Master Embedded Systems: Lehrveranstaltungen und Informationen zum Studium

Kurzbeschreibung

Diese Lehrveranstaltung behandelt wesentliche Aspekte von Real-Time Operating Systems (RTOS). Ein weiterer Fokus liegt auf den Grundlagen von Embedded Multicore-Systems (MCS). In Rahmen mehrerer Projekte und Aufgaben wird hardwarenahe Programmierung von Mikrocontrollersystemen, RTOS und MCS, perfektioniert.

Lernergebnisse

Nach erfolgreichem Abschluss sind die Studierenden in der Lage, ...

• die Gemeinsamkeiten und die Unterschiede von General Purpose Operating System (GPOS) und Real Time Operating System (RTOS) zu erklären
• die passenden RTOS-Services, Task-Modelle, Scheduling-Methoden und Entwurfsmuster für eingebettete Software-Applikationen auszuwählen
• Debuggingstrategien für Embedded Real-Time Betriebsysteme anwenden zu können
• die passenden Grundlagen und Begriffe zu dem Thema Embedded Multicore-Systeme zu erklären
• Entwurfsmuster zu dem Thema Embedded Multicore-Systeme entwerfen und umsetzen zu können
• mit den Entwicklungswerkzeugen und dessen Features Debuggingstrategien anwenden zu können

Lehrinhalte

• GPOS vs. RTOS, RTOS Charakteristika
• Tasks und Scheduling in RTOS
• Intertask Communication und Synchronization
• Ausnahmeverarbeitung (Exceptions, Interrupts)
• Timer und Timer Services
• Task-Modelle, zyklusbasiertes Scheduling
• Embedded Multicore System Charakteristika
• Intercore Kommunikation und Synchronization
• Schutz von kritischen Ressourcen zur Kommunikation mit Sensoren

Vorkenntnisse

Grundkenntnisse über Computerarchitektur, Betriebssysteme, Parallelverarbeitung und systemnahen Software-Entwurf in C

Literatur

• Q. Li (2003): Real-Time Concepts for Embedded Systems, CMP Books
• P. Koopman (2010): Better Embedded System Software, Drumnadrochit Education
• T. Noergaard (2012): Embedded Systems Architecture: A Comprehensive Guide for Engineers and Programmers, Newnes
• K. Yaghmour, J. Masters, Gilad Ben-Yossef, P. Gerum (2008): Building Embedded Linux Systems, O'Reilly
• B. Moyer (2013): Real World Multicore Embedded Systems
• I. Foster (2003): Designing and Building Parallel Programs

Leistungsbeurteilung

• LV-Immanente Leistungsbeurteilung

Kurzbeschreibung

Die Lehrveranstaltung vermittelt profunde Kenntnisse über Entwurf, Verifikation, Fertigung und Test von anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs) samt einem Überblick über heutzutage zur Verfügung stehende Technologien und wirtschaftlichen Hintergrundinformationen, mit Schwerpunkt auf Standard-Zellen-basierte digitale ASICs.

Lernergebnisse

Nach erfolgreichem Abschluss sind die Studierenden in der Lage, ...

• die grundlegenden Konzepte einer Modellierungssprache für komplexe integrierte Schaltungen, wie SystemC, umzusetzen
• Verifikationssprachen für digitale integrierte Schaltungen (PSL, SystemC, SystemVerilog, ...) anzuwenden
• aus heutzutage verfügbaren Technologien für integrierte Schaltungen, die für einen bestimmten Anwendungsfall geeignetste Technologie, unter wirtschaftlichen Rahmenbedingungen, auszuwählen
• die grundlegenden Schritte zur Entwicklung und Fertigung eines Standard-Zellen-basierten ASICs, wie Logiksynthese, Backend Design, Fabrication,Fertigungstest etc. zu erklären
• ausgewählte Tools für den Entwurf von digitalen integrierten Schaltungen zu bedienen
• die Herausforderung beim Entwurf zukünftiger integrierter Schaltungen zu benennen

Lehrinhalte

• Terminologie und Basics von anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs)
• Modellierung komplexer ASIC-Designs mit SystemC
• Verifikation digitaler ASIC-Designs mit Verifikationssprachen wie PSL, SystemC, SystemVerilog, ...
• Optionen für den Entwurf von ASICs und Prozesstechnologien
• Entwurfsablauf von Standard-Zellen-basierten ASICs (Logiksynthese, Backend Design, Fertigungstest, ...)
• Fertigung von ASICs
• Wirtschaftliche Hintergründe bei der Entwicklung von ASICs
• International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS)

Vorkenntnisse

Detaillierte Kenntnisse zur Beschreibung von kombinatorischer und sequentieller Logik mit VHDL unter Berücksichtigung von Coding Guidelines und der synchronen Design-Methodik - Detaillierte Kenntnisse zur Verifikation digitaler Schaltungen und Systeme mittels eines industriellen Digitalsimulators - Detaillierte Kenntnisse über PLD-Technologien sowie Synthese und Implementierung digitaler Schaltungen und Systeme mittels industrieller Tools auf FPGA-Bausteinen als Zieltechnologie

Literatur

• Studienbriefe
• D. C. Black, J. Donovan, B. Bunton, A. Keist (2010): SystemC: From the Ground Up, Springer, Second Edition
• C. Eisner, D. Fisman (2006): A Practical Introduction to PSL, Springer
• H. Kaeslin (2014): Top-Down Digital VLSIDesign, Morgan Kaufmann
• M. J. S. Smith (1997): Application-Specific Integrated Circuits, Addison Wesley (content of the book freely available over the internet) Lernunterlagen:

Leistungsbeurteilung

• LV-Immanente Leistungsbeurteilung

Kurzbeschreibung

Die Lehrveranstaltung ist eine Einführung in die Entwicklung und Analyse von Embedded Systems, an die hohe Anforderungen an Verlässlichkeit und Sicherheit gestellt werden. Neben der Erarbeitung der Terminologie und grundlegender Methoden zur Zuverlässigkeitsberechnung werden Methoden der Risikoanalyse, Architektur- und Designprinzipien zum Entwurf zuverlässiger Systeme, sowie Analysemethoden zur Bewertung solcher Systeme vorgestellt. Darüber hinaus wird auf den Schutz der Systeme vor Angriffen von außen eingegangen.

Lernergebnisse

Nach erfolgreichem Abschluss sind die Studierenden in der Lage, ...

• die Eigenschaften Zuverlässiger Systeme, typische Fehlerursachen und Systemausfallsarten zu benennen sowie die Zuverlässigkeit von einfachen Systemen zu berechnen;
• die Grundkonzepte zum Entwurf zuverlässiger Systeme anhand von konkreten Anwendungsbeispielen zu erklären;
• eine Gefahren- und Risikoanalyse zur Klassifizierung (ASIL-Einstufung gemäß ISO 26262) eines elektronischen Systems durchzuführen;
• die Ausfallsarten der Grundkomponenten einer E/E-Hardware zu benennen und eine quantitative Zuverlässigkeitsanalyse (FMEDA) über die Hardware eines elektronischen Systems durchzuführen;
• Methoden für die Softwareentwicklung Zuverlässiger Systeme zu erklären und anzuwenden;
• die Grundkonzepte zur Sicherstellung der Rückwirkungsfreiheit von Software in Systemen mit heterogenen Sicherheitsanforderungen anhand konkreter Anwendungsbeispiele zu erklären und anzuwenden;
• die grundsätzliche Gefährdung durch einen bewussten Angriff von außen an ein System zu erkennen und Methoden zum Schutz dagegen zu benennen.

Lehrinhalte

• Dependable Systems Einführung (Definition, Eigenschaften, Fehlerursachen und Systemausfallsarten)
• Berechnung der Zuverlässigkeit von Systemen (inkl. Auffrischung relevanter Teile aus der Wahrscheinlichkeitsrechnung)
• Grundkonzepte für zuverlässige Systeme (Fehlertoleranz ...)
• Gefahren- und Risikoanalyse (ASIL-Einstufung gemäß ISO 26262)
• Systementwurf zuverlässiger Systeme inkl. Beispiele (fail safe vs. fail operational systems etc.)
• E/E-Hardware Zuverlässigkeit (Ausfallsraten der Grundkomponenten)
• Quantitative Zuverlässigkeitsanalyse (FMEDA)
• Softwareentwurf und Implementierung zuverlässige Systeme
• Rückwirkungsfreiheit von Software in Systemen mit heterogenen Sicherheitsanforderungen
• Definition, Eigenschaften, Angriffsarten (Beispiele)
• Ausgewählte Methoden zum Schutz gegen Angriffe von außen

Vorkenntnisse

Grundkenntnisse der Wahrscheinlichkeitstheorie; Grundkenntnisse der Softwareentwicklung sowie Programmiererfahrung.

Literatur

• Empfehlungen:
• A. Avizienis, J.C. Laprie, B. Randell, C. Landwehr (2004): Basic Concepts and Taxonomy of Dependable and Secure Computing, IEEE Transactions on Dependable and Secure Computing, Vol. 1, N. 1
• D. P. Bertsekas, J. N. Tsitsiklis (2000): Introduction to Probability, Athena Scientific
• ISO 26262 1st Ed 2011, Road vehicles – Functional safety
• P. Löw (2012): Funktionale Sicherheit in der Praxis: Anwendungen von DIN EN 61508 und ISO/DIS 26262 bei der Entwicklung von Serienprodukten, dpunkt verlag
• MISRA C-2004, Guidelines for the use of the C language in critical systems
• M. Werdich (2012): FMEA - Einführung und Moderation, Vieweg+Teubner Verlag Lernunterlagen:
• Studienbriefe

Leistungsbeurteilung

• LV-Immanente Leistungsbeurteilung

Kurzbeschreibung

Dieses Modul adressiert Embedded Systems relevante Elektronik Inhalte und dient als "Brückenmodul" zu verschiedenen fachlich verwandten Bachelorstudiengängen. Aktuelle Themen sind:

• Regelungstechnik mit Matlab/Simulink
• Elektronik und VHDL

Lernergebnisse

Nach erfolgreichem Abschluss sind die Studierenden in der Lage, ...

• die wesentlichsten Elektronik Komponenten und deren grundlegende Eigenschaften zu benennen und entsprechende Schaltungen zu lesen und zu analysieren
• einfache digitale Systeme mit einer Hardware-Beschreibungssprache zu beschreiben und zu simulieren
• einfache analoge Regelkreise für verschiedene Strecken zu entwerfen und auf Stabilität zu untersuchen
• Matlab/Simulink für verschiedenste Probleme insbesondere der Regelungstechnik anzuwenden

Lehrinhalte

• Elektronik (aktive und passive Bauteile, Grundschaltungen etc.)
• synchroner Schaltungsentwurf mit VHDL (sequentielle, parallele Prozesse, Testbenches etc.)
• Übertragungsglieder, Regelkreise, Stabilitätskriterien
• Matlab/Simulink

Vorkenntnisse

keine

Literatur

• Studienbriefe
• P. Busch, "Elementare Regelungstechnik", Vogel Fachbuch, 294 S., 2005

Leistungsbeurteilung

• mehrere Teilprüfungen & LV-Immanente Leistungsbeurteilung

Kurzbeschreibung

In diesem Modul werden spezielle Themen rund um Embedded Systems Technologien und Anwendungen gemäß dem aktuellen Stand der Wissenschaft sowie der industriellen Praxis behandelt. Aktuelle Themen sind:

• Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) & PCB Simulation
• Industrielle Automatisierung mit IEC 61499

Lernergebnisse

Nach erfolgreichem Abschluss sind die Studierenden in der Lage, ...

• Geräte auf ihre EMV Konformität zu prüfen und grundsätzliche Prinzipien und Techniken des EMV gerechten Gerätedesigns anzuwenden
• die elektrischen Eigenschaften von Leiterplatten mittels Simulation zu untersuchen
• einfache Steuerungen nach dem IEC 61499 Standard zu entwerfen

Lehrinhalte

• EMV Einführung
• EMV Konformität
• EMV Design Regeln für Embedded Systems
• Speicherprogrammierbare Steuerungen - IEC 61131 vs IEC 61499
• Verteilte Steuerungen und flexible Automation

Vorkenntnisse

keine

Literatur

• Studienbriefe
• P. Clayton (2006): Introduction to Electromagnetic Compatibility, Wiley-Interscience
• Th. Strasser, A. Zoitl (2017): Distributed Control Applications: Guidelines, Design Patterns, and Application Examples with the IEC 61499, CRC Press

Leistungsbeurteilung

• mehrere Teilprüfungen & LV-Immanente Leistungsbeurteilung

Kurzbeschreibung

Die Lehrveranstaltung vermittelt den Studierenden grundsätzliche Prinzipien der Führung von Teams.

Lernergebnisse

Nach erfolgreichem Abschluss sind die Studierenden in der Lage, ...

• die Rolle der Führung in den unterschiedlichen Phasen der Teamentwicklung (z. B. nach Tuckman) zu erläutern und relevante Führungshandlungen (z. B. direktive Führung in der Forming-Phase) abzuleiten.
• Dynamiken in Projektteams anhand von Modellen (z. B. Rangdynamik, Dramadreieck, TZI) zu diagnostizieren und konkrete Handungsmöglichkeiten (z.B. Delegation von Verantwortung, Kritikgespräch) fallbezogen zu entwickeln und zu begründen.

Lehrinhalte

• Führungsstile und -handlungen (bei der Führung von Projektteams)
• Führungsinstrumente in Projektteams
• Konsequenzen des „Nicht-Führens“
• Rollenkonflikte "Kollege/Kollegin" und "Projektleiter/in"
• Konflikte und schwierige Situationen in der Führung von Projektteams

Vorkenntnisse

keine

Literatur

• Cronenbroeck, Wolfgang (2008): Projektmanagement, Verlag Cornelsen, Berlin
• DeMarco, Tom (1998): Der Termin – Ein Roman über Projektmanagement, München: Hanser
• Kellner, Hedwig (2000): Projekte konfliktfrei führen. Wie Sie ein erfolgreiches Team aufbauen, Hanser Wirtschaft
• Majer Christian/Stabauer Luis (2010): Social competence im Projektmanagement - Projektteams führen, entwickeln, motivieren, Goldegg-Verlag, Wien

Leistungsbeurteilung

• Fallstudie mit Präsentation (Note)

Anmerkungen

keine

Kurzbeschreibung

Kritische Auseinandersetzung mit den Problemfeldern einer zunehmend von elektronischen Kommunikationssystemen abhängigen Gesellschaft.

Methodik

ILV-SE

Lernergebnisse

Nach erfolgreichem Abschluss sind die Studierenden in der Lage, ...

• potentielle Fehlerquellen in elektronischen Systemen zu erkennen und deren Auswirkungen auf die Sicherheit einzuschätzen;
• Möglichkeiten und Grenzen der Automatisierung zu analysieren;
• den Verlust der Privatsphäre durch Verwendung elektronischer Kommunikationseinrichtungen zu beurteilen;
• Gegenstrategien zum Überwachungsstaat vorzuschlagen.

Lehrinhalte

• Fallstudien zur Sicherheit im öffentlichen Verkehr
• Automatisierung in Luftfahrt und Schienenverkehr
• Selbstfahrende Straßenfahrzeuge
• Automatisierung des Haushalts – Internet of Things
• Fallstudien zur Überwachung durch staatliche Einrichtung
• Einschränkung der Privatsphäre und Bürgerrechte

Vorkenntnisse

- Englischkenntnisse auf Niveau C1 in den Fertigkeiten Hör- und Leseverstehen sowie Sprechen. - Kenntnisse und Fertigkeiten zum Verfassen kurzer wissenschaftlicher Arbeiten in englischer Sprache.

Literatur

• Empfehlungen:
• I. Asimov (1983): The Complete Robot, Harper Collins
• J. C. Augusto, Hg. (2012): Handbook of Ambient Assisted Living: Technology for Healthcare, Rehabilitation and Well-Being, Ios Press
• M. Rausand (2014): Reliability of Safety-CriticalSystems: Theory and Applications, John Wiley & Sons Lernunterlagen:
• Studienbriefe
• O. Maderdonner et al. (2014): Privacy, Skriptum

Leistungsbeurteilung

• LV-Immanente Leistungsbeurteilung

Kurzbeschreibung

Dieses Modul adressiert Methoden und Praktiken für eine wissenschaftliche Herangehensweise an Problemstellungen im Umfeld von Embedded und Cyber-physikalischen Systemen.

Lernergebnisse

Nach erfolgreichem Abschluss sind die Studierenden in der Lage, ...

• verschiedene Typen wissenschaftlicher Arbeiten zu erklären
• die Standards, die wissenschaftliche Arbeiten kennzeichnen, zu erläutern
• Themenstellungen zu entwerfen und Forschungsfragen zu formulieren
• Arbeitsmethoden für die gewählten Fragestellungen auszuwählen und einzusetzen
• eine wissenschaftliche Arbeit formal korrekt zu strukturieren
• ein Proposal (Exposé, Disposition) für eine Masterarbeit zu verfassen
• (Literatur-) Recherchen durchzuführen, Quellen zu bewerten und nach wissenschaftlichen Standards zu referenzieren
• formale und sprachliche Ansprüche an einen wissenschaftlichen Text zu erklären und umzusetzen
• Darstellungen grundlegender deskriptiver Statistiken zu verstehen sowie sinnvolle Methoden für die eigenen Fragestellungen zu wählen und anzuwenden

Lehrinhalte

• Grundlagenforschung versus Angewandte Forschung
• Überblick über Forschungsmethoden und Arten wissenschaftlicher Arbeiten
• State-of-the-Art Recherche und Bewertung relevanter Arbeiten
• Planung und Durchführung von Datenerfassung und Bewertung
• Auswahl und Bewertung von Konzepten, Planung und Durchführung einer Implementierung
• Test und Verifikation einer Lösung
• Evaluierung, Bewertung und Analyse einer Implementierung
• Wissenschaftliche Dokumentation

Vorkenntnisse

keine

Literatur

• P. Leedy, J. Ormrod (2018): Practical Research. Planning and Design, Pearson
• M. Patten, M. Newhart (2017): Understanding Research Methods: An Overview of the Essentials, Routledge

Leistungsbeurteilung

• LV-Immanente Leistungsbeurteilung

Kurzbeschreibung

Die Lehrveranstaltung vermittelt profunde Kenntnisse über Entwurf, Verifikation und Test von System-on-Chips samt einem Überblick über aktuelle Anwendungen und Optionen für die Realisierung von (Multi-core) System-on-Chip-Architekturen, mit Schwerpunkt auf programmierbare System-on-Chips.

Lernergebnisse

Nach erfolgreichem Abschluss sind die Studierenden in der Lage, ...

• den Begriff „System-on-Chip“ zu definieren sowie Grundkomponenten und Anwendungen von System-on-Chips zu nennen
• grundlegende Entwurfsschritte eines System-on-Chip unter Verwendung von Prinzipien wie Design Reuse, Hardware/Software Co-Design und Hardware/Software Co-Verifikation zu erklären
• Optionen für die Realisierung von (Multi-core) System-on-Chip-Architekturen unter Einbeziehung des Entwurfsraums (Hardware/Software Trade-Off) und interner Kommunikationsmechanismen (On-Chip Bussysteme, Network-on-Chip)gegenüberzustellen
• Ressourcen zeitgemäßer FPGA-Bausteine zur Realisierung eines „Programmable System-on-Chip“ zu benennen
• ausgewählte Tools für Entwurf, Verifikation und Test eines „Programmable System-on-Chip“ zu bedienen und damit ein Basissystem, bestehend aus einem oder mehreren Rechenkernen, verschiedenen Arten von Speichertechnologien und Peripherieelementen zu entwickeln
• die Herausforderungen bei der Entwicklung heutiger und zukünftiger System-on-Chips zu benennen

Lehrinhalte

• Einführung und Motivation für den System-on-Chip-Entwurf
• System-on-Chip-Entwurfsablauf unter Verwendung von Prinzipien wie Design Reuse, Hardware/Software Co-Design oder Hardware/Software Co-Verifikation
• Multi-core System-on-Chips
• Interne Kommunikationsstrukturen von System-on-Chips (On-chip Bussysteme, Network-on-Chips)
• Optionen zur Realisierung von System-on-Chip-Architekturen unter Berücksichtigung des Entwurfsraums
• Ressourcen zeitgemäßer FPGA-Bausteine zur Realisierung von Programmable System-on-Chips
• Abschlussprojekt (Tools, Entwurf, Implementierung, Verifikation und Bring-up von Hardware- und Softwareteilen eines einfachenSystem-on-Chip)

Vorkenntnisse

Detaillierte Kenntnisse zur Beschreibung von digitalen Systemen mit VHDL (und überblicksmäßig mit Verilog) sowie der Modellierung komplexer integrierter Systeme mit SystemC - Detaillierte Kenntnisse zur Verifikation digitaler Schaltungen und Systeme mittels VHDL, PSL, SystemC, ... unter Verwendung eines industriellen Digitalsimulators - Detaillierte Kenntnisse über Technologien, Fertigung und den Entwurfsablauf von integrierten Schaltungen (PLDs, Standard-Zellen-basierte ASICs, ...) und speziell profunde Kenntnisse in der Bedienung von industriellen FPGA-Tools

Literatur

• Studienbriefe
• H. Chang, L. R. Cooke, M. Hunt, G. Martin (1999): Surviving the SOC Revolution, Springer
• A. Jerraya, W. Wolf (2004): Multiprocessor Systems-on-Chips, Morgan Kaufmann
• P. Rashinkar (2002): System-on-a-Chip Verification: Methodology And Techniques, Springer
• P. Schaumont (2010): A Practical Introduction to Hardware/Software Codesign, Springer Lernunterlagen:

Leistungsbeurteilung

• LV-Immanente Leistungsbeurteilung

Kurzbeschreibung

Das Modul behandelt wesentliche Aspekte von Embedded Security. Weitere Vorteile liegen in der Kryptographie und Analyse von Embedded Devices mittels Seitenkanal Angriffen. Im Rahmen der Projekte und Aufgaben wird Security und deren Threats insbesondere für Embedded Devices perfektioniert.

Lernergebnisse

Nach erfolgreichem Abschluss sind die Studierenden in der Lage, ...

• Techniken der Kryptographie zu verstehen und diese anzuwenden
• Software Libraries und Hardware Module für Security zu bewerten und richtig einzusetzen
• Security Threats zu identifizieren und Gegenmaßnahmen zu setzen
• Security Tests zu entwickeln und durchzuführen (bspw. eine Seitenkanalanalyse) um die Sicherheit der betroffenen Embedded Systems zu bewerten

Lehrinhalte

• Einführung in das Thema Security
• Kryptographie und deren praktische Anwendung
• Logical Side-Channels
• Phsyical Side-Channels
• IoT Threats
• Hardware Security

Vorkenntnisse

Grundkenntnisse über Computerarchitekturen, Betriebssysteme und die Programmiersprachen C/C++

Literatur

• Aumasson (2017): Serious Cryptography, no starch press
• Paar, Pelzl (2011): Understanding Cryptography: A Textbook For Students And Practitioners, Springer
• Mangard, Oswald, Popp (2007): Power Analysis Attacks, Springer
• O'Flynn, Woudenberg (2021): The Hardware Handbook, no starch press
• Chantzis, Stais, Calderon, Deirmentzoglou, Woods (2021): Practical IoT Hacking, no starch press

Leistungsbeurteilung

• LV-Immanenter Prüfungscharakter

Kurzbeschreibung

Die TeilnehmerInnen lernen regelungstechnische Aufgaben zu klassifizieren, geeignete Regelalgorithmen auszuwählen und zeitdiskrete Regler zu entwerfen und zu dimensionieren.

Lernergebnisse

Nach erfolgreichem Abschluss sind die Studierenden in der Lage, ...

• Regelkreise mit komplexer Struktur und Mehrgrößenregelungen zu erklären;
• Konzepte der digitalen Regelung zu beschreiben;
• digitale Regler auf Mikrocontrollerbasis zu implementieren;
• das Übertragungsverhalten komplexer Regelstrecken zu analysieren;
• die entworfenen digitalen Regelkreise zu analysieren und zu testen;
• Embedded Systems für Anwendungen der Steuerungs- und Regelungstechnik zu entwerfen und in die Umgebung zu integrieren.

Lehrinhalte

• Dimensionierung und Identifikation von vermaschten Regelungen und Mehrgrößenregelungen
• Implementierung von digitalen Reglern
• Identifikation von Regelkreise mit instabilen Strecken
• Beschreibung von Systemen im Zustandsraum und Zustandsregler
• Dimensionierung von Beobachtern für bestehende Regelstrecken
• Abschlussprojekt (z.B. Inverses Pendel)

Vorkenntnisse

- Grundlagen der Regelungstechnik - Matrizenrechnung - Software-Entwicklung für Embedded Systems

Literatur

• Empfehlungen:
• S. Zacher, M. Reuter (2011): Regelungstechnik für Ingenieure; Analyse, Simulation und Entwurf von Regelkreisen, Verlag Vieweg
• R. C. Dorf, R. H. Bishop (2008): Modern Control Systems; Pearson Education
• J. Lunze (2008): Regelungstechnik 1, Springer
• J. Lunze (2008): Regelungstechnik 2, Springer Lernunterlagen:
• Studienbriefe

Leistungsbeurteilung

• LV-Immanente Leistungsbeurteilung

Kurzbeschreibung

In diesem Modul erabeiten sich die Studierenden die Grundlagen für ein umfangreiches Projekt mit Bezug zu Embedded Systems Technologien und Anwendungen im Kontext hochschulischer F&E-Aktivitäten oder im Rahmen ihrer individuellen Berufstätigkeit. Das Projekt stellt i.A. den ersten praxisrelevanten Teil für die Masterarbeit dar.

Lernergebnisse

Nach erfolgreichem Abschluss sind die Studierenden in der Lage, ...

• den State-of-the-Art zu einem Projekt bzw. einer Thematik zu erarbeiten und zusammenzufassen
• eine Marktrecherche durchzuführen und zu dokumentieren
• Toolchains für Embedded Systems mit entsprechenden Evaluation Boards in Betrieb zu nehmen
• existierende Projekte in Betrieb zu nehmen, zu analysieren und zu bewerten
• Konzepte für eine technische Umsetzung zu erstellen

Lehrinhalte

• State-of-the-Art Rechereche (IEEE Xplore, ACM Digital Library, ASME Digital Collections, Google Scholar etc.)
• Marktrecherche
• Setup und in Betriebnahme von Toolchains, Evaluation Boards etc.
• Erarbeitung von Bewertungskriterien und Durchführung einer Bewertung

Vorkenntnisse

projektspezifisch

Literatur

• Projektspezifische wissenschaftliche Fachpublikationen (bspw. IEEE Xplore, ACM Digital Library, ASME Digital Collection etc.)

Leistungsbeurteilung

• Projektfortschritt, Funktionsnachweis, Projektpräsentation

Kurzbeschreibung

Dieses Modul adressiert objekt-orientierte sowie neue, moderne Sprachkonzepte für "high-level" Embedded Systems.

Lernergebnisse

Nach erfolgreichem Abschluss sind die Studierenden in der Lage, ...

• eine Aufgabe mit objekt-orientierten Ansätzen zu beschreiben und modellieren
• objekt-orientierte Sprachkonzepte (Klassen, Vererbung, Templates, Polymorphie etc.) und Methoden für "high-level" Embedded Systems zielgerecht einzusetzen
• diese Konzepte mit einer geeigneten Sprache, z.B. `C++` oder `Rust` umzusetzen

Lehrinhalte

• Objekt-orientierte Techniken für Mikrocontroller
• Objekte und Kapselung
• Vererbung
• Polymorphie
• Templates
• Standard Template Library (STL)

Vorkenntnisse

Grundkenntnisse über die Programmiersprache C und Embedded Systems Software

Literatur

• Ch. Kormanyos (2021): Real-Time C++: Efficient Object-Oriented and Template Microcontroller Programming, Springer
• M. Posch (2019): Hands-On Embedded Programming with C++17: Create versatile and robust embedded solutions for MCUs and RTOSes with modern `C++`, Packt Publishing

Leistungsbeurteilung

• LV-Immanenter Prüfungscharakter

Kurzbeschreibung

Dieses Modul widmet sich verschiedenen Test und Verifikationsmethoden für die Software von Embedded Systems.

Lernergebnisse

Nach erfolgreichem Abschluss sind die Studierenden in der Lage, ...

• verschiedene Testarten und Testkonzepte zu benennen und einzuordnen
• Methoden des Test-Driven Designs anzuwenden
• verschiedene Testmetriken zu benennen und diese zu ermitteln
• ein Unit-Test Framework für Embedded Systems zu adaptieren
• Modultests für Embedded Software zu erstellen und durchzuführen
• die Unterschiede zwischen Mocks, Stubs und Fakes zu erläutern und diese zu implementieren
• Integrationstests und Systemtests zu implementieren und durchzuführen
• Testergebnisse zu analysieren und zu interpretieren
• eine Testautomatisierung aufzusetzen und in Betrieb zu nehmen
• ein System formal zu modellieren und mit formalen Methoden (bspw. Model-Checking) zu verifizieren
• die wichtigsten formalen Methoden und Werkzeuge zur Verifikation zu benennen und deren Funktionsweise zu erläutern

Lehrinhalte

• Einführung in Testen
• Unit-Test Frameworks
• Erstellen von Mocks, Stubs und Fakes für Embedded Code
• Implementierung eines Systemtests für ein IoT System
• Aufsetzen einer Testautomatisierung
• Einführung in formale Methoden zur Verifikation
• Modellierung, Simulation und Verifikation mittels Model-Checker

Vorkenntnisse

Grundkenntnisse der Programmiersprachen C/C++ und Python; Embedded Systems Software

Literatur

• Studienbriefe
• St. Grünfelder (2017): Software-Test für Embedded Systems: Ein Praxishandbuch für Entwickler, Tester und technische Projektleiter, dpunkt.verlag GmbH
• J.W. Grenning (2011): Test Driven Development for Embedded C, Pragmatic Bookshelf
• A. Spillner, U. Breymann (2016): Lean Testing für `C++`-Programmierer: Angemessen statt aufwendig testen, dpunkt.verlag GmbH

Leistungsbeurteilung

• LV-Immanenter Prüfungscharakter

Kurzbeschreibung

In diesem Modul implementieren die Studierenden die Kernfunktion ihres Embedded Systems Projekts, das den wesentlichen Teil für ihre Masterarbeit liefert.

Lernergebnisse

Nach erfolgreichem Abschluss sind die Studierenden in der Lage, ...

• einen Projekt- und Zeitplan mit Meilensteinen, benötigten Ressourcen und Fallback Optionen zu planen
• den Projektfortschritt mit einem Peer abzustimmen und zu dokumentieren
• ein Konzept für eine technische Implementierung auszuwählen
• das Konzept in Teilschritte zu strukturieren und die Teile technische zu implementieren
• die Teilimplementierungen zu einer Gesamtlösung zu integrieren

Lehrinhalte

• Projektmanagement "am Projekt"
• Konzepte und Methoden zur Strukturierung und Integration

Vorkenntnisse

projektspezifisch

Literatur

• projektspezifisch

Leistungsbeurteilung

• LV-Immanente Leistungsbeurteilung

Kurzbeschreibung

In diesem Modul werden die Motivation, Problemstellung und wissenschaftlichen Fragen der Masterarbeit herausgearbeitet sowie der relevante State-of-the-Art recherchiert und dokumentiert.

Lernergebnisse

Nach erfolgreichem Abschluss sind die Studierenden in der Lage, ...

• abgeleitet von einem technischen Projekt wissenschaftliche Fragen zur formulieren
• den State-of-the-Art zu dieser Problemstellung zu recherchieren und zu dokumentieren
• Konzepte zur Lösung der wissenschaftlichen Fragestellungen auszuarbeiten und zu bewerten

Lehrinhalte

• themenspezifisch

Vorkenntnisse

Wissenschaftliche Methoden, themenspezifisch

Literatur

• themenrelevante wissenschaflliche Fachpublikationen (IEEE, ACM, ASME etc.)
• themenrelevante Bachelor-, Master- und Doktorarbeiten

Leistungsbeurteilung

• LV-Immanenter Prüfungscharakter

Kurzbeschreibung

Diese Lehrveranstaltung adressiert die Themen Innovations- und Technologiemanagement.

Lernergebnisse

Nach erfolgreichem Abschluss sind die Studierenden in der Lage, ...

• zwischen verschiedenen Arten von Innovationen zu unterscheiden
• verschiedene Innovationsstrategien abgrenzen zu können
• die organisatorischen und personellen Voraussetzungen für eine innovationsfreundliche Unternehmenskultur zu schaffen
• Methoden der Projektauswahl anzuwenden
• einen systematischen Innovationsprozess von der Ideenfindung bis hin zur Markteinführung zu kennen

Lehrinhalte

• Innovationsbegriff
• Motivation und Relevanz des Innovationsmanagements
• Quellen für Innovationen
• Open Innovation
• Innovationsarten
• Innovationsdiffusion
• Innovationsstrategien
• Innovationsprozess inkl. Stage Gate Modell
• Management des Neuproduktentwicklungsprozesses
• F&E-Projektauswahl
• Management von Teams in Neuproduktentwicklungsprozessen
• Gewerbliche Schutzrechte (insb. Patente, Gebrauchsmuster, Geschmacksmuster)

Vorkenntnisse

keine

Literatur

• Studienbriefe
• Schilling, M. A. (2020). Strategic Management of Technological Innovation. 6. Aufl., New York: McGraw-Hill Education

Leistungsbeurteilung

• LV-Immanenter Prüfungscharakter

Kurzbeschreibung

Diese Lehrveranstaltung widmet sich den Themen Qualitäts- und Sicherheitsmanagement.

Lernergebnisse

Nach erfolgreichem Abschluss sind die Studierenden in der Lage, ...

• die Grundlagen des Qualitätsmanagements laut ISO 9000 Serie wiederzugeben
• eine qualitative Risikoanalyse in einem geplanten sicherheitskritischen System durchzuführen
• eine adäquate Vorgehensweise zur Entwicklung eines gegebenen sicherheitskritischen Systems vorzuschlagen und zu planen

Lehrinhalte

• Quality Management, Terms and Standards, ISO 9000 Series
• Software Quality Management
• Safety Management
• Safety Lifecycle
• Safety Engineering Methods (Fault Trees, Safety Cases)
• Grundlagen von IEC 61508, ISO 26262

Vorkenntnisse

Grundlagen der Wahrscheinlichkeitsrechnung - Grundbegriffe der Dependability Theory - Grundlagen zur Entwicklung von (Embedded) Systems

Literatur

• Studienbriefe
• T. Pfeifer, R. Schmitt (2010): Qualitätsmanagement: Strategien, Methoden, Techniken, Carl Hanser Verlag
• P. Löw, R. Pabst, E. Petry (2010): Funktionale Sicherheit in der Praxis: Anwendung von DIN EN 61508 und ISO 26262 bei der Entwicklung von Serienprodukten, d-punkt Verlag
• Diverse Normen und Standards (ISO 9000 Familie, IEC 61508, ISO 26262,...)

Leistungsbeurteilung

• LV-Immanenter Prüfungscharakter

Kurzbeschreibung

Dieses Modul behandelt Architekturaspekte von verteilten Echtzeitsystemen für sicherheitskritische und nicht-sicherheitskritische Anwendungen.

Lernergebnisse

Nach erfolgreichem Abschluss sind die Studierenden in der Lage, ...

• Echtzeitanforderungen zu charakterisieren und in der Systemspezifikation zu berücksichtigen
• die Systemarchitektur einer verteilten (Echtzeit-) Anwendung zu erstellen
• abhängig von Systemrahmenbedingungen ("Best Effort" vs. "Guaranteed Response") die geeignete Architektur desKommunikations(sub)systems auszuwählen
• die Möglichkeiten eines Betriebssystems für Embedded Systems richtig anzuwenden
• für ein verteiltes (Echtzeit-) System die passende Uhrensynchronisation zu implementieren
• das Verhalten von (Echtzeit-) Objekten (z.B. Sensordaten) im Werte- und im Zeitbereich korrekt zu modellieren
• die zeitlichen Abhängigkeiten zwischen Nachrichten und Tasks in einem verteilten System zu beschreiben
• einen FlexRay Systemzyklus und einen Betriebssystemzyklus für die einzelnen Knoten eines verteilten Systems zu planen

Lehrinhalte

• Einführung in Verteilte Systeme und Verteilte Echtzeitsysteme
• Betriebssysteme für Embedded Systems
• Kommunikations(sub)systeme
• Zeit und Ordnung
• Modellierung von Echtzeitsystemen
• Fallstudie: FlexRay
• Workshop: Entwurf einer verteilten Echtzeitapplikation
• Überblick über die Parameter und deren Anwendung zur Planung eines FlexRay Zyklus
• Designschritte für die Konfiguration eines verteilten Systems
• Fehlerquellen in einem verteilten System
• Redundanzmechanismen zur Fehlerdetektion und Fehlerbehebung

Vorkenntnisse

Fundierte Kenntnisse über Computerarchitektur, speziell Embedded Computing Systems, Multitasking-Betriebssysteme, Echtzeit-Betriebssysteme und Parallelverarbeitung

Literatur

• Studienbriefe
• H. Kopetz (2011): Real-Time Systems: Design Principles for Distributed Embedded Applications, Springer
• Q. Li (2003): Real Time Concepts for Embedded Systems, CMP
• M. Rausch (2008): FlexRay – Grundlagen, Funktionsweise, Anwendung, Hanser

Leistungsbeurteilung

• LV-Immanenter Prüfungscharakter

Kurzbeschreibung

In diesem Modul finalisieren die Studierenden ihr Embedded Systems Projekt und testen und bewerten ihre Lösungen.

Lernergebnisse

Nach erfolgreichem Abschluss sind die Studierenden in der Lage, ...

• ein Projekt sorgfältig zu testen und Ergebnisse entsprechend zu interpretieren
• ein Projekt abzuschließen und gelöste und offene Punkte klar darzulegen

Lehrinhalte

• projektspezifisch

Vorkenntnisse

projektspezifisch

Literatur

• projektspezifisch

Leistungsbeurteilung

• LV-Immanente Leistungsbeurteilung

Kurzbeschreibung

In diesem Modul erstellen die Studierenden den Hauptteil ihrer Masterarbeit, in der Regel die Implementierung und Evaluierung ihrer Frage- und Problemlösung. Sie bewerten und hinterfragen ihre Lösung und identifizieren offene Punkte.

Lernergebnisse

Nach erfolgreichem Abschluss sind die Studierenden in der Lage, ...

• ihre Masterarbeit zu finalisieren
• diese einem kritischen Review zu unterziehen

Lehrinhalte

• themenspezifisch

Vorkenntnisse

themenspezifisch

Literatur

• themenspezifisch

Leistungsbeurteilung

• finale Begutachtung der Masterarbeit