Embedded Systems Kurs

Lektion 1 • Überblick über die Entwicklungswerkzeugkette

Stellt Cross-Compiler, Linker, Debugger und Flash-Programmierer vor. Die Studierenden konfigurieren eine grundlegende Werkzeugkette, um ihr erstes Programm zu bauen und auszuführen.

Lektion 2 • Kernkomponenten der Hardware

Bietet einen Überblick über Mikrocontroller, Prozessoren, Speichertypen und Peripherie. Vermittelt das Hardware-Vokabular, das für alle nachfolgenden Kapitel benötigt wird.

Lektion 3 • Beschränkungen und Zielkonflikte eingebetteter Systeme

Analysiert Leistungs-, Speicher-, Latenz- und Kostenbeschränkungen, die Entwurfsentscheidungen prägen. Stellt die technischen Zielkonflikte dar, die im gesamten Kursverlauf wieder aufgegriffen werden.

Lektion 4 • Definition eingebetteter Systeme

Stellt eingebettete Systeme anhand realer Beispiele Desktop-Computern gegenüber. Verankert das Kapitel durch die Festlegung von Umfang und Entwurfsphilosophie.

Lektion 1 • Zustandsautomaten und Ablaufsteuerung

Implementiert endliche Zustandsautomaten mit Enums und switch-Anweisungen für ereignisgesteuerte Firmware. Bietet eine skalierbare Alternative zu verschachtelten Bedingungen.

Lektion 2 • Qualifizierer volatile, const und restrict

Erklärt die Wechselwirkungen der Compileroptimierung mit hardwarezugeordneten Variablen. Die Studierenden wenden Qualifizierer korrekt an, um subtile Parallelitäts- und Optimierungsfehler zu verhindern.

Lektion 3 • Zeiger und Speicherverwaltung

Behandelt Zeigerarithmetik, Funktionszeiger und statische Speicherzuweisungsstrategien. Vermeidet Fallstricke der dynamischen Zuweisung in sicherheitskritischer Firmware.

Lektion 4 • Typen fester Breite und Bitmanipulation

Verwendet stdint.h-Typen und bitweise Operatoren, um portablen Code auf Registerebene zu schreiben. Beseitigt Mehrdeutigkeiten der Typgröße, die bei Embedded-Fehlern häufig vorkommen.

Lektion 1 • Interrupts und Ausnahmebehandlung

Behandelt Interrupt-Vektoren, Prioritätsebenen und ISR-Entwurfsregeln. Die Studierenden ersetzen Polling-Schleifen zur Effizienzsteigerung durch interruptgesteuerte E/A.

Lektion 2 • Grundlagen der CPU-Architektur

Behandelt Pipeline-Stufen, Befehlssätze und Registerdateien gängiger Embedded-Kerne. Verbindet Architekturwissen mit dem Schreiben effizienten hardwarenahen Codes.

Lektion 3 • Speicherarchitektur und -abbildung

Erklärt speicherabgebildete E/A, Adressräume und Stack- vs. Heap-Zuweisung. Bereitet die Studierenden auf das Lesen von Datenblättern und das Schreiben von korrektem Peripheriezugriffscode vor.

Lektion 4 • Analoge Schnittstellen: ADC und DAC

Erklärt ADC-Abtastung, Auflösung, Referenzspannungen und DAC-Ausgabe. Die Studierenden lesen Sensorspannungen und erzeugen analoge Signale unter Softwaresteuerung.

Lektion 5 • GPIO und digitale E/A-Steuerung

Lehrt die GPIO-Konfiguration auf Registerebene für Eingabe, Ausgabe und alternative Funktionen. Die Studierenden implementieren Übungen zur LED-Steuerung und Tastenentprellung.

Lektion 1 • Serielle UART-Kommunikation

Konfiguriert Baudrate, Rahmenformat und Flusssteuerung für UART-Verbindungen. Die Studierenden implementieren eine Befehlszeilenschnittstelle über ein serielles Terminal.

Lektion 2 • Protokollauswahl und Debugging

Leitet die Protokollwahl basierend auf Geschwindigkeit, Entfernung, Knotenanzahl und Kosten an. Die Studierenden verwenden Logikanalysatoren und Oszilloskope, um Busverkehr zu dekodieren und zu debuggen.

Lektion 3 • CAN-Bus-Grundlagen

Führt CAN-Frame-Struktur, Arbitrierung, Fehlererkennung und Bustopologie ein. Bereitet die Studierenden auf die Arbeit mit Automobil- und Industrieprotokollen vor.

Lektion 4 • I2C-Bus-Protokoll

Erklärt I2C-Adressierung, ACK/NACK, Taktdehnung und Multi-Master-Arbitrierung. Die Studierenden lesen Sensordaten mit Registerkarten von I2C-Geräten.

Lektion 1 • Task-Erstellung und -Verwaltung

Erstellt, suspendiert, setzt Tasks fort und löscht sie unter Verwendung von RTOS-APIs. Die Studierenden bauen eine Multi-Task-Anwendung mit unabhängigen Sensor- und Anzeige-Tasks.

Lektion 2 • RTOS-Konzepte und Scheduling

Definiert Tasks, Scheduler, Präemption und Kontextwechsel. Stellt RTOS-basiertes Design Bare-Metal-Superloop-Ansätzen gegenüber.

Lektion 3 • RTOS-Timer und Energieverwaltung

Konfiguriert Software-Timer und ticklose Idle-Modi zur Reduzierung des Stromverbrauchs. Integriert RTOS-Timing mit Hardware-Niedrigleistungszuständen.

Lektion 4 • Kommunikation zwischen Tasks

Verwendet Warteschlangen, Mailboxen und Ereignisflags, um Daten sicher zwischen Tasks zu übergeben. Vermeidet die gemeinsame Nutzung globaler Variablen, die Wettlaufsituationen verursacht.

Lektion 1 • Optimierung des Peripheriestromverbrauchs

Aktiviert und deaktiviert Peripherie bei Bedarf, um Ruhestrom zu eliminieren. Wendet Duty-Cycling auf Sensoren, Funkgeräte und Anzeigen an.

Lektion 2 • Schlaf- und Niedrigleistungsmodi

Konfiguriert Schlaf-, Tiefschlaf- und Standby-Modi mit geeigneten Aufwachquellen. Die Studierenden messen die Stromeinsparung bei jedem Modusübergang.

Lektion 3 • Takt- und Spannungsskalierung

Reduziert die aktive Leistung durch dynamisches Absenken der CPU-Frequenz und Versorgungsspannung. Die Studierenden implementieren DVFS-Richtlinien, die an die Arbeitslastanforderung gebunden sind.

Lektion 4 • Grundlagen des Stromverbrauchs

Unterteilt dynamische, statische und periphere Leistungsanteile. Legt eine Messbasis fest, bevor die Optimierung beginnt.

Lektion 1 • Embedded-Bedrohungslandschaft

Katalogisiert physische, Firmware- und Netzwerkangriffsvektoren, die auf Embedded-Geräte abzielen. Motiviert Sicherheitsinvestitionen mit Fallstudien zu realen Sicherheitsverletzungen.

Lektion 2 • Sichere Kommunikationskanäle

Konfiguriert TLS und DTLS auf Embedded-Stacks für authentifizierte, verschlüsselte Verbindungen. Verwaltet Zertifikate und Sitzungsschlüssel unter Speicherbeschränkungen.

Lektion 3 • Sicheres Booten und Firmware-Integrität

Implementiert eine Vertrauenskette vom ROM-Bootloader bis zur Anwendungsfirmware. Die Studierenden signieren Firmware-Images und verifizieren Signaturen beim Booten.

Lektion 4 • Sicheres Firmware-Update (OTA)

Entwirft eine ausfallsichere Over-the-Air-Update-Pipeline mit Rollback-Schutz. Die Studierenden implementieren ein Dual-Bank-Flash-Update-Schema mit Signaturprüfungen.

Lektion 1 • Debugging-Techniken und -Werkzeuge

Verwendet JTAG/SWD-Debugger, Trace-Puffer und printf-artige Protokollierung, um Fehler einzugrenzen. Baut systematische Fähigkeiten zur Fehlersuche auf, die auf jede Embedded-Plattform anwendbar sind.

Lektion 2 • Strategien für Bereitstellung und Feldaktualisierung

Plant Produktions-Flashing, Felddiagnose und OTA-Update-Rollout für eingesetzte Geräte. Adressiert Flottenmanagement und Versionsverfolgung im großen Maßstab.

Lektion 3 • Statische Analyse und Codequalität

Führt statische Analysatoren aus und setzt Codierungsstandards durch, um Fehler vor der Laufzeit zu verhindern. Integriert Qualitätsschranken in die Build-Pipeline.

Lektion 4 • Hardware-in-the-Loop-Tests

Verbindet echte Hardware mit automatisierten Testskripten, um Timing- und Peripherieverhalten zu validieren. Fängt Integrationsfehler, die Unit-Tests nicht erkennen können.