Advances in Dynamic and Reconfigurable Embedded Systems Design

Publikation: StudienabschlussarbeitDissertation

Abstract

Eingebettete Systeme sind elektronische Geräte, die aus Hardware und Software bestehen und in einen bestimmten Kontext eingebettet sind. Während die Software normalerweise mittels Updates nach Belieben geändert werden kann, ist die Hardware in der Regel fest verdrahtet. Die Hardware besteht aus verschiedenen Komponenten, darunter ein oder mehrere Mikrocontroller zur Ausführung der Software auf einer festen Leiterplatte. Aber nicht nur die Leiterbahnen und Komponenten auf der Leiterplatte sind unveränderlich, sondern auch der Mikrocontroller enthält einen festen integrierten Schaltkreis, so dass Änderungen an der Hardware unmöglich sind.

Da Nachhaltigkeit und Zuverlässigkeit in zukünftigen eingebetteten Systemen eine immer wichtigere Rolle spielen, muss auch die Hardware flexibler werden. Daher ist die Möglichkeit von nachträglichen Hardwareänderungen besonders wichtig: Einerseits wollen die Hersteller neue Geräte so schnell wie möglich auf den Markt bringen und gleichzeitig die Möglichkeit haben, Hardwarefehler nachträglich zu korrigieren. Andererseits soll der Wartungsaufwand minimiert und gleichzeitig weniger Elektroschrott produziert werden.

Da Hardwareupdates momentan noch nicht möglich ist, werden in dieser Arbeit zwei Hauptkonzepte vorgeschlagen, um mehr Flexibilität und Nachhaltigkeit in das Design eingebetteter Hardware zu bringen: ein automatischer Prozess, um den Systemstack unterhalb der Anwendungssoftware dynamisch aus den Anwendungsanforderungen zu generieren, und ein zur Laufzeit rekonfigurierbarer Softprozessor, der sogar die Anpassung seiner eigenen Logik zur Fehlerbehebung und zum Hinzufügen neuer Funktionen ermöglicht.

Beim ersten Teilkonzept werden, ausgehend von den Anforderungen der Anwendungssoftware die restlichen Teile des eingebetteten Systems automatisch generiert. Diese Generierung umfasst sowohl die Module der Leiterplatte und deren Verbindungen, als auch Teile der Betriebssystemschicht. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Auswahl und Zusammenstellung von Hardwaremodulen und der Leiterplattengenerierung.

Im zweiten Konzept, rekonfigurierbaren Softprozessoren, liegt der Schwerpunkt der Forschung auf dem Entwurf einer flexiblen Mikrocontrollerarchitektur, deren interne Logik so gestaltet sein soll, dass sie zur Laufzeit teilweise rekonfigurierbar ist. Die eigentliche Rekonfiguration muss dabei sogar von innerhalb des Systems aus möglich sein. Daher müssen der Mikrocontroller und das Betriebssystem sorgfältig zusammen entworfen werden, um den Rekonfigurationsprozess auf der Grundlage des Systemzustands zu unterstützen. Weitere Schwerpunkte liegen deshalb auf der Konzeption von zugehörigen Betriebssystemfunktionen und der Leistungsmessung einzelner Hardware- und Softwarekomponenten.

Die vorgestellten Konzepte verbessern die Flexibilität bei der Entwicklung und langfristigen Wartung eingebetteter Systeme erheblich. Auf diese Weise können eingebettete Systeme länger in Betrieb bleiben, was die Nachhaltigkeit insgesamt verbessert, da weniger Elektroschrott produziert wird.
Originalspracheenglisch
QualifikationDoktor der Technik
Gradverleihende Hochschule
  • Technische Universität Graz (90000)
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Baunach, Marcel Carsten, Betreuer
  • Reith, Steffen, Berater, Externe Person
Datum der Bewilligung19 Dez. 2022
PublikationsstatusVeröffentlicht - 19 Dez. 2022

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