Robust und abgespeckt

Was ist embedded?

| Autor / Redakteur: Ariane Rüdiger / Ulrike Ostler

Embedded-PCs finden sich in Maschinen und Anlagen
Embedded-PCs finden sich in Maschinen und Anlagen (Bild: © djama - stock.adob.com / Pixabay)

Embedded Systems oder eingebettete, fest verdrahtete Systeme sind dafür zuständig, Geräte und Anlagen zu digitalisieren und zu steuern. Es sind also kleine Computer, die in andere Geräte oder Anlagen eingebaut („eingebettet“) werden.

Embedded-Systeme steuern oder regeln die Systeme, in denen sie sich befinden, sammeln deren Daten, analysieren möglicherweise einige oder gar alle und stehen meistens über Netz- oder Busverbindungen mit übergeordneten Systemen in Verbindung.

Prozessorvielfalt im Embedded-Bereich

Embedded-Systeme können alle möglichen Prozessoren verwenden – häufig genutzte Marken sind ARM, „Intel Atom“ oder klassische „Intel Xeon“-Prozessoren für höhere Rechenleistungen. Mit RISC-V gibt es inzwischen ein CPU-Design, das flexibel erweiterbar ausgelegt ist, um sich durch entsprechende Befehlserweiterungen an bestimmte Geräte, in denen es läuft, etwa für die optische Qualitätskontrolle, anpassen zu können.

Das Embedded-System befindet sich meistens auf einer Leiterplatte, hat ein einfaches oder kein Gehäuse, oft weder Lüfter noch eine eigene Stromversorgung und steckt oft direkt im zu steuernden System oder wird an dieses angebaut. Früher dienten als Embedded Systems häufig so genannte VMEbus-Karten, die speziell für den industriellen Embedded-Bereich entwickelt wurden.

Derzeit ist am bekanntesten wohl der Raspberry Pi, wenn auch nicht unbedingt aus dem industriellen Umfeld. Viele digitalisierte Steuerungstypen können im Grunde als Embedded Systems betrachtet werden.

Zwischen Feldbus und 5G

Zur Vernetzung der Embedded-Technik werden spezielle Feldbussysteme wie VMEbus, Modbus und andere benutzt, doch heute werden diese immer öfter durch Industrial Ethernet oder echtzeittaugliche WLAN-Formen ersetzt. Die nächste Welle könnte aus betriebsinternen 5G-Vernetzungen bestehen.

Letztlich haben Embedded-Systeme meist dieselben IT-Komponenten, die auch normale Rechner besitzen: Compute, kleinere oder größere Mengen Speicher und Arbeitsspeicher. Dazu kommen spezialisierte Ein- und Ausgänge und klassische Netzverbindungen.

Die speziell in industriellen Umgebungen Ein- und Ausgänge führen beispielsweise zu Sensoren für alle möglichen Umgebungsparameter und zu Aktoren, also Elementen, die selbst Handlungen anstoßen oder durchführen. Gelegentlich befinden sich diese Elemente aber auch direkt im Embedded-System.

Echtzeit- und Robustheitsanforderungen

Weil Embedded-Systeme in vielen zeitsensitiven Umgebungen vorkommen, laufen auf ihnen oft nicht die gängigen Betriebssysteme, sondern spezielle Betriebssystem-Umgebungen, die Echtzeitfähigkeiten haben. Das heißt: Sie sind im Stande, hochzuverlässig in einem vorgesehenen Zeitfenster zu agieren respektive zu reagieren. Außerdem besitzen solche Systeme deutlich weniger Funktionen als Desktop-Betriebssysteme und mehr Sicherheits-Features, um weniger Angriffsfläche und mehr Schutz zu bieten.

Ein typischer Embedded-PC von ICO mit Schienenmontage
Ein typischer Embedded-PC von ICO mit Schienenmontage (Bild: ICO)

Zudem sind Embedded-Systeme wegen ihrer Einsatzumgebungen häufig physisch gehärtet. Sie sind aufgrund ihrer Bauform und der Qualität der Bauelemente dafür geeignet, widrigen Umgebungsbedingungen standzuhalten. Das können sehr hohe oder sehr tiefe Temperaturen, hohe oder geringe Luftfeuchtigkeiten, dauernder Vibrationen, elektromagnetische Felder, Verschmutzung, Nässe oder anderes mehr sein.

Embedded-Systeme und Obsoleszenz

Viele Maschinen und Anlagen, die Embedded-Systeme enthalten, stehen in der Produktion. Straßen-, Schienen- und Luftfahrzeuge bis hin zum Raumfahrzeug, Heizungsanlagen, Aufzugsysteme und andere Anlagen, stromerzeugende und -verbrauchende Systeme bis hin zu Gebäuden, etwa der Überwachungsanlage eines Kraftwerks beherbergen regelmäßig Embedded-Systems.

Alle diese Systeme sind extrem langlebig. Sie werden häufig mehrere Jahrzehnte genutzt. Deshalb müssen die in ihnen enthaltenen Embedded-Systeme und ihre Bauelemente entweder genauso lange vorrätig gehalten werden wie das System, das sie nutzt. Oder der Hersteller muss entsprechend passende Austauschsysteme liefern können.

Lange war dies selbstverständlich. Inzwischen aber werden Consumer-Komponenten mit Lieferbarkeit von wenigen Jahren zum Beispiel auch in zivilen Luftfahrzeugen verbaut, die mehrere Jahrzehnte in der Luft bleiben sollen.

Aus diesem Grund hat sich inzwischen das Thema Obsoleszenz-Management bei den Herstellern entsprechender langlebiger Investitionsgüter etabliert. Darin spiegelt sich der Widerspruch zwischen dem Kurzfrist-Denken der Elektronik- und Digitalbranche und den langen Lebenszyklen der Investitionsgüterbranche wider. Die Lebenszyklen der Investitionsgüter sollten unter anderem aus Gründen der Nachhaltigkeit nicht an die Kurzlebigkeit von Elektronik- und Digitalprodukten angepasst werden, sondern umgekehrt.

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