MIN118: Architektur eingebetteter Systeme

Kernmodule

MIN118: Architektur eingebetteter Systeme

Kurzporträt MIN118: Architektur eingebetteter Systeme

Worum geht es? Architektur eingebetteter Systeme behandelt heterogene eingebettete Subsysteme als Teil größerer technischer Gesamtsysteme. Die Studierenden entwerfen Systemkonzepte, wägen Hardware-Software-Aufteilung, Laufzeitumgebung und Kommunikationsschnittstellen ab und betrachten Echtzeitverhalten, Zuverlässigkeit, Safety, Security sowie Ressourcenbedarf als gemeinsame Architekturfragen.

Wofür braucht man es? Die Kompetenzen werden benötigt, wenn Software eng mit Sensorik, Aktorik, Spezialhardware oder physischen Prozessen gekoppelt ist. Sie helfen, Architekturentscheidungen für industrielle, mobile, medizinische oder cyber-physische Systeme nicht nur technisch umzusetzen, sondern unter konkurrierenden Randbedingungen nachvollziehbar zu begründen.

Wieso ist es interessant? Spannend ist das Modul, weil eingebettete Systeme unter echten Randbedingungen arbeiten: Zeit, Energie, Kosten, Sicherheit und Zuverlässigkeit zählen gleichzeitig. Dadurch werden Architekturentscheidungen sichtbar folgenreich, weil sie festlegen, was ein technisches System später leisten, aushalten und verantwortbar absichern kann.

Modulverantwortung

Prof. Dr. Benedikt Janßen

Lehrperson(en)

Prof. Dr. Matteo Zella
Prof. Dr. Benedikt Janßen

Verwendbarkeit

Master Informatik

Fächergruppe

Informatik

Modultyp

Wahlpflicht

Sprache

Deutsch

Angebot

Sommersemester

Dauer

1 Semester

Credits

5 ECTS

Benotung

Deutsche Notenskala 1-5

SWS

4SL

Workload

Präsenzstudium: 45 Std. Selbststudium: 90 Std.

Engl. Titel

Architecture of Embedded Systems

Empfohlene Voraussetzungen

Empfohlen werden auf Bachelor-Niveau erworbene Kompetenzen in C-Programmierung, Rechner- und Systemarchitekturen, Betriebssystemen, Software Engineering sowie in der Modellierung softwareintensiver Systeme. Erwartet werden außerdem Grundlagen zu Echtzeitverhalten, Kommunikation sowie Safety und Security. Unterschiedliche Vorkenntnisse werden durch geeignete Materialien zum angeleiteten Selbststudium ausgeglichen; im Modul werden diese Kompetenzen im Kontext heterogener Embedded-Systemarchitekturen vertieft.

Lernergebnisse / Kompetenzen

WAS

Mit erfolgreichem Abschluss des Moduls sind die Studierenden in der Lage, für heterogene eingebettete Subsysteme innerhalb komplexer technischer Gesamtsysteme selbstständig ein wissenschaftlich und technisch begründetes Systemkonzept zu entwickeln, prototypisch umzusetzen und zu validieren. Sie können unter unvollständigen oder konkurrierenden Anforderungen begründete Architekturentscheidungen zu Hardware-Software-Aufteilung, Laufzeitumgebung, Kommunikation, Echtzeitverhalten, Zuverlässigkeit, Safety, Security sowie Ressourcen- und Energiebedarf treffen,

WOMIT

indem sie

neue oder unvollständig spezifizierte Anwendungsszenarien analysieren, widersprüchliche Anforderungen und Wissenslücken identifizieren und daraus überprüfbare funktionale und nichtfunktionale Anforderungen ableiten,
aktuelle wissenschaftliche und technische Ansätze für Embedded-Systemarchitekturen selbstständig erschließen, kritisch vergleichen und für den jeweiligen Systemkontext auswählen,
Architekturen heterogener Embedded-Subsysteme modellieren und Hardware-Software-Grenzen, Laufzeitumgebungen sowie Kommunikationsschnittstellen begründet festlegen,
Echtzeit-, Kommunikations-, Isolations- und Fehlerbehandlungsmechanismen zu einer konsistenten Systemarchitektur integrieren,
ein ausgewähltes Teilsystem prototypisch realisieren und sein Verhalten anhand von Modellen, Messdaten, Fehlerfällen und quantifizierten Qualitätskriterien validieren,
Architekturvarianten hinsichtlich Echtzeitverhalten, Zuverlässigkeit, Safety, Security, Wartbarkeit, Ressourcen- und Energiebedarf vergleichen, ihre Entscheidungen dokumentieren und fachlich verteidigen,

WOZU

um in interdisziplinären Entwicklungsteams wissenschaftlich und empirisch fundierte Architekturentscheidungen für heterogene eingebettete Subsysteme in neuen oder unvollständig bestimmten Anwendungskontexten zu treffen, prototypisch umzusetzen, kritisch zu validieren und gegenüber Fachkolleg:innen zu vertreten.

Inhalte

Eingebettete Subsysteme im Kontext komplexer technischer Gesamtsysteme
Analyse offener Anforderungen und technischer Randbedingungen
Aktuelle Architekturansätze für heterogene Embedded Systems
Modellierung und Bewertung von Hardware-Software-Architekturen
Hardware-Software-Partitionierung und Auswahl von Laufzeitumgebungen
Integration von Echtzeit-, Kommunikations-, Isolations- und Fehlerbehandlungsmechanismen
Prototypische Realisierung eines ausgewählten Teilsystems
Mess- und modellbasierte Validierung unter Normal-, Grenz- und Fehlerbedingungen
Quantitativer Vergleich von Architekturvarianten
Dokumentation und fachliche Verteidigung von Architekturentscheidungen

Prüfungsvorleistung

Keine angegeben.

Prüfungsleistung

Studien- oder Projektarbeit. Sie wird als semesterbegleitende Projektarbeit mit Fachgespräch ausgestaltet. Die Studierenden bearbeiten eine offene Entwurfs- und Prototyping-Aufgabe zu einem heterogenen eingebetteten Subsystem innerhalb eines größeren technischen Gesamtsystems. Als Grundlage können geeignete aktuelle Projekte dienen, wenn eine abgegrenzte Aufgabenstellung abgeleitet wird. Die Projektarbeit umfasst die Analyse unvollständiger oder konkurrierender Anforderungen, die selbstständige Erschließung geeigneter wissenschaftlicher und technischer Ansätze, die Modellierung und den begründeten Vergleich von Architekturvarianten sowie die prototypische Realisierung eines ausgewählten Teilsystems. Das Systemverhalten wird anhand von Modellen, Messdaten und quantifizierten Qualitätskriterien unter Normal-, Grenz- und Fehlerbedingungen validiert. Dabei werden insbesondere Echtzeitverhalten, Zuverlässigkeit, Safety, Security, Wartbarkeit sowie Ressourcen- und Energiebedarf berücksichtigt. Das Fachgespräch dient dem individuellen Nachweis des Verständnisses der getroffenen Annahmen, Architekturentscheidungen, technischen Umsetzung, Validierungsmethoden und Grenzen der Lösung.

Literatur

Peter Marwedel: Embedded System Design: Embedded Systems Foundations of Cyber-Physical Systems, and the Internet of Things. 4th Edition. Springer, 2021.
Edward A. Lee, Sanjit A. Seshia: Introduction to Embedded Systems: A Cyber-Physical Systems Approach. 2nd Edition. MIT Press, 2017.
Wayne Wolf: Computers as Components: Principles of Embedded Computing System Design. 4th Edition. Morgan Kaufmann, 2017.
Hermann Kopetz: Real-Time Systems: Design Principles for Distributed Embedded Applications. 2nd Edition. Springer, 2011.
Tammy Noergaard: Embedded Systems Architecture: A Comprehensive Guide for Engineers and Programmers. 2nd Edition. Newnes, 2012.