BIN421: Hardwarenahe Systementwicklung

Wahlpflicht-Module

BIN421: Hardwarenahe Systementwicklung

Kurzporträt BIN421: Hardwarenahe Systementwicklung
Worum geht es? Das Modul vermittelt, wie Software mit Hardware, Sensoren und Aktoren zusammenwirkt. Studierende lernen Mikrocontroller-nahe Plattformen, Schnittstellen und hardwarenahe Software nicht nur zu verwenden, sondern auch deren Grenzen, Nebenwirkungen und Integrationsanforderungen zu verstehen. Im Mittelpunkt steht ein praktisches eingebettetes System.
Wofür braucht man es? Die Kompetenzen werden benötigt, wenn Software Geräte, Maschinen, Messsysteme oder vernetzte Komponenten steuert. Sie helfen dabei, Schnittstellen zwischen Hardware und Software robust zu gestalten, Integrationsprobleme früh zu erkennen und technische Systeme nachvollziehbar zu dokumentieren.
Wieso ist es interessant? Viele Informatiksysteme enden nicht an einer Benutzeroberfläche, sondern wirken direkt auf die physische Welt. Das Modul macht erfahrbar, wie Code, elektrische Signale, Sensorwerte und Aktorik zusammen ein funktionierendes technisches System bilden.
Modulverantwortung

Prof. Dr. Edwin Naroska

Lehrperson(en)
  • Prof. Dr. Edwin Naroska
  • Prof. Dr. Matteo Zella
Verwendbarkeit

Bachelor Informatik

Fächergruppe

Informatik

Modultyp
Wahlpflicht
Sprache

Deutsch

Angebot

Wintersemester

Dauer

1 Semester

Credits

5 ECTS

Benotung

Deutsche Notenskala 1-5

SWS

2 V | 1 Ü | 1 P | - S

Workload
Präsenzstudium: 45 Std. Selbststudium: 90 Std.
Engl. Titel

Hardware-Oriented Systems Development

Empfohlene Voraussetzungen
  • BIN004: Einführung in die Programmierung: Programmierung, Datentypen, Software-Schnittstellen.
  • BIN006: Systemhardware: Rechnerarchitektur, Speicherorganisation, digitale Grundlagen.
Lernergebnisse / Kompetenzen
WAS

Mit erfolgreichem Abschluss des Moduls sind die Studierenden in der Lage, hardwarenahe eingebettete Systeme aus Mikrocontroller-/SoC-nahen Plattformen, Sensoren, Aktoren und Softwarekomponenten systematisch zu analysieren, in Betrieb zu nehmen und modular so zu strukturieren, dass robuste Schnittstellen zwischen Hardware und Software entstehen.

WOMIT

Die Studierenden erreichen dieses Lernergebnis, indem sie

  • Mikrocontroller, Mikroprozessoren, SoC-nahe Plattformen, FPGA-nahe Plattformen und Beschleunigeroptionen hinsichtlich Eigenschaften, Einsatzbereichen und Grenzen einordnen,
  • hardwarenahe APIs, Speicherzugriffe, Zustände und Nebenwirkungen in Software-Schnittstellen analysieren,
  • Sensoren und Aktoren über GPIO, ADC, PWM, I²C, SPI und UART anbinden, testen und integrieren,
  • physikalische Größen, Abtastung, Quantisierung, Messbereiche, Rauschen und Kalibrierung bei Sensordaten berücksichtigen,
  • einfache digitale Filter zur Glättung und Vorverarbeitung von Sensordaten einsetzen und bewerten,
  • ereignisgetriebene Abläufe mit Polling, Timern oder Interrupts hinsichtlich Reaktionszeit und Robustheit analysieren,
  • Host-/Target-Entwicklungsprozesse mit Toolchains, Build-Prozessen, Deployment und Inbetriebnahme anwenden,
  • Treiber- und Hardwareabstraktionsschichten entwerfen und ein praktisches Projekt mit Mikrocontroller-Board, Sensorik, Aktorik und einfacher Systemanbindung dokumentiert realisieren.
WOZU

Die Studierenden nutzen diese Kompetenzen, um softwareintensive Systeme an der Schnittstelle zur physischen Welt nachvollziehbar, wartbar und integrationsfähig entwickeln zu können. Sie bilden eine Grundlage für Aufgaben in Embedded Systems, IoT, Robotik, Cyber-Physical Systems, technischer Informatik und systemnaher Softwareentwicklung.

Inhalte
  • Grundbegriffe eingebetteter und hardwarenaher Systeme
  • Mikrocontroller, Mikroprozessoren, SoC-nahe Plattformen, FPGA-nahe Plattformen und Hardwarebeschleuniger
  • Speicher, Zustände, Nebenwirkungen, Fehlerfälle und robuste API-Nutzung
  • Peripherie und Schnittstellen: GPIO, ADC, PWM, I²C, SPI, UART
  • Treiberkonzepte und Hardwareabstraktion
  • Polling, Interrupts, Timer, einfache Nebenläufigkeit, Latenz und Race Conditions
  • Sensoren und Aktoren: Anbindung, Messbereiche, Kalibrierung und Plausibilisierung
  • Abtastung, Rauschen, Signalbezug und einfache digitale Filterung
  • Host-/Target-Entwicklung, Toolchains, Deployment und Fehlersuche
  • Modulare Embedded-Softwarearchitektur
  • Praktisches Projekt mit Mikrocontroller-Board, Sensor-Kit, Aktorik und Systemintegration
Prüfungsvorleistung

Erfolgreiche Bearbeitung definierter Praktikums- und Projektaufgaben während des Semesters.

Prüfungsleistung

Studien- oder Projektarbeit. Das Prüfungskonzept ist als Hausarbeit mit Fachgespräch ausgestaltet. Die Hausarbeit dokumentiert und reflektiert Analyse, Inbetriebnahme, Strukturierung und Bewertung eines hardwarenahen Systems im praktischen Projekt.

Literatur
  • Peter Marwedel: Embedded System Design: Embedded Systems Foundations of Cyber-Physical Systems. 4. Auflage, Springer, 2021.
  • Elecia White: Making Embedded Systems. 2. Auflage, O’Reilly, 2024.
  • David A. Patterson, John L. Hennessy: Computer Organization and Design. 6. Auflage, Morgan Kaufmann, 2020.
  • Phillip Koopman: Better Embedded System Software. Drumnadrochit Education, 2010.
  • Jonathan W. Valvano: Embedded Systems: Introduction to Arm Cortex-M Microcontrollers. 5. Auflage, Eigenverlag, 2017.