Eingebettete Systeme (Embedded Systems)#

Ein eingebettetes System ist ein Computer, der fest in ein technisches Gerät integriert ist und dort eine spezifische Steuerungs-, Regelungs- oder Überwachungsaufgabe übernimmt — im Gegensatz zu einem PC ist es nicht für allgemeine Anwendungen gedacht. Zusammen mit Sensoren und Aktoren bildet es ein cyber-physisches System, das die physische Welt misst und aktiv beeinflusst.

Grundbestandteile#

flowchart TD
    subgraph ES["Eingebettetes System"]
        CPU["CPU / Mikrocontroller\n(Verarbeitung)"]
        MEM["Speicher\n(Programm & Daten)"]
        IO["I/O-Schnittstellen"]
    end
    Sensor["Sensorik\n(z.B. Temperatur, Druck)"] -->|Messwert| IO
    IO --> CPU
    CPU --> MEM
    CPU -->|Steuersignal| IO
    IO --> Aktor["Aktorik\n(z.B. Motor, Ventil)"]
    Aktor -->|wirkt auf| Umwelt["Physische Umgebung"]
    Umwelt -->|beeinflusst| Sensor

Mikrocontroller vs. Mikroprozessor#

Der zentrale Unterschied liegt darin, wie viel Peripherie bereits auf dem Chip integriert ist:

Ein Mikrocontroller ist also praktisch ein kompletter Kleincomputer auf einem Chip, während ein Mikroprozessor auf externe Bausteine angewiesen ist, um überhaupt lauffähig zu sein.

Echtzeitsysteme#

Ein Echtzeitsystem muss auf Ereignisse nicht nur korrekt, sondern auch innerhalb einer garantierten Zeitspanne reagieren. Viele eingebettete Systeme sind Echtzeitsysteme.

flowchart LR
    A["Ereignis tritt ein\n(z.B. Sensor meldet Wert)"] --> B["System muss reagieren\ninnerhalb Zeitschranke"]
    B -->|"eingehalten"| C["Reaktion erfolgt rechtzeitig"]
    B -->|"überschritten, harte Echtzeit"| D["Systemversagen\n(z.B. Airbag löst zu spät aus)"]
    B -->|"überschritten, weiche Echtzeit"| E["Qualitätseinbuße\n(z.B. Bildruckler)"]

Typische Einsatzgebiete#

• Industriesteuerung: speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), Fertigungsanlagen, Robotik
• Automotive: Motorsteuergerät, ABS, Airbag-Steuerung, Fahrerassistenzsysteme
• Haushaltsgeräte: Waschmaschine, Mikrowelle, Thermostat, Kaffeevollautomat
• Medizintechnik: Herzschrittmacher, Infusionspumpen
• Consumer Electronics / IoT: Smart-Home-Geräte, Wearables

Prüfungsbeispiele#

„Erklären Sie den Unterschied zwischen einem Mikrocontroller und einem Mikroprozessor."

→ Ein Mikrocontroller vereint CPU, Speicher und I/O-Peripherie auf einem einzigen Chip und benötigt kaum externe Beschaltung — typisch für eingebettete Systeme. Ein Mikroprozessor enthält nur die Recheneinheit und benötigt externen Speicher sowie externe Controller, ist dafür aber leistungsfähiger für Allzweckanwendungen (z.B. PC).

„Warum ist die Steuerung eines Airbags ein Beispiel für ein hartes Echtzeitsystem?"

→ Weil die Reaktion (Auslösung) innerhalb einer fest definierten, sehr kurzen Zeitspanne erfolgen muss — eine Verzögerung wäre kein bloßer Qualitätsverlust, sondern ein Sicherheitsversagen mit potenziell tödlichen Folgen.

„Nennen Sie die vier Grundbestandteile eines eingebetteten Systems."

→ CPU/Mikrocontroller (Verarbeitung), Speicher (Programm/Daten), Sensorik (Erfassung physikalischer Größen) und Aktorik (Umsetzung von Steuersignalen in physische Wirkung), verbunden über I/O-Schnittstellen.

Quiz#

Siehe auch#

• iot protokolle — Kommunikation eingebetteter IoT-Geräte
• pc komponenten — Aufbau eines klassischen Allzweck-Computers zum Vergleich
• elektrotechnik grundlagen — elektrische Grundlagen der Hardware
• energieeffizienz — Stromverbrauch als Designfaktor bei Embedded-Geräten

Ressourcen#

• Wikipedia: Eingebettetes System
• Wikipedia: Echtzeitsystem
• Wikipedia: Mikrocontroller
• SimpleClub: Fachinformatiker Lernbereich