Zusammenfassung: Dieser Artikel gibt einen Überblick über die neuesten Entwicklungen im Bereich des Embedded-System-Designs. Er erörtert die Merkmale der aktuellen Technologieentwicklung im Embedded-System-Design und untersucht die verschiedenen Veränderungen hinsichtlich Komplexität, Entwicklungsformen, -methoden und -werkzeugen, Entwicklungsplattformen und -sprachen. Zudem werden verschiedene Herausforderungen zur Bewältigung dieser Veränderungen aufgezeigt. Schlüsselwörter: Eingebettetes System; Designtechnologie; SoC 1 Merkmale der Technologieentwicklung im Embedded-System-Design: Mit der rasanten Entwicklung der Mikroelektronik sind CPUs zu kostengünstigen Bauteilen geworden. Wo immer möglich, werden verschiedene elektromechanische Geräte in CPU-basierte Embedded-Systeme integriert. Laut einem Bericht der Virginia Tech ist die Anzahl der in Embedded-Systemen verwendeten CPUs mehr als 30-mal so hoch wie die Anzahl der CPUs in Allzweck-PCs. Der Fokus der Systemforschung hat sich von Allzwecksystemen hin zu Spezialsystemen und von allgemeiner Leistung hin zu Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit, Sicherheit, Autonomie, Skalierbarkeit, Funktionalität, Flexibilität, Kosten, Größe, Stromverbrauch und Verwaltbarkeit verlagert. 1.1 Rasanter Anstieg des Anteils von 32-Bit-Embedded-Prozessoren: InStat/MDR prognostizierte für den Zeitraum von 2001 bis 2006 eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von 22,6 % für 32-Bit-Mikrocontroller (MCUs). Der globale Markt für 32-Bit-MCUs wuchs 2003 tatsächlich um über 30 % und sollte 2004 ein Wachstum von 38 % erreichen. Dieses Wachstum wurde hauptsächlich durch zwei Faktoren getrieben: Erstens durch das Aufkommen von Mobilgeräten wie Digitalkameras, MP3-Playern, PDAs, Spielekonsolen und Mobiltelefonen sowie diversen Informationsgeräten, die eine höhere Leistungsfähigkeit in Multimedia- und Kommunikationsgeräten erfordern. Diese Anwendungen benötigen große Mengen an Multimediadaten und damit größere Speicherkapazitäten. Viele 32-Bit-Mikrocontroller können mittlerweile SDRAM nutzen, wodurch die Kosten für Datenspeicher mit höherer Kapazität deutlich sinken; 8-Bit-Mikrocontroller hingegen sind typischerweise auf das teurere SRAM angewiesen. Darüber hinaus benötigen Anwendungen, die Internetzugang benötigen – insbesondere solche, die TCP/IP oder andere Kommunikationsprotokolle auf dem Mikrocontroller ausführen – neben Funktionen zur Anwendungssteuerung ein System, das auf einem Echtzeitbetriebssystem (RTOS) basiert. Zweitens fordern immer mehr traditionelle Anwendungen wie Fernseher, Autoradios und elektronisches Spielzeug Digitalisierung und Hardware-Software-Integration, wodurch die Rechenleistung und Speicherkapazität der meisten 8-Bit-Mikrocontroller überstiegen werden. Andererseits hat sich die 32-Bit-ARM-Architektur, angetrieben durch die Entwicklung der IT-Technologie, zum De-facto-Standard entwickelt. Dank des kontinuierlichen Preisverfalls bei High-End-32-Bit-CPUs und der zunehmenden Reife von Entwicklungsumgebungen drängen 32-Bit-Embedded-Prozessoren immer weiter in den Anwendungsbereich, der zuvor von 8-Bit-Mikrocontrollern dominiert wurde. Mit der weltweiten Verbreitung von ARM-Prozessoren haben sich 32-Bit-RISC-Embedded-Prozessoren zum Standard für Embedded-Anwendungen und -Designs im mittleren bis gehobenen Preissegment entwickelt. Abgesehen vom MCS-51 kann kein anderer 8-Bit- oder 16-Bit-Prozessor als Standardprodukt oder nahezu Standardprodukt gelten. Die Ansicht, dass 32-Bit-Embedded-Prozessoren einst nur für High-End-Anwendungen geeignet waren, wandelt sich. Tragbare elektronische Geräte mit komplexeren Funktionen und Anforderungen veranlassen Embedded-System-Ingenieure, den Ersatz von 8/16-Bit-Mikrocontrollern durch 32-Bit-Mikrocontroller in Betracht zu ziehen. Darüber hinaus erkennen immer mehr Entwickler, dass der Wechsel zu einer 32-Bit-Architektur nicht nur die Leistung verbessert, sondern auch den Stromverbrauch des Systems bei gleichen Kosten senkt, die Gesamtkosten reduziert und die Markteinführungszeit verkürzt. Dieser Wandel bietet Entwicklern eine Upgrade-Lösung, die sich an die stetig wachsenden Anforderungen an Produktleistung und -anforderungen anpassen lässt. 1.2 Erweiterte Optionen für programmierbare Rechenkomponenten (1) GPP-EP-MCU-DSP-ASP/ASSP-ASIC/SoC Das Herzstück eines Embedded-Systems ist die programmierbare Rechenkomponente, d. h. der Prozessor. Es stehen zahlreiche Optionen zur Verfügung, und in den letzten Jahren sind einige neue hinzugekommen: Neben den weit verbreiteten Allzweckprozessoren (GPP – German Purpose Processor), Embedded-Prozessoren (EP – Embedded Processor), Mikrocontrollern (MCU – Micro-Control Unit) und digitalen Signalprozessoren (DSP – Digital Signal Processor) entwickeln sich verschiedene anwendungsspezifische Prozessoren (ASP – Application Specific Processor) bzw. anwendungsspezifische Standardprodukte (ASSP – Application Specific Standard Product) rasant und bieten neue Möglichkeiten. Sie sind für spezifische Anwendungen konzipiert, beispielsweise als dedizierte Prozessoren für HDTV, ADSL und Kabelmodems. Im Vergleich zu MCUs integrieren ASP/ASSP oft mehr spezialisierte Ressourcen, weshalb sie teurer sind. Da ihre Anwendung jedoch allgemein, standardisiert und in verwandten Bereichen offen ist, kann jedes Unternehmen sie zur Entwicklung eigener Systeme oder Produkte nutzen, ohne gegen geistige Eigentumsrechte zu verstoßen. Eine weitere Art von kundenspezifischem System-on-Chip (SoC) mit Schutz des geistigen Eigentums und relativ geschlossenem Anwendungsbereich ist der anwendungsspezifische integrierte Schaltkreis (ASIC), der deutlich höhere Investitionskosten als ein ASP aufweist. Er kann jedoch gemäß den Anforderungen des Entwicklers gefertigt werden und bietet somit die Flexibilität, die Bedürfnisse kundenspezifischer Anwendungen zu erfüllen. Die SoC-Technologie hat einen revolutionären Wandel in eingebetteten Systemen bewirkt. Dieser Wandel besteht darin, dass sich die Designtechnologie eingebetteter Systeme von der Ära der Auswahl von Standardprodukten der Hersteller hin zur Ära der Entwicklung eigener, personalisierter Geräte durch die Anwender entwickelt hat. (2) PsoC/SoPC/CsoC Die Verwendung kundenspezifischer SoCs hat zwei wesentliche Nachteile: zum einen die hohen einmaligen Entwicklungskosten (NRE) und zum anderen die lange Vorentwicklungszeit vom Produktkonzept bis zur Serienproduktion. Aktuell ist der rasante Aufstieg der feldprogrammierbaren Technologie (FPGA) zu beobachten. Dies liegt daran, dass die Marktnachfrage nach universellen, konfigurierbaren Prozessoren stetig steigt und herkömmliche Mikrocontroller (MCUs) den Anforderungen des Marktes zunehmend nicht mehr gerecht werden. Konfigurierbare und skalierbare Prozessoren gewinnen zunehmend an Bedeutung. Mithilfe von Semi-Custom-Bausteinen lassen sich sowohl Hard-Core-Prozessoren auf Basis von FPGAs als auch Soft-Core-Prozessoren auf FPGA-Basis realisieren. Dies führte zur Entwicklung von programmierbaren System-on-Chips (PsoC oder SOPC). Dabei handelt es sich um leistungsstarke, feldprogrammierbare Mixed-Signal-Arrays, die für eingebettete Steuerungsfunktionen in Unterhaltungselektronik, Industrie, Büroautomation, Telekommunikation und Automobilanwendungen entwickelt wurden. Sie vereinen die Vorteile von Mikrocontrollern (MCUs) und FPGAs/CPLDs und realisieren so einen konfigurierbaren SoC, der die Anforderungen von Entwicklern an die Systemkomponentenintegration erfüllt und gleichzeitig Flexibilität hinsichtlich der Konfigurierbarkeit bietet. Dies stellt eine ausgewogene Lösung für viele praktische Anwendungen dar. Verschiedene Hersteller haben diese Konfigurierbarkeit, basierend auf ihren jeweiligen Stärken, auf zwei unterschiedlichen Wegen erreicht. Ein Ansatz besteht darin, dass FPGA-Hersteller Mikroprozessorkerne und andere IP-Funktionsmodule zu bestehenden FPGA-Architekturen hinzufügen und diese dadurch sowohl funktional als auch flexibel gestalten. Beispielsweise sind die Nios- und Nios-II-Soft-Core-Embedded-Prozessoren von Altera für Embedded-Anwendungen lizenzierte Allzweck-RISC-CPUs. Sie lassen sich mit einer Vielzahl von Peripherieschnittstellen, benutzerdefinierten Befehlen und Hardwarebeschleunigungseinheiten zu einem kundenspezifischen programmierbaren System-on-Chip (SoPC) kombinieren, der sich nach Bedarf konfigurieren lässt. Xilinx hat mit MicroBlaze einen ähnlichen 32-Bit-Soft-Core-Embedded-Prozessor mit Harvard-Architektur auf den Markt gebracht. Ein anderer Ansatz besteht darin, dass Mikroprozessorhersteller mit Mikroprozessoren beginnen und diese anschließend um programmierbare Logikmodule erweitern. Triscend hat beispielsweise die CsoC-Technologie (Configurable SoC) eingeführt, die programmierbare Logikmodule in einen SoC mit einem ARM-Architektur-Mikroprozessorkern integriert und so eine konfigurierbare SoC-Plattform bildet. 1.3 Entwicklungsmerkmale von Mikrocontrollern Obwohl die steigende Marktnachfrage nach multifunktionalen Produkten und die Förderung der IT-Technologie 32-Bit-Mikrocontroller (MCUs) auf dem Markt immer beliebter gemacht haben, sind 8-Bit-MCUs nach wie vor der Standard und verfügen über ein beträchtliches Anwendungspotenzial. 16-Bit-Mikrocontroller (MCUs) haben ebenfalls einen gewissen Marktanteil. Verschiedene MCUs haben sich entsprechend ihrer Marktpositionierung deutlich weiterentwickelt. Die allgemeine Entwicklung von MCUs weist folgende Merkmale auf: (1) Mikrocontroller-System-on-a-Chip (SoC): Mikrocontroller (MCUs) können immer mehr integrierte Komponenten integrieren. Zu den gängigen Komponenten gehören Speichertypen wie Programmspeicher (MROM/OTPROM/EPROM/EEPROM/Flash) und Datenspeicher (SRAM/SDRAM/SSRAM); serielle Schnittstellen wie UART, SPI, I2C, CAN, IR, Ethernet und HDLC; parallele Schnittstellen wie Centronics, PCI, IDE und GPIO; Taktgeber wie Timer/Zähler, RTC, Watchdog und Clock Out; sowie dedizierte und periphere Schnittstellen wie Komparator, ADC, DAC, LCD-Controller, DMA, PWM, PLL, MAC und Temperatursensor. Einige Mikrocontroller (MCUs), wie beispielsweise die von NS Microcontroller, integrieren sogar Sprach- und Bildverarbeitungskomponenten in einen einzigen Mikrocontroller. Ziel ist es, alle notwendigen Komponenten in einem einzigen Gerät zu vereinen und so ein System-on-a-Chip (SoC) zu bilden. Da die Mikrocontroller der C8051F-Serie von Cygnal nahezu alle digitalen und analogen Peripherieschnittstellen und Funktionskomponenten, die für den Aufbau eines Datenerfassungs- oder Steuerungssystems benötigt werden, auf einem einzigen Chip integrieren, wird dieser Mixed-Signal-Chip als SoC bezeichnet. (2) Mehrkernprozessoren: Mit der zunehmenden Verbreitung eingebetteter Anwendungen, insbesondere in der digitalen Kommunikation und Netzwerktechnik, steigen die Anforderungen an Prozessoren. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, haben sich Mehrkernprozessoren etabliert. Der MPC8260 PowerQUICC II von Motorola ist ein fortschrittlicher integrierter Kommunikationsmikroprozessor, der für den Telekommunikations- und Netzwerkmarkt entwickelt wurde. Er integriert zwei CPUs – einen eingebetteten PowerPC-Kern und ein Kommunikationsverarbeitungsmodul (CPM). Da das CPM die Peripherieaufgaben des eingebetteten PowerPC-Kerns übernimmt, verbraucht diese Dual-Prozessor-Architektur weniger Strom als herkömmliche Prozessorarchitekturen. Die Infineon-Mikroprozessoren TC10GP und TC1130 (weiterentwickelt) sind Tri-Core-Prozessoren. Sie vereinen RISC-, CISC- und DSP-Funktionen und bilden damit eine SoC-Architektur (System-on-a-Chip). Dieser Mikrocontroller-Typ besteht aus drei Kernen: einem Mikrocontroller- und DSP-Kern, einem Daten- und Programmspeicherkern sowie einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC). Das wichtigste Merkmal dieser Mikrocontroller ist die Integration von DSP und Mikrocontroller in einen einzigen Kern, wodurch die Funktionalität des Mikrocontrollers deutlich erweitert wird. Vergleichbare Mikrocontroller sind beispielsweise die Hitachi-Mikrocontroller SH7410 und SH7612. Sie werden in Anwendungen eingesetzt, die sowohl MCU- als auch DSP-Funktionen benötigen und bieten im Vergleich zur Kombination aus einem einzelnen MCU und DSP eine höhere Leistung. (3) Geringerer Stromverbrauch: Der Stromverbrauch neu auf den Markt gebrachter MCUs sinkt kontinuierlich. Viele MCUs verfügen über verschiedene Betriebsmodi, darunter Warten, Pause, Schlaf, Leerlauf und Energiesparmodus. Beispielsweise verbraucht der Philips P87LPC762 im Leerlauf 1,5 mA und im Energiesparmodus nur 0,5 mA. Viele Mikrocontroller ermöglichen zudem einen Betrieb mit sehr geringem Stromverbrauch bei niedrigen Oszillationsfrequenzen. So hat der P87LPC764 beispielsweise bei einer niedrigen Frequenz von 32,768 kHz einen normalen Betriebsstrom von nur Idd = 16 μA (VDD = 3,6 V) und im Leerlauf Idd = 7 μA (VDD = 3,6 V). (4) Erweiterter Betriebsspannungsbereich: Die Erweiterung des Versorgungsspannungsbereichs und die Möglichkeit des Betriebs mit niedrigeren Spannungen sind Merkmale neu auf den Markt gebrachter Mikrocontroller. Aktuell können die meisten Mikrocontroller im Bereich von 3,3 bis 5,5 V betrieben werden, einige Produkte sogar im Bereich von 2,2 bis 6 V. Beispielsweise arbeiten die meisten Mikrocontroller der Fujitsu-Serien MB8919X, MB8912X und MB89130 sowie die Mikrocontroller der Serie F2MC-8L mit Spannungen zwischen 2,2 und 6 V; die MSP430X11X-Serie von TI hingegen kann mit Spannungen bis hinunter zu 2,2 V betrieben werden. Die extrem stromsparenden Mikrocontroller der HCS08-Serie von Motorola, die für Geräte mit langen Standby-Zeiten entwickelt wurden, weisen eine reduzierte minimale Betriebsspannung von 1,8 V auf. (5) Fortschrittlichere Prozesse und kleinere Gehäuse: Die Gehäusequalität von Mikrocontrollern hat sich deutlich verbessert, und immer mehr Mikrocontroller verwenden verschiedene SMD-Gehäuse, um den Anforderungen tragbarer Geräte gerecht zu werden. Microchip hat die weltweit kleinsten 6-Pin-Mikrocontroller der PIC10F2XX-Serie auf den Markt gebracht. Um den Anforderungen verschiedener Anwendungen gerecht zu werden und die Treiberschaltung zu reduzieren, wurde die Ausgangsleistung vieler Mikrocontroller erheblich gesteigert. Der Sinkstrom des I/O-Ports eines Motorola-Mikrocontrollers kann über 8 mA erreichen, während der eines Microchip-Mikrocontrollers 20–25 mA beträgt. Andere Hersteller wie AMD, Fujitsu, NEC, Infineon, Hitachi, Toshiba usw. liegen alle zwischen 8 und 20 mA. (6) Rauscharme Verdrahtungstechnologie: Früher waren die Stromversorgungs- und Masseanschlüsse bei Mikrocontrollern üblicherweise diagonal auf dem Chipgehäuse angeordnet, also oben links und unten rechts oder oben rechts und unten links. Diese Anordnung führte dazu, dass das Versorgungsspannungsrauschen die interne Schaltung des Mikrocontrollers maximal störte. Heutzutage sind die Stromversorgungs- und Masseanschlüsse bei vielen Mikrocontrollern auf zwei benachbarten Pins angeordnet. Dies reduziert Störungen und erleichtert die Verdrahtung von Entkopplungskondensatoren auf der Leiterplatte, wodurch das Systemrauschen verringert wird. 2 Neue Herausforderungen im Embedded-System-Design erfordern höhere Anwendungsanforderungen und treiben den Übergang von 8/16-Bit- zu leistungsfähigeren 32-Bit-Mikrocontrollern voran. Dieses Upgrade bietet Ingenieuren mehr Leistungsspielraum und Rechenreserven, bringt aber auch erhebliche Herausforderungen und eine Reihe neuartiger Probleme mit sich. Zunächst sind neue Investitionen in Entwicklungswerkzeuge und Software erforderlich, und der Designprozess muss neu definiert werden. Darüber hinaus ist eine Bewertung hinsichtlich der Kompatibilität der bestehenden Software mit der neuen Architektur, des Aufwands für die Portierung der bestehenden Software auf die 32-Bit-Architektur sowie der Kosten für Komponenten und Entwicklungswerkzeuge, Art, Größe, Leistung und Kapazität des Speichers und der Art optionaler Komponenten notwendig. Ob ein Upgrade auf 32 Bit sinnvoll ist, hängt nach umfassender Abwägung primär von den Gesamtsystemkosten ab. 2.1 Welche Änderungen haben sich ergeben? Bisher stammten die meisten Ingenieure in China, die mit der Entwicklung von 8-Bit-Mikrocontrollern vertraut waren, aus der Elektrotechnik und anderen Bereichen der Mechatronik, nicht aus der Informatik. Mit der Entwicklung der Technologie für eingebettete Systeme haben sich in vielerlei Hinsicht bedeutende Veränderungen ergeben. Diese Veränderungen unterscheiden sich deutlich von der traditionellen 8-Bit-Mikrocontroller-Entwicklung: Erstens hat die Komplexität drastisch zugenommen; zweitens haben sich auch die Entwicklungsmethoden, -mittel und -werkzeuge grundlegend verändert. Darüber hinaus basieren Systeme zunehmend auf RTOS-Plattformen, und die verwendeten Programmiersprachen sind nicht mehr die ineffiziente Assemblersprache der Vergangenheit, sondern immer mehr Hochsprachen mit hoher Entwicklungseffizienz. C hat sich zur gängigen Allzweck-Entwicklungssprache entwickelt. (1) Komplexität der Entwicklung: Diverse Multimedia- und Kommunikationsgeräte, Informationsgeräte und komplexe Systeme benötigen leistungsfähigere Mikrocontroller (MCUs), um die Echtzeitverarbeitung komplexer und großer Datenmengen zu ermöglichen. Beispielsweise benötigen moderne Mobiltelefone Mehrbildschirmdarstellung, Web-Browsing, SMS-Versand, große Adressbücher mit Suchfunktion und Sprachwahlfunktionen; die neuesten Digitalkameras und Camcorder benötigen hocheffiziente Datenkomprimierung, automatische Erkennung und verschiedene intelligente Verarbeitungsfunktionen, was den Einsatz digitaler Signalprozessoren (DSPs) erfordert; Telefonanlagen benötigen verteilte Verarbeitung und setzen auf eine Mehrprozessorarchitektur. (2) Entwicklungsformen, -methoden und -werkzeuge: Mit der zunehmenden Komplexität der Entwicklungsobjekte hat sich das Verhältnis von Hardware- und Softwareentwicklung deutlich verändert. Der Anteil der Softwareentwicklung nimmt stetig zu, und die Entwicklung komplexer Systeme kann nicht mehr von einem einzelnen Entwickler, der sowohl Hardware als auch Software umfasst, vollständig bewältigt werden, sondern erfordert ein Team durch Arbeitsteilung und enge Zusammenarbeit. Dies hat zur Entwicklung neuer Entwicklungsformen, -methoden und -werkzeuge geführt, insbesondere zur gemeinsamen Hardware-/Software-Entwicklung und -Verifikation, zum Designmanagement (z. B. Versionsverwaltung) sowie zu verschiedenen Werkzeugen für die Entwicklung eingebetteter Systeme. Früher benötigte die Entwicklung nahezu aller 4/8/16-Bit-Mikrocontroller einen dedizierten In-Circuit-Emulator (ICE) für das Echtzeit-Debugging. Der Entwicklungsprozess umfasste stets die Entwicklung, Fertigung und das Debugging der Hardware, während gleichzeitig die Software programmiert wurde. Bevor die Hardware-Leiterplatte debuggt war, konnte die Software nur auf reine Logik und Berechnungen hin überprüft werden. Erst mit debuggter Hardware konnte die Anwendungssoftware des Systems debuggt werden, wofür alle verfügbaren Bibliotheken und Anwendungspakete benötigt wurden. Für 32-Bit-Prozessoren mit immer höheren Taktfrequenzen (50–400 MHz und mehr) und komplexen Gehäusen (z. B. BGA) ist der ICE als Entwicklungswerkzeug zunehmend unzureichend geworden. Aktuell besteht die gängigste Alternative darin, über eine JTAG-Schnittstelle einen JTAG-Debugger zu entwickeln, der Debugging-Informationen direkt von der CPU bezieht. Dies vereinfacht das Produktdesign und macht Entwicklungswerkzeuge kostengünstiger als integrierte Prozessoren (ICE). Die parallele Zusammenarbeit von Software- und Hardware-Ingenieuren ist ein zunehmender Trend. Durch kollaboratives Design, insbesondere durch kollaborative Verifikationstechniken, können Software-Ingenieure frühzeitig auf realer Hardware testen, während Hardware-Ingenieure ihre Entwürfe bereits im Prototypenentwicklungszyklus verifizieren können. Aufgrund der Komplexität und Vielfalt eingebetteter Systeme ist eine einzige, universelle und vollständige Lösung nicht möglich. Daher haben verschiedene EDA-Anbieter diverse kommerzielle Entwicklungsumgebungen für eingebettete Systeme auf den Markt gebracht. Dazu gehören Synopsys' Co-Centric System Studio, Cadences Virtual Component Co-Design (VCC) und CoWares CoWare N2C. Universitäten weltweit haben zudem verschiedene kostenlose Tools für spezifische Anwendungen im Bereich des Designs eingebetteter Systeme entwickelt. (3) Eine Entwicklungsplattform, die eine zuverlässige und schnelle Produkteinführung ermöglicht, ist eine Grundvoraussetzung für eingebettete Systeme. Um die Markteinführungszeit zu verkürzen, wurde das frühere Modell „Alles selbst entwickeln“ schrittweise durch die Verwendung von Produkten mit integriertem IP ersetzt. Dies hat die Entwicklung standardisierter Echtzeitbetriebssysteme (RTOS) und zugehöriger Debugging-Techniken gefördert. Da 32-Bit-Architektur-Mikroprozessoren (MPUs/MCUs) über umfangreiche Ressourcen, relativ große Befehlssätze und komplexere Systemsoftware verfügen, insbesondere bei Systemen mit Echtzeit-Anforderungen für Multitasking, wird üblicherweise ein RTOS als Entwicklungsplattform für die Multitasking-Planung in der Anwendungssoftware gewählt. Wenn das System eine Internetverbindung herstellen oder eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) oder ein Dateisystem (FS) implementieren muss, kann die Entwicklung komplexer Multitasking-Systeme durch den Einsatz eines eingebetteten Betriebssystems, das den TCP/IP-Protokollstapel, eine GUI und ein Dateisystem unterstützt, erheblich vereinfacht werden. Die Einführung von RTOS hat das Problem der Standardisierung in der Entwicklung eingebetteter Software gelöst, die Modularisierung und Portabilität eingebetteter Software gefördert und die Grundlage für das Software-Engineering geschaffen. Mit dem stetig wachsenden Anteil von Software in eingebetteten Systemen und dem zunehmenden Umfang der Anwendungsprogramme ergeben sich neue Anforderungen an die Wissensstruktur der Entwickler, die Anwendungsschnittstellen sowie die Organisation und Verwaltung von Programmdateien. Die Einführung von Echtzeitbetriebssystemen (RTOS) entspricht der Einführung eines neuen Managementmodells und stellt einen Quantensprung für Mikrocontroller-Entwickler und Softwareentwickler dar. (4) Mit der Umstellung von 8/16-Bit- auf 32-Bit-Mikrocontroller hat sich auch die verwendete Softwareentwicklungssprache geändert. Früher wiesen die meisten 8/16-Bit-Mikrocontroller nur geringe Leistungsredundanz auf, sodass die Software an ihre begrenzten Verarbeitungsfunktionen angepasst werden musste. Daher wurde die Softwareentwicklung größtenteils in Assemblersprache realisiert. Die Programmierung von Hochsprachen wie C und PL/M auf 8/16-Bit-Mikrocontrollern und die anschließende Übersetzung in die entsprechende Maschinensprache mithilfe geeigneter Compiler wurde über ein Jahrzehnt lang erprobt und gefördert. Aufgrund der geringen Kompiliereffizienz der damaligen Compiler war der zusätzliche Overhead der Hochsprachenprogramme jedoch relativ hoch, was die Laufzeiteffizienz verringerte. Hinzu kam, dass die Verarbeitungskapazität der 8/16-Bit-Mikrocontroller selbst begrenzt war, wodurch der Fortschritt langsam verlief. In den letzten Jahren hat sich bei 8/16-Bit-Mikrocontrollern (MCUs) aufgrund der deutlichen Effizienzsteigerung von C-Compilern und der verbesserten Leistung der MCUs der Einsatz von Hochsprachen anstelle von Assemblersprache zunehmend als Trend etabliert. Viele MCU-Hersteller bringen mittlerweile eigene C-Compiler auf den Markt. Der Keil C51 zeichnet sich dabei durch eine besonders hohe Kompilierleistung aus. Optimierte Programme, die mit dem Keil C51 geschrieben wurden, laufen sogar effizienter als direkt in Assembler geschriebene Programme. 2.2 Neue Herausforderungen für Entwickler (1) Veränderte Konzepte und die Notwendigkeit, sich mit neuen Entwicklungsmodellen vertraut zu machen: Anwendungen eingebetteter Systeme beschränken sich nicht mehr auf einzelne Mikrocontroller, sondern werden immer vielfältiger und bieten Anwendern dadurch mehr Optionen. Die höchste Stufe der Implementierung eingebetteter Systeme ist das System-on-a-Chip (SoC). Dessen Kerntechnologie besteht in der Wiederverwendung und Kombination von IP-Kernkomponenten. Von der Mikrocontroller-Anwendungsentwicklung bis hin zur System-on-a-Chip-Entwicklung und den dazwischenliegenden Entwicklungsstufen, vom umfassenden Bottom-Level-Design bis hin zum PsoC/SOPC-Design mit FPGA- und IP-Modulen zur Funktionskombination – dies erfordert einen grundlegenden Wandel im Denken. Das Erlernen und Vertrautmachen mit dem neuen Entwicklungsmodell erleichtert zwar die Entwicklung leistungsstarker und hochperformanter Embedded-Systeme, stellt aber auch viele neue Herausforderungen an die Systementwicklung und -verifikation. (2) Die Einstiegshürde ist höher und erfordert das Erlernen der neuen RTOS-Technologie. Moderne High-End-Embedded-Systeme basieren vollständig auf RTOS. Für Ingenieure und Techniker verschiedener Fachrichtungen ohne Informatikausbildung ist es daher notwendig, die neue RTOS-Technologie zu erlernen, ein tiefes Verständnis der Funktionsweise von RTOS und der Ressourcenkonfiguration des Systems zu erlangen sowie die Methoden für die Entwicklung und das Debugging von Bottom-Level-Software, Systemsoftware und Anwendungssoftware zu beherrschen. Die Einstiegshürde ist deutlich höher als bei den gewohnten Entwicklungsmethoden. Dies stellt auch für Entwickler eine neue Herausforderung dar. (3) Die Auswahl geeigneter Entwicklungswerkzeuge und die Einarbeitung in die neue Entwicklungsumgebung sind ebenfalls entscheidend. Eines der größten Hindernisse beim Upgrade von 8-Bit auf 32-Bit ist die Investition in Entwicklungswerkzeuge. 32-Bit-Entwicklungswerkzeuge sind deutlich komplexer als 8-Bit-Werkzeuge, die technischen Anforderungen sind wesentlich höher und die Investitionen entsprechend höher. Entwickler, die in die Entwicklung von 32-Bit-Systemen einsteigen, sehen sich einer völlig anderen Entwicklungsumgebung gegenüber als bei 8-Bit-Systemen. Die korrekte Auswahl der Prozessorarchitektur, die Bewertung des eingebetteten Betriebssystems und die Nutzung ungewohnter Entwicklungswerkzeuge stellen neue Herausforderungen dar. (4) Kenntnisse in Hardware/Software-Co-Design und Verifikationstechnologien sowie im Designmanagement sind erforderlich. Paralleles Hardware/Software-Design ist eine zentrale Aufgabe im Embedded-System-Design. Das Hauptproblem im Designprozess ist die Synchronisierung und Integration von Hardware- und Software-Design. Dies erfordert die Kontrolle von Konsistenz und Korrektheit, was mit zunehmender Komplexität der technischen Details jedoch sehr zeitaufwändig wird. In der Branche wurden verschiedene Methoden und Werkzeuge wie Polis, Cosyma und Chinook entwickelt, um integriertes Hardware/Software-Co-Design zu unterstützen. Ziel ist es, eine einheitliche Hardware- und Softwareentwicklungsmethode bereitzustellen, die die Erkundung des Designraums unterstützt und die Wiederverwendung von Systemfunktionen über Hardware- und Softwareplattformen hinweg ermöglicht. Das größte Problem in der Teamentwicklung ist das Designmanagement. Immer mehr Unternehmen legen daher Wert auf Technologiemanagement und nutzen verschiedene Softwarelösungen (z. B. Versionsverwaltungssysteme), um den gesamten Prozess zu überwachen und zu steuern. Dies mag zwar zunächst den Aufwand für alle Beteiligten erhöhen, bietet aber langfristig Vorteile für die Produkteinführung, -aktualisierung, -wartung und die strategischen Interessen des Unternehmens. (5) Wesentliche Herausforderungen im SoC-Design: SoCs haben sich zum Kern der Anwendungselektronik der nächsten Generation entwickelt und markieren einen revolutionären Wandel in der Elektronik. Während Anwendungsingenieure früher mit verschiedenen ASIC-Schaltungen arbeiteten, sehen sie sich heute zunehmend mit umfangreichen IP-Modulbibliotheken konfrontiert, auf denen die gesamte Designarbeit basiert. Die SoC-Designtechnologie hat die Entwickler eingebetteter Systeme zu anwendungsorientierten Entwicklern elektronischer Geräte transformiert. Mit der zunehmenden Verbreitung von SoC-Anwendungen steigen die Anforderungen an die SoC-Testtechnologie in Bereichen wie Testprogrammerstellung, Entwicklung, Fehlersuche an Siliziumchips und Serienfertigung. Die Beherrschung neuer Testkonzepte, -prozesse, -methoden und -technologien stellt eine neue Herausforderung für Anwendungsingenieure im Bereich Mikrocontroller dar.