I/O, Analyse, Verarbeitung, Programmierung, Benutzerschnittstelle und Ausführungsplattform aufgeteilt und über grafische Programmiertechniken miteinander verknüpft werden – inklusive Timing und Synchronisation. Dieser plattformbasierte Ansatz ermöglicht es dem Anwender, sich auf Innovationen zu konzentrieren, anstatt auf Probleme beim Systemdesign.

Anwender aus den unterschiedlichsten Bereichen wie erneuerbare Energien, Life-Sciences und Robotik kombinieren damit unterschiedlichste Hardwarekomponenten mit einer Software-Architektur und lösen anspruchsvolle Aufgaben bei der Steuerung, Regelung und Überwachung von Embedded-Systemen. Selbst kleine Entwicklerteams sind in der Lage, komplexere Steuer- und Signalverarbeitungsaufgaben zu bewältigen und schnell innovative Lösungen zu finden.

Komplexes in immer kürzerer Zeit entwickeln

Eine ständig zunehmende Zahl von Neuentwürfen sowie die steigende Komplexität zwingen Embedded-Entwicklerteams zu mehr Effizienz und beeinflussen die von ihnen gewählte Technologie. Ein Beleg dafür sind Mobiltelefone: Vor zehn Jahren verfügten die Geräte über ein Funkmodul und einen einzelnen Prozessor, der für die zu realisierende Aufgabe ausreichend war: von unterwegs zu telefonieren. Inzwischen hat sich das Handy zu einem Smartphone mit diversen Schnittstellen (Bluetooth und WLAN) sowie mehreren Prozessoren gewandelt. Die sind auch notwendig, um die Fülle an Anwendungen – E-Mails, SMS, Kalender, Videos, Musik, Spiele, Fotos und Telefonieren – auszuführen. Noch komplexer sind Kraftfahrzeuge, die gut 100 Prozessoren besitzen, um Motor, Bremsen, Traktion, Bordcomputer, Speicherung der Sitz- und Spiegeleinstellungen, Musikanlagen und Navigationssysteme zu steuern. Derselbe Trend ist in der Industrie zu beobachten: Elektronische Systeme und Maschinen haben eine Vielzahl von Steuer-, Regel- und Überwachungssystemen. Deren Ziel ist, die Leistung und Qualität der Anlagen zu verbessern. Letztlich geht es immer darum, sich vom Wettbewerb zu differenzieren.

Die Kombination von FPGA und x86-Prozessoren mit einer disziplinübergreifenden Engineering-Plattform unterstützt die Entwicklung flexibler Systemdesigns, die während der Entwicklung wie auch bei späteren Erweiterungen schneller neuen Anforderungen anpassbar sind.

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Um Entwicklungsteams bei einer schnellen Markteinführung zu unterstützen, entwickeln Technologie-Anbieter Komponenten, Module oder sogar vollständige Embedded-Plattformen mit immer höherem Integrationsgrad und Funktionen. Letztendlich arbeiten die Unternehmen auf eine umfassende Plattform für das Embedded-Design hin, die Kommunikation, Programmabarbeitung, System-I/O und die Designsoftware beinhaltet.

Dieser Trend begann mit SoCs (Systems-on-Chip) und SoMs (Systems-on-Module), die auf bestimmte Embedded-Anwendungen zugeschnitten sind. Solche Komponenten integrieren alle elektronischen Schaltkreise und verfügen oft über die drei Hauptelemente ­eines Embedded-Systems: eine Kommunikationsschnittstelle, Programmbearbeitung und systemspezifische I/O. Einsatzbereiche solcher Systeme sind beispielsweise die Verarbeitung digitaler Audio- oder Videosignale (DSPs), Lösungen für die Funktechnik, Netzwerklösungen oder eine vollständige Rechenplattform in einem einzigen Chip beziehungsweise Modul. Computers-on-Module (COMs) sind eine spezielle Unterkategorie der SoMs. Durch Integration eines kompletten PC oder Embedded-Subsystems bieten diese drei Varianten Entwicklern höher integrierte Funktionen auf einem geprüften Design sowie kleinere Formfaktoren und verbrauchen darüber hinaus weniger Strom.

SoCs und SoMs werden in der Regel als Standard-Bauelement angeboten und sind entweder für den universellen Einsatz oder für vertikale Anwendungen konzipiert. Meistens in hohen Stückzahlen gefertigt, gewährleisten sie niedrige Kosten und eine hohe Qualität.

In manchen Anwendungsbereichen nutzen fast alle Entwickler-Teams denselben SoC oder SoM. Dies erschwert die Differenzierung des endgültigen Designs. Damit eine Differenzierung möglich bleibt, erweitern die meisten Teams das Design um zusätzliche diskrete Komponenten und programmierbare Logik wie einen FPGA (Field-Programmable Gate Array). Darüber können spezielle Verarbeitungsabläufe – das eigene Know-how oder so genannte Intellectual Property (IP) – integriert werden, die das Leistungsvermögen verbessern. Zudem besteht die Möglichkeit, das Design durch eine Aktualisierung der FPGA-Logik während der Entwicklung oder sogar nachträglich anzupassen und zu optimieren. Diese Option macht ein Embedded-System zukunftssicher. Inzwischen ist das Hinzufügen von FPGAs etabliert, so dass bereits SoCs angeboten werden, die sowohl einen vollständigen Mikroprozessor als auch einen FPGA in einem einzigen Baustein kombinieren. Das aus NI-Sicht derzeit interessanteste Bauteil ist die Extensible Processing Plattform (EPP) ZynqTM-7000 von Xilinx. Die EPP-Familie integriert einen Dual-Core-Prozessor ARM CortexTM-A9 und einen Xilinx-7-FPGA. Diese Bauteile bieten eine hohe Leistung sowie Flexibilität, so dass Embedded-Entwickler sowohl eine Abgrenzung ihres Designs erzielen als auch von den Vorteilen eines SoC profitieren können.

Herausforderungen bei Embedded-Plattformen

Die Firma SEA nutzt die Flexibilität von FPGA und CPU bei einer Standard-Messwert-Erfassungskarte für die Implementierung kundenspezifischer Funktionen.

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So spannend SoCs und SoMs auch sind, die meisten bieten keine vollständige Embedded-Plattform an. Daher werden in Zukunft Software-Werkzeuge bei Systemdesign und -entwicklung eine immer größere Rolle spielen. Bislang wurden viele Embedded-Designs von den Eigenschaften der Hardware und deren Anpassung an die Systemanforderungen bestimmt. Da Embedded-Hardware inzwischen immer weniger Energie und Platz benötigt sowie Kosten verursacht, stellt die Hardware bei einem Embedded-Design nicht mehr den limitierenden Faktor dar, sondern die mit ihr erreichbare Effektivität bei der Implementierung der Funktionen. Die Produktivität eines Embedded-Designs wird von möglichst nahtlos integrierten Software-Designwerkzeugen vorangetrieben, mit denen sich die Funktionen von einsatzfertiger Standard-Hardware zusammen mit einer intuitiven Entwicklungsumgebung nutzen lassen. Letztere sollte auch von Anwendern beherrschbar sein, die im Umgang mit Embedded-Software, der Firmware-Entwicklung oder Hardware-Beschreibungssprachen nicht vertraut sind.

Apples Genie-Streich basiert auf Software

Anhand von Smartphones lässt sich der Einfluss, den bessere Software-Entwicklungswerkzeuge auf das Embedded-Design haben können, gut darstellen. Smartphones sind zwar seit über zehn Jahren auf dem Markt, jedoch hat erst das iPhone ab 2007 die Smartphone- und Unterhaltungstechnologie grundlegend verändert. Die iPhone-Hardware erfüllte die Anforderungen der meisten Smartphone-Kunden. Die wirkliche Differenzierung des iPhone beruht auf Software: nicht nur das iOS auf dem Mobiltelefon, sondern auch das Software-Umfeld mit iTunes und Hunderte von Apps.

Plattformen für Embedded-Design sollten denselben Grad an Integration, Qualität und Erweiterbarkeit anstreben. Zu einer vollständigen Embedded-Plattform gehört eine einzige Software-Entwicklungsumgebung mit einer großen Sammlung an Analyse-, Steuer- und Regelalgorithmen und eine nahtlose Integration spezieller Kommunikations- und Anwendungs-I/O. Darüber hinaus muss sie dem Entwicklungsteam die Möglichkeit geben, bei Bedarf verschiedene Programmieransätze nutzen zu können, je nachdem, was die Anwendung gerade verlangt. Ebenso sollte die Embedded-Plattform so modular strukturiert sein, dass sich das System während der Designphase – angefangen beim ersten Prototyp bis hin zum endgültigen Seriengerät – erweitern lässt.

Bislang war die Entscheidung, ob ein kostengünstiger Mikrocontroller oder eine leistungsfähige CPU eingesetzt wird, relativ unkompliziert. Ausschlaggebend waren die erwarteten Leistungsanforderungen. Inzwischen müssen Steuer-, Regel- und Überwachungssysteme aber auch zusätzliche Funktionen bereitstellen wie:

■ schnellere und zuverlässigere Reaktionen auf I/O-Signale;
■ Maschinenzustandsüberwachung, um Ausfälle vorherzusagen und die Sicherheit zu verbessern;
■ Bild- und Tonverarbeitung;
■ drahtlose Kommunikation und Internet-Anbindung;
■ Filterung analoger und digitaler Signale, um genauere Mess-Ergebnisse zu erzielen;
■ Kommunikation mit intelligenten Sensoren und unterlagerten Systemen;
■ Vorverarbeitung der Signale zur
Datenreduktion.

Für solche komplexeren Systeme sind zusätzliche Verarbeitungskomponenten wie FPGA, digitale Signalprozessoren (DSP) und Grafikprozessoren (GPUs) notwendig. FPGAs sind seit langem als digitale Schnittstellenlogik zwischen verschiedenen Komponenten auf einer Leiterplatte im Einsatz, beispielsweise zur Realisierung komplexer Zustandsmaschinen und anwendungsspezifischer digitaler Schaltkreise, die unabhängig von den Taktzyklen des Prozessors mit höherem Determinismus arbeiten sollen. Über die Jahre hat sich die Leistung der FPGAs enorm erhöht. Parallel dazu gingen Stromverbrauch und Kosten drastisch zurück, so dass die Verwendung von FPGAs in Embedded-Systemen für Mess-, Steuer- und Regelanwendungen stark zugenommen hat. Einsatzbeispiele sind Signalverarbeitungsaufgaben wie benutzerdefinierte digitale Filter, schnelle Fourier-Transformationen (FFTs) und PID-Regelungen. Der Hauptvorteil von FPGAs besteht darin, dass mehrere Algorithmen echt parallel ausgeführt werden können, im Gegensatz zur sequenziellen Architektur beim Prozessor. Trotz ihrer Vorteile können sie Mikrocontroller und Mikroprozessoren nicht ersetzen, die immer noch vergleichsweise kostengünstig sind und über ein etabliertes Umfeld, einschließlich Betriebssysteme, Standardhardwaretreiber und Bibliotheken für die Signalverarbeitung verfügen.

Die Verbreitung der FPGA-Technologie ist das Ergebnis leistungsfähigerer Systeme, die Prozessoren und FPGA kombinieren, um komplexe Verarbeitungsanforderungen auf sequenzielle und parallele Architekturen aufzuteilen. Die Integration wieder-programmierbarer Hardware in ein Embedded-Design ist der schnellste Weg, um Änderungen ohne einen Neuentwurf der Leiterplatten durchzuführen, der Zeit und Kosten verursacht.

Cloud-Computing in der Engineering-Kette

Kern-Eigenschaften programmierbarer Bausteine

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Neben den allgegenwärtigen, miteinander verbundenen Netzwerken ist Cloud-Computing eine weitere Grundlagentechnologie. In Bezug auf Embedded-Systeme für Mess-, Steuer- und Regelanwendungen bietet Cloud-Computing im Allgemeinen die Konzentration von Daten aus verteilten Anwendungen (Condition-Monitoring und Leistungsmessungen in Windparks) und eine Auslagerung ressourcenintensiver Aufgaben wie anspruchsvolle Bild- oder Signalverarbeitung oder sogar Compilierung von Programmen und Berechnungen. Die Cloud stellt hierfür nahezu unendliche Ressourcen bereit. National Instruments hat beispielsweise einen Compilierdienst für Labview FPGA eingeführt, mit dem Anwender die Compilierung von Programmcode in FPGA-fähigen VHDL-Code (Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language) in die Cloud auslagern können. Daneben gibt es eine Technical Data Cloud, die speziell für die Speicherung und den Zugriff auf Messdaten eingerichtet wurde.

Allerdings birgt der dezentrale Zugriff auf Embedded-Systeme zusätzliche Gefahren. An erster Stelle steht dabei die Sicherheit des Systems, die immer einen Kompromiss erfordert. Sicherheit erfordert stets einen Kompromiss zwischen Zeit- und Kostenaufwand auf der einen und Bedienfreundlichkeit auf der anderen Seite. Dabei gilt es, das Ausfallrisiko und die Gefährdung zu berücksichtigen. Bezogen auf die Sicherheit von Betriebssystem und Netzwerk sollten bei Embedded-Systemen

■ alle Dienste deaktiviert werden, die offene Netzwerk-Ports hinterlassen (wie FTP);
■ die SSL-Unterstützung für alle Internetdienste aktiviert sein;
■ Sicherheits-Updates und -Patches vom Betriebssystemanbieter installiert werden;
■ Antiviren-Software und Firewall eingerichtet sein.

Zusätzlich empfiehlt es sich, alle Standard-Netzwerk-Ports zu ändern, eine VPN-fähige Firewall einzurichten sowie Anwendungen von Drittanbietern durch White-Listing zuzulassen und alle Kommunikationssignale zu verschlüsseln.

Software zuerst

Ein Designparadigma, das der Software Vorrang einräumt, begründet sich auf einer Systemarchitektur, bei der nur noch wenige Komponenten mit festen Funktionen eingesetzt werden, beispielsweise ASICs (Application-Specific Integrated Circuits) und Hardwarefilter. Alle weiteren Eigenschaften eines Systems werden flexibel mittels Software für die eingesetzten Prozessoren, DSPs und FPGAs realisiert. Das erlaubt den Systementwicklern, das Verhalten eines Geräts umfassend zu ändern, ohne echte Änderungen an der Hardware vorzunehmen. Diese programmierbaren Bauteile sind zwar teurer als ein ASIC und ähnliches; weil es aber möglich ist, einen Hardware-Entwurf für zahlreiche Geräte zu verwenden, sinken im Gegenzug über die Skaleneffekte die Designkosten pro Gerät erheblich. Steigende Stückzahlen reduzieren die Herstellungskosten zusätzlich.

Autor: Rahman Jamal ist Technical & Marketing Director Europe bei National Instruments in München