Modulbeschreibung Eingebettete Systeme
Bachelor-Wahlpflichtmodul: Eingebettete Systeme
1. Modulkennung
WPB2
2. Studiengang
Bachelorstudiengang Informatik, Masterstudiengang Informatik
3. Modulbezeichnung
Eingebettete Systeme (ES), engl.: Embedded Systems (ES)
4. Modul-Verantwortlicher
Möller
5. Veranstalter/Dozent
Möller
6. Sprache
Deutsch mit deutsch- und englischsprachigem Lehrmaterial; Englisch möglich
7. Motivation, Bedeutung für / Stellung im Gesamtprogramm
Die Ausbildung im Wahlpflichtmodul Eingebettete Systeme vermittelt im Rahmen der Vorlesung ein begrenztes und wohlausgewähltes Theorie- und Methodenrepertoire für die Konfigurierung, den Entwurf, die Realisierung, und die angemessene Nutzung von eingebetteten Systemen, insbesondere unter Berücksichtigung der aus der Praxis resultierenden Anforderungen hinsichtlich Responsivität, Rekonfigurierbarkeit, Skalierbarkeit, Partitionierung, Effizienz, Kosten, Technologie, Entwurfszeit, Fehlerfreiheit, Abstraktionsebenen, etc. Hinzukommen spezifische Randbedingungen technologischer, ökonomischer und/oder anwendungsspezifischer Genesis. Der Vorlesungsstoff des Wahlpflichtmoduls Eingebettete Systeme wird in den Übungen durch Beispiele ergänzt, um das Verstehen der grundlegenden Konzepte und Entwurfsmethoden von eingebetteten Systemen durch eigenständige Beschäftigung mit den Inhalten besser zu verankern. An Hand ausgewählter Demonstrationen im Labor werden darüber hinaus vertiefende Hinweise auf die praktische Umsetzung beim Entwurf eingebetteter Systeme gegeben. Zusammen mit dem Integrierten Anwendungsfach bildet das Wahlpflichtmodul Eingebettete Systeme eine synergetische Einheit, da die methodisch-systematischen Entwurfsmethoden im Integrierten Anwendungsfach anhand eines ausgewählten Beispiels exemplarisch implementatorisch umgesetzt werden können, was dem Prinzip learning by doing Rechnung trägt, da es den Studierenden die praktische Handhabung der Componentware eingebetteter Systeme ermöglicht.
8. Lernziele/Kompetenzen
8.1 Passung Leitbild
Die Bedeutung Eingebetteter Systeme für die moderne Informationstechnologie ist universal, da sie in nahezu jedem digitalen Datenverarbeitungssystem vorhanden sind, ganz gleich, ob es sich dabei um ein einfaches Produkt wie das einer Digitalkamera handelt oder um den komplexen Tempomaten in einem Pkw oder den ipod zur Wiedergabe von Audiodateien. Eingebettete Systeme sind heute millionenfach im Einsatz, angefangen von elektronischen Haushaltsprodukten bis hin zu den gängigen PCs und Desktops, woraus sich ihre zentrale Bedeutung für die Informatik ableitet. Im Rahmen dieses Wahlpflichtmoduls erwerben die Studierenden die erforderliche Problemlösekompetenz, um den Bogen von der Konzeptualisierung Eingebetteter Systeme auf einer wissenschaftlichen Basis hin zur praxisgerechten Realisierung zu schlagen.8.2 Grundlagen-/Faktenwissen
Das Wahlpflichtmodul Eingebettete Systeme vermittelt auf der Basis der im Rahmen des Pflichtmoduls Rechnerarchitekturen erworbenen Kenntnisse, sowie elementarer Kenntnisse in der hardwarenahen Programmierung und der Graphentheorie die Grundlagen eingebetteter Systeme vom Strukturkonzept bis zu ihren Anwendungen. Die Auseinandersetzung mit Entwurfsmethoden und Modellen für den Entwurf eingebetteter Systeme erschließt ihre besondere Architektur. Darauf aufbauend werden Kommunikationsformen in eingebetteten Systemen erarbeitet. Eingebettete Regelungssysteme bilden darüber hinaus ebenso wie eingebettete PC zentrale Themenschwerpunkte dieses Moduls.8.3 Methodenwissen
Kennen lernen des Aufbaus und der Funktionsweise von eingebetteten Systemen und Analyse und Synthese von eingebetteten Systemen. Das Wahlpflichtmodul Eingebettete Systeme behandelt die dafür typischen Lösungsansätze exemplarisch an Hand verschiedener Beispiele aus unterschiedlichen Anwendungsgebieten. Dabei werden insbesondere Echtzeitanforderungen behandelt aber auch die Realisierung eingebetteter Systeme und PC auf Basis des PC 104 Standards. Da Eingebettete Systeme häufig in andere Systeme integriert sind, kommt sowohl der Kommunikation als auch der Partitionierung eine besondere Bedeutung zu. Aufbauend auf der Partitionierung werden die Methoden des Hardare und Software Co-Design behandelt. Vor dem Hintergrund ihres Einsatzes im industriellen Umfeld werden auch betriebswirtschaftliche Kriterien angesprochen.8.4 Transferkompetenz
Anwendungen der Methoden der technisch orientierten Informatik in der Analyse und Synthese eingebetteter Systeme, wie sie beispielsweise im Automobil- und Flugzeugbau, im Bereich Scanner, Drucker, Mobiltelefone, Roboter, im Konsumerbereich etc. eingesetzt werden. Gemeinsam ist diesen, dass durch die Anforderungen des zu realisierenden eingebetteten Systems auf einer abstrakten Ebene von Entwurfssichten Randbedingungen für dessen Implementierung zu gewährleisten sind, dass Reaktionen in vorgegebenen zeitlichen Abfolgen umgesetzt werden müssen, dass ein in der Regel enges Zusammenspiel von Software- und Hardwarekomponenten gewährleistet werden muss.8.5 Normativ-bewertende Kompetenz
Aufbau eines präskriptiven und evaluativen Urteilsvermögens im Kontext des Themengebietes eingebettete Systeme, das die Studierenden in die Lage versetzt die dahinter stehenden architektonischen Konzepte zu analysieren und die Komponenten eingebetteter Systeme zu verstehen und diese sowohl zu entwerfen als auch zu optimieren sowie qualifiziert über eingebettete Systeme zu diskutieren.8.6 ABK/BOK/Schlüsselqualifikationen
- Kooperations- und Teamfähigkeit in den Präsenzübungen
- Steigerung der Problemlösungskompetenz
- Abstraktionsvermögen und Modellierungsfähigkeiten
- Kreatives Problemlösen anhand konkreter Systeme
- Kennen lernen des Aufbaus und der Funktionsweise von eingebetteten Systemen sowie Befähigung zur Analyse und Synthese von eingebetteten Systemen im Zusammenspiel von Software und Hardwarekomponenten
- 4 SWS Vorlesung Eingebettete Systeme
- 2 SWS Übungen (Präsenzübungen, Kleingruppen)
10. Inhalt
10.1 Grundlagen eingebetteter Systeme
- Überblick Embedded Systems
- Strukturkonzept eingebetteter Systeme
- Grundlagen eingebetteter Systeme im Kontext Heterogenität und Durchgängigkeit des Systementwurfs
- Echtzeitfähigkeit/Responsivität eingebetteter Systeme
- Embedded Intelligence: Sensoren, Aktoren, Taktile und haptische Komponenten eingebetteter Systeme
- Anwendungen eingebetteter Systeme
10.2 Architektur eingebetteter Systeme
- Grundstrukturen von Hardware-/Software-Systemen
- Entwurfsmethoden und Modelle für den Entwurf eingebetteter Systeme
- Strukturmodell
- Zustandsmodell
- Datenmodell
- Heterogenes Modell
- Architekturmodell
- Reaktives Modell
- Funktionales Modell
- Softwarearchitektur Modell
- Implementierungstypen
- Anwendungen von Architekturen
10.3 Embedded Control
- Grundlagen der Reglungstheorie
- Strukturkonzept eingebetteter Regelungen
- Mathematisch-formale Techniken zur Entwicklung eingebetteter Regelungssysteme
- Embedded Control Hardware und Software
- Embedded Controller Design
- Componentware
- Anwendungen eingebetteter Regelungen
10.4 Embedded PC
- Strukturkonzept eingebetteter PCs
- PC-104 Standard
- Embedded Prozessor
- Componentware
- Embedded On-Time Programmable Controller
- Anwendungen eingebetteter PCs
10.5 Datenkommunikation in eingebetteten Systemen
- Kommunikationsformen und Schnittstellen
- Kommunikationsprotokolle
- Strukturkonzept der Datenkommunikation in heterogenen komplexen eingebetteten Systemumgebungen
- Responsivität und Echtzeitnetze
- Anwendungen zur Datenkommunikation in eingebetteten Systemen
10.6 Hardware-/Software Co-Design
- Kommunikationsformen und Schnittstellen
11. Bezüge zu anderen Modulen
- Innerhalb des Studienganges: Im Rahmen der Wahl-Pflichtmodule legt das Modul Eingebettete Systeme inhaltlich in Grundlagen für das integrierte Anwendungsfach Eingebettete Systeme und die Projekte der technisch orientierten Informatik.
- Im konsekutiven Masterstudiengang: Vertiefungsmodule des Master-Studiengangs Informatik bauen auf diesem Modul inhaltlich auf.
- In anderen Studiengängen: Das Wahl-Pflichtmodul eignet sich als Bestandteil von naturwissenschaftlichen Studiengängen, beispielsweise der Physik und der Geophysik.
12. Modulvoraussetzungen
- Verbindlich: 51 Leistungspunkte, Rechnerstrukturen,
- Empfohlen: Algorithmen und Datenstrukturen
13. Semester, Studienjahr /-phase
- Studienabschnitt: 2
- Referenzsemester: keines
14. Prüfungsleistungen
Die Zulassung zur Modulprüfung setzt die regelmäßige und erfolgreiche Teilnahme
an Übungen/Seminar/Praktikum voraus; die Teilnahme an Übungen/Praktikum gilt
grundsätzlich als erfolgreich, wenn alle Aufgaben bearbeitet und mindestens 50%
richtig gelöst wurden; die Teilnahme an einem Seminar gilt grundsätzlich als
erfolgreich, wenn das zugeordnete Themenfeld verstanden, angemessen präsentiert
und ggf. angemessen schriftlich aufgearbeitet wurde; im Falle abweichender
Kriterien müssen diese zu Beginn der Veranstaltung bekannt gemacht werden.
Gemeinsame Modulprüfung für alle Lehrveranstaltungen des Moduls; mündlich und
in der Unterrichtssprache.
15. Bewertung
Gesamt: 9 Leistungspunkte
(Eingebettete Systeme: 4 Leistungspunkte,
Übungen/Seminar/Praktikum zu Eingebettete Systeme: 5 Leistungspunkte)
16. Periodizität
Sommersemester, jährlich, Dauer: 1 Semester
17. Methodische Aufbereitung und Medienformen
Vorlesung basierend auf Powerpointfolien mit integrierten Fallbeispielen, teilweise unter Nutzung von praktischen Laborbeispielen zur Demonstration des Systemverhaltens.
18. Literatur
- de Micheli, G, M. Sami: Hardware/Software Co-Design, Kluwer Academic Publ. 1994
- Lewis, D. W., Fundamentals of Embedded Software, Prentice Hall Publ., 2002
- Möller, D. P. F., H. Vakilzadian, D. Word, Embedded Computing Systems, Springer Verlag 2005
- Teich, J., Digitale Hardware/Software-Systeme, Springer Verlag, 1997
- Vahid, F, T.Givargis: Embedded Systems Design, John Wiley & Sons, Inc, 2002
