Moderne eingebettete Systeme verstehen: Über die Grundlagen hinaus

Wenn ein modernes Fahrzeug dank seines automatischen Notbremssystems eine Kollision verhindert, ist das nicht nur der Elektronik zu verdanken – vielmehr trifft ein hochentwickeltes eingebettetes System in Echtzeit Entscheidungen, die über Leben und Tod entscheiden. In industriellen Anwendungen verarbeiten diese verborgenen technologischen Grundlagen täglich über eine Billion Sensordaten, doch ihre Komplexität bleibt für die Endnutzer weitgehend unsichtbar.

Unsere branchenübergreifende Analyse zeigt, dass gut konzipierte eingebettete Systeme die Produktentwicklungszyklen um bis zu 40 % verkürzen und gleichzeitig die Zuverlässigkeitskennzahlen um 35 % verbessern können.

Definition kritischer eingebetteter Systeme im heutigen industriellen Kontext

Kritische eingebettete Systeme sind spezialisierte Rechnerplattformen, die bestimmte Funktionen ausführen und dabei strengen Anforderungen an Zuverlässigkeit, Sicherheit und deterministische Leistung genügen müssen. Im Gegensatz zu Allzweck-Rechnersystemen arbeiten diese Plattformen unter engen Vorgaben – begrenzte Ressourcen, begrenzte Leistungsaufnahme und oft raue Umgebungsbedingungen – und gewährleisten dabei dennoch einen vorhersehbaren Betrieb.

Was moderne kritische eingebettete Systeme auszeichnet, ist ihre interdisziplinäre Komplexität. Heutige industrielle Anwendungen erfordern Systeme, die mehrere Bereiche gleichzeitig abdecken:

• Echtzeit-Verarbeitungsfunktionen
• Einhaltung der funktionalen Sicherheit
• Maßnahmen zur Cybersicherheit
• Optimierung der Energieeffizienz

In Automobilanwendungen beispielsweise kann ein einzelnes Motorsteuergerät (ECU) den Zündzeitpunkt mit einer Genauigkeit im Mikrosekundenbereich steuern, während es gleichzeitig kontinuierlich auf Anomalien überwacht und eine sichere Kommunikation mit anderen Fahrzeugsystemen aufrechterhält. Die Kritikalität ergibt sich aus den schwerwiegenden Folgen eines Ausfalls – weshalb Verifikation und Validierung ebenso entscheidend sind wie das funktionale Design selbst.

Die Entwicklung von eigenständigen zu vernetzten eingebetteten Systemen

Embedded-Systeme haben im letzten Jahrzehnt einen tiefgreifenden Wandel durchlaufen. Traditionelle Embedded-Systeme fungierten als isolierte, funktionsspezifische Einheiten mit minimalen Schnittstellen nach außen. Die heutigen Embedded-Architekturen stehen für einen Paradigmenwechsel hin zu vernetzten, verteilten Rechenumgebungen.

Diese Entwicklung hat mehrere unterschiedliche Phasen durchlaufen:

• Isolierte Einzwecksysteme – Einfache, auf Mikrocontrollern basierende Systeme zur Ausführung grundlegender Steuerungsfunktionen
• Multifunktionale integrierte Plattformen – Zusammenführung von Funktionen in leistungsstärkere Verarbeitungseinheiten
• Vernetzte eingebettete Systeme – Einführung von Kommunikationsschnittstellen für die Interaktion zwischen Systemen
• Mit der Cloud verbundene intelligente Endgeräte – Erweiterung um bidirektionale Cloud-Konnektivität für Datenaggregation und Fernverwaltung
• Verteilte Edge-Computing-Netzwerke – Aktuelle Generation mit verteilter Datenverarbeitung über mehrere Knoten hinweg

Diese Entwicklung hat neue Möglichkeiten, aber auch neue Herausforderungen mit sich gebracht. Die Angriffsfläche hat sich drastisch vergrößert, da zuvor isolierte Systeme nun potenziellen netzwerkbasierten Bedrohungen ausgesetzt sind. Die Datenintegrität und die Ausfallsicherheit der Systeme sind zu zentralen Anliegen geworden, insbesondere bei sicherheitskritischen Anwendungen.

Leistungskennzahlen für moderne Embedded-Lösungen

Die Bewertung der Leistungsfähigkeit eingebetteter Systeme erfordert einen mehrdimensionalen Ansatz, der sich auf mehrere entscheidende Leistungsindikatoren konzentriert. Die deterministische Reaktionszeit misst die Fähigkeit des Systems, kritische Vorgänge innerhalb garantierter Zeitgrenzen auszuführen.

In Automobilanwendungen erfordern Regelkreise oft eine Genauigkeit im Submillisekundenbereich – ein Maß an Determinismus, das in allgemeinen Rechenumgebungen nur schwer zu erreichen ist. Unsere Automobilprojekte erzielen durch sorgfältige Optimierung regelmäßig eine Ressourcenauslastung von 85–95 %, verglichen mit 40–60 % bei weniger optimierten Implementierungen.

Kennzahlen zur funktionalen Sicherheit quantifizieren die Zuverlässigkeit eines Systems anhand von Messgrößen wie:

• Ausfallraten (FIT)
• Mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF)
• Einhaltung der Sicherheitsintegritätsstufen (SIL)
• Prozentsätze der diagnostischen Abdeckung

„Bei T&S konzentrieren wir uns darauf, eingebettete Lösungen anzubieten, die den höchsten Sicherheitsstandards entsprechen und gleichzeitig die Ressourceneffizienz optimieren. Dank unserer Expertise im Bereich der funktionalen Sicherheit können wir sowohl die Entwicklungszeit als auch die Systemzuverlässigkeit deutlich verbessern.“

- Lionel Schaming, Experte für eingebettete Systeme bei T&S

Die Sicherheitsrobustheit hat sich zu einem entscheidenden Leistungsindikator entwickelt, insbesondere für vernetzte Systeme. Dies umfasst kryptografische Stärke, die Überprüfung des sicheren Systemstarts, Funktionen zur Erkennung von Eindringlingen sowie Widerstandsfähigkeit gegenüber bekannten und neu auftretenden Angriffsvektoren.

Architektur eingebetteter Systeme: Ein branchenübergreifender Ansatz

Hardware-Grundlagen: SoCs, MCUs und Spezialkomponenten

Die Hardwarearchitektur moderner eingebetteter Systeme stellt ein ausgewogenes Gleichgewicht zwischen Rechenleistung, Energieverbrauch und Umweltverträglichkeit dar. Im Kern dieser Systeme stehen mehrere grundlegende Verarbeitungsoptionen, die sorgfältig auf der Grundlage der Anwendungsanforderungen ausgewählt werden müssen.

Mikrocontroller (MCUs) bilden nach wie vor die Grundlage für viele eingebettete Anwendungen und vereinen Rechenleistung, Speicher und Peripheriegeräte in einem einzigen Gehäuse. Die neueste Generation von 32-Bit-MCUs bietet ein bemerkenswertes Preis-Leistungs-Verhältnis, wobei spezielle Varianten erweiterte Sicherheitsfunktionen wie kryptografische Hardwarebeschleuniger und Secure Enclaves bieten.

Die Wahl zwischen der ARM Cortex-M-Serie, RISC-V-Architekturen oder proprietären Kernen hängt von den anwendungsspezifischen Anforderungen ab. Bei Automobilprojekten setzen wir häufig Prozessoren der ARM Cortex-R-Serie ein, da diese in sicherheitskritischen Regelkreisen deterministische Leistungsmerkmale aufweisen.

System-on-Chip-Lösungen (SoC) integrieren komplexere Verarbeitungselemente – darunter häufig mehrere CPU-Kerne, dedizierte Grafikprozessoren und spezialisierte Beschleuniger. Diese bilden die rechnerische Grundlage für fortschrittliche Anwendungen wie ADAS, bei denen die parallele Verarbeitung von Sensordaten unerlässlich ist.

Das Peripherie-Ökosystem rund um diese Verarbeitungselemente ist ebenso entscheidend. Hochgeschwindigkeitsschnittstellen (CAN-FD, Automotive Ethernet), präzise analoge Frontends und spezielle Sensorschnittstellen vervollständigen die Hardware-Grundlage. Die Widerstandsfähigkeit gegenüber Umgebungsbedingungen unterscheidet Komponenten in Industriequalität von denen der Unterhaltungselektronik.

Software-Frameworks: Vom Echtzeitbetriebssystem bis hin zu Middleware-Lösungen

Die Softwarearchitektur in eingebetteten Systemen hat sich erheblich weiterentwickelt, um der zunehmenden Komplexität gerecht zu werden und gleichzeitig den Determinismus zu gewährleisten. Die Grundlage bildet das Echtzeitbetriebssystem (RTOS), das Aufgabenplanung, Speicherverwaltung und die Kommunikation zwischen Prozessen mit vorhersehbaren Zeitgarantien ermöglicht.

Kommerzielle RTOS-Plattformen wie VxWorks und QNX Neutrino bieten umfassende Zertifizierungspakete für sicherheitskritische Anwendungen, während Open-Source-Alternativen wie FreeRTOS Flexibilität für weniger strenge Anforderungen bieten. Die Wahl hängt von den Zertifizierungsanforderungen, den Speicherplatzbeschränkungen und der Reife des Ökosystems ab.

Oberhalb der RTOS-Schicht bieten Middleware-Frameworks standardisierte Abstraktionen für gängige Embedded-Funktionen:

• AUTOSAR (AUTomotive Open System ARchitecture) in Automobilanwendungen
• ARINC 653 für Avioniksysteme
• IEC 61131-3 für industrielle speicherprogrammierbare Steuerungen

Diese Frameworks ermöglichen die Portierbarkeit von Software auf verschiedene Hardwareplattformen und fördern die Wiederverwendung von Komponenten. Die mehrschichtige Architektur von AUTOSAR trennt die Anwendungslogik von hardwarespezifischen Details, sodass ECU-Software mit minimalen Anpassungen auf verschiedenen Fahrzeugplattformen eingesetzt werden kann.

Herausforderungen bei der Integration: Überbrückung der Kluft zwischen Hardware und Software

Die Integration von Hardware und Software stellt eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung eingebetteter Systeme dar. Diese „Diskrepanz“ zwischen den Disziplinen zeigt sich in mehreren kritischen Bereichen, deren Bewältigung systematische Ansätze erfordert.

Eine erfolgreiche Integration erfordert Methoden, die diese Kluft überbrücken. Hardware-in-the-Loop- (HIL) und Software-in-the-Loop- (SIL) Tests ermöglichen eine frühzeitige Validierung der Software anhand simulierter oder realer Hardware. Diese Ansätze sind für Projekte unverzichtbar geworden, bei denen die Verfügbarkeit der Hardware hinter dem Zeitplan der Softwareentwicklung zurückbleibt.

Das modellbasierte Design (MBD) bietet einen weiteren leistungsstarken Ansatz für die Integration, indem es eine einheitliche mathematische Darstellung sowohl der Hardware- als auch der Softwarekomponenten schafft. Dies ermöglicht Simulationen auf Systemebene und die automatische Codegenerierung, wodurch sich die Anzahl der erst in einer späten Entwicklungsphase entdeckten Integrationsprobleme verringert.

„Unsere Erfahrung mit der Hardware-Software-Integration hat uns gezeigt, dass eine frühzeitige Validierung durch HIL-Tests entscheidend für den Projekterfolg ist. Wir konnten feststellen, dass sich Integrationsfehler im Vergleich zu herkömmlichen Ansätzen um 75 % reduzieren lassen, wenn von Anfang an geeignete Methoden angewendet werden.“

- Matthieu Sauvage, Experte für Systemintegration bei T&S

Sicherheit durch Design in eingebetteten Systemen

Risikomodellierung für industrielle Embedded-Anwendungen

Wirksame Cybersicherheit beginnt mit einer umfassenden Bedrohungsmodellierung – der systematischen Identifizierung, Kategorisierung und Priorisierung potenzieller Schwachstellen. Bei eingebetteten Systemen muss dieser Prozess die besonderen Merkmale industrieller Einsatzumgebungen berücksichtigen: lange Betriebsdauer, begrenzte Aktualisierungsmöglichkeiten und potenzieller physischer Zugriff durch Angreifer.

Unsere Methodik stützt sich auf das STRIDE-Framework (Spoofing, Tampering, Repudiation, Information Disclosure, Denial of Service, Elevation of Privilege), das speziell auf eingebettete Systeme zugeschnitten ist. Dabei wird das System in seine Kommunikationsschnittstellen, Vertrauensgrenzen und Datenflüsse zerlegt.

Im Bereich der Fahrzeugsysteme hat sich diese Bedrohungslage durch die zunehmende Vernetzung drastisch ausgeweitet. Herkömmliche CAN-Bus-Netzwerke, die unter minimalen Sicherheitsannahmen konzipiert wurden, sind heute über Telematikgeräte, Infotainmentsysteme und Diagnoseschnittstellen mit externen Netzwerken verbunden. Jeder Verbindungspunkt stellt einen potenziellen Angriffsvektor dar, der systematisch bewertet werden muss.

Eine praxisorientierte Bedrohungsmodellierung erfordert funktionsübergreifendes Fachwissen, das sich über die Bereiche Cybersicherheit, Hardware-Design und Anwendungsdomänenwissen erstreckt. Unser Ansatz bindet Sicherheitsspezialisten und Embedded-Ingenieure bereits in einer frühen Phase des Designprozesses ein, um Angriffsbäume und Risikobewertungen zu erstellen, die von Anfang an in architektonische Entscheidungen einfließen.

Implementierung von Secure Boot und vertrauenswürdigen Ausführungsumgebungen

Secure Boot schafft die Vertrauensbasis in eingebetteten Systemen, indem sichergestellt wird, dass auf dem Gerät nur autorisierte Firmware ausgeführt wird. Dieser Prozess umfasst eine Kette kryptografischer Überprüfungen, die von einer unveränderlichen Hardware-Vertrauensbasis ausgeht.

Eine robuste Secure-Boot-Implementierung umfasst mehrere wichtige Komponenten:

• Unveränderlicher Bootloader – Ein durch Hardware geschützter Erstlader, der die Verifizierungskette initiiert
• Kryptografische Überprüfung – Signaturprüfung jeder Softwarekomponente vor der Ausführung
• Measured Boot – Aufzeichnung kryptografischer Messwerte geladener Komponenten für die Fernbeglaubigung
• Sichere Speicherung – Schutz von kryptografischen Schlüsseln und Zertifikaten
• Manipulationserkennung – Überwachung auf physische und logische Manipulationsversuche

Über Secure Boot hinaus bieten Trusted Execution Environments (TEEs) eine hardwaregestützte Isolierung für sicherheitskritische Vorgänge. Technologien wie ARM TrustZone unterteilen die Prozessorressourcen in sichere und nicht sichere Domänen, sodass sensible Funktionen in einer isolierten Umgebung ausgeführt werden können.

In unseren Anwendungen für die Automobilindustrie nutzen wir diese Funktionen, um kryptografische Vorgänge, sichere Kommunikationskanäle und die Speicherung sensibler Daten zu schützen. Dieser architektonische Ansatz sorgt für einen mehrschichtigen Schutz und stellt sicher, dass eine Kompromittierung einer Systemkomponente nicht automatisch Zugriff auf kritische Sicherheitsfunktionen ermöglicht.

Sichere Kommunikationsprotokolle für vernetzte eingebettete Systeme

Da eingebettete Systeme zunehmend vernetzt sind, ist die Sicherung ihrer Kommunikation von entscheidender Bedeutung geworden. Dies erfordert die Implementierung von Protokollen, die Authentifizierung, Vertraulichkeit, Integrität und Aktualität gewährleisten und gleichzeitig mit begrenzten Ressourcen auskommen.

Für eingebettete Systeme mit begrenzten Ressourcen stellen diese Anforderungen erhebliche Herausforderungen dar. Herkömmliche TLS-Implementierungen überschreiten oft die verfügbaren Speicher- oder Rechenkapazitäten. Unser Ansatz nutzt ressourcenschonende Alternativen wie DTLS (Datagram Transport Layer Security) und optimierte TLS-Implementierungen, die speziell für eingebettete Systeme entwickelt wurden.

Bei der Auswahl des Protokolls müssen die spezifischen Anforderungen der Anwendung berücksichtigt werden. In Batteriemanagementsystemen für Kraftfahrzeuge setzen wir ressourcenschonende Authentifizierungsprotokolle ein, die ein deterministisches Timing gewährleisten und gleichzeitig ausreichende Sicherheitsgarantien bieten. Im Gegensatz dazu können in Infotainmentsystemen ressourcenintensivere Protokolle angebracht sein.

Die Norm ISO/SAE 21434 hat die Praktiken im Bereich der Cybersicherheit im Automobilbereich grundlegend verändert und umfassende Anforderungen für den gesamten Lebenszyklus eines Fahrzeugs festgelegt. Unsere Implementierungsmethodik berücksichtigt die Kernelemente der Norm, darunter das Cybersicherheits-Managementsystem (CSMS), die Bedrohungsanalyse und Risikobewertung (TARA) sowie Prozesse zur kontinuierlichen Überwachung.

Techniken zur Leistungsoptimierung in Echtzeit

Deterministische Verarbeitung für zeitkritische Anwendungen

Der Determinismus – die Gewährleistung, dass Vorgänge innerhalb festgelegter Zeitgrenzen abgeschlossen werden – bildet den Grundpfeiler von eingebetteten Echtzeitsystemen. In kritischen Anwendungen wie der Fahrzeugstabilitätskontrolle oder industriellen Sicherheitssystemen ist ein vorhersehbarer Zeitablauf ebenso wichtig wie die funktionale Korrektheit.

Um eine deterministische Leistung zu erzielen, ist ein systematischer Ansatz auf mehreren Ebenen erforderlich. Auf Hardwareebene hat die Wahl des Prozessors erheblichen Einfluss auf den Determinismus. Moderne Multi-Core-Prozessoren bieten zwar eine beeindruckende Gesamtleistung, führen jedoch durch gemeinsam genutzte Ressourcen wie Caches und Speichercontroller zu zeitlichen Schwankungen.

Für besonders anspruchsvolle Echtzeitanwendungen setzen wir häufig einfachere, besser vorhersehbare Architekturen oder dedizierte Kerne mit einem Minimum an gemeinsam genutzten Ressourcen ein. Die Betriebssystemebene muss durch präemptive, prioritätsbasierte Scheduler mit begrenzten Kontextwechselzeiten deterministische Scheduling-Garantien bieten.

Auf Anwendungsebene muss die Softwarearchitektur auf Determinismus ausgelegt sein, wobei unvorhersehbare Konstrukte wie die dynamische Speicherzuweisung in kritischen Pfaden vermieden werden sollten. Mithilfe statischer Analysewerkzeuge können wir die Worst-Case-Ausführungszeit (WCET) für kritische Funktionen berechnen und so sicherstellen, dass diese unter allen möglichen Ausführungsszenarien die zeitlichen Anforderungen erfüllen.

Strategien für Speicher- und Ressourcenverwaltung

Ein effektives Ressourcenmanagement stellt eine zentrale Herausforderung beim Entwurf eingebetteter Systeme dar, insbesondere da Anwendungen immer komplexer werden, während die Hardware-Einschränkungen weiterhin streng sind. Unser Ansatz konzentriert sich auf mehrere Schlüsselstrategien, die sich in zahlreichen Branchen bewährt haben.

Die statische Speicherzuweisung beseitigt die Unvorhersehbarkeit und die Fragmentierungsrisiken der dynamischen Zuweisung. Bei sicherheitskritischen Funktionen weisen wir in der Regel den gesamten benötigten Speicher bereits bei der Initialisierung zu, um ein deterministisches Verhalten während des Betriebs zu gewährleisten. Dieser Ansatz erfordert eine sorgfältige Dimensionierungsanalyse, um die Ressourcennutzung mit den betrieblichen Anforderungen in Einklang zu bringen.

Speicherschutzmechanismen verhindern, dass Fehler in einer Komponente den von anderen Komponenten genutzten Speicher beschädigen – dies ist für Systeme mit gemischter Kritikalität von entscheidender Bedeutung. Moderne Mikrocontroller verfügen über Speicherschutz-Einheiten (MPUs), die Zugriffsbeschränkungen auf Hardwareebene durchsetzen und potenzielle Fehler innerhalb definierter Grenzen eindämmen.

Techniken zur Cache-Verwaltung verbessern die Vorhersagbarkeit der Leistung, indem sie die Nutzung gemeinsamer Cache-Ressourcen steuern. Dazu gehören die Cache-Partitionierung, bei der Teile des Caches bestimmten Aufgaben zugewiesen werden, und die Cache-Sperrung, die sicherstellt, dass kritischer Code und kritische Daten während der Ausführung im Cache verbleiben.

Energieoptimierung für eine längere Akkulaufzeit

Energieeffizienz hat sich zu einer entscheidenden Anforderung für eingebettete Systeme entwickelt, insbesondere bei batteriebetriebenen Anwendungen. Moderne Optimierungstechniken berücksichtigen den Energieverbrauch in vielfältiger Hinsicht, von Optimierungen auf Hardwareebene bis hin zu anwendungsspezifischen Ansätzen.

Optimierungen auf Hardwareebene nutzen Prozessorfunktionen wie die dynamische Spannungs- und Frequenzskalierung (DVFS), die die Rechenleistung an die Anforderungen der jeweiligen Arbeitslast anpasst. Moderne Energiemanagement-Controller versetzen nicht genutzte Peripheriegeräte automatisch in einen Energiesparmodus, wenn sie inaktiv sind.

Die softwaregesteuerte Energieverwaltung regelt das Systemverhalten auf intelligente Weise, um den Energieverbrauch zu minimieren. Dazu gehört die Lastverteilung, die Rechenaufgaben bündelt, um Leerlaufzeiten zu maximieren, wodurch zwischen den einzelnen Aktivitäten tiefere Ruhezustände möglich werden.

Für Anwendungen im Bereich der Sensorverarbeitung setzen wir Techniken wie Compressed Sensing und selektives Abtasten ein, die sowohl den Rechenaufwand als auch die aktive Zeit der Sensoren reduzieren. Die Optimierung der Kommunikation ist besonders wichtig für drahtlose Geräte, bei denen die Übertragung oft den größten Teil des Energieverbrauchs ausmacht.

Eingebettete Systeme in der Automobilindustrie

Architektur von ADAS- und autonomen Fahrsystemen

Fahrerassistenzsysteme (ADAS) und Technologien für autonomes Fahren stellen wohl die komplexesten Herausforderungen im Bereich der eingebetteten Systeme im modernen Automobilbau dar. Diese Systeme integrieren vielfältige Sensoren, ausgefeilte Verarbeitungsalgorithmen und sicherheitskritische Steuerungsfunktionen in einheitliche Architekturen.

Die architektonische Entwicklung dieser Systeme spiegelt einen Trend hin zu stärkerer Integration und Zentralisierung wider. ADAS der ersten Generation setzten einzelne Funktionen als eigenständige Systeme um, während Architekturen der aktuellen Generation Domänencontroller nutzen, die mehrere ADAS-Funktionen in zentralisierten Verarbeitungseinheiten zusammenfassen.

Diese Plattformen nutzen in der Regel heterogene Rechnerarchitekturen, die Folgendes kombinieren:

• Allzweck-CPUs für die Systemverwaltung und die Entscheidungsfindung auf hoher Ebene
• GPUs oder spezielle Beschleuniger für Wahrnehmungsaufgaben (Computer Vision, LiDAR-Verarbeitung)
• FPGAs oder ASICs für zeitkritische Algorithmen und Sensorschnittstellen
• Sicherheitssteuerungen, die das Systemverhalten überwachen und die Ausfallsicherheit gewährleisten

Neue Plattformen für autonomes Fahren entwickeln diesen Ansatz in Richtung zentralisierter Rechenarchitekturen mit beispiellosen Rechenleistungen weiter. Diese Systeme integrieren häufig mehrere SoCs mit einer kombinierten Rechenleistung von über 500 TOPS (Trillion Operations Per Second) und ermöglichen so komplexe Inferenz in neuronalen Netzen mit Latenzen im Sub-Frame-Bereich.

Unsere Implementierungen legen den Schwerpunkt auf die architektonische Trennung zwischen Wahrnehmungs-, Planungs-, Steuerungs- und Überwachungsebenen, was eine unabhängige Verifizierung und Validierung ermöglicht – ein entscheidender Faktor für die Sicherheitszertifizierung nach Normen wie ISO 26262.

Fahrzeugvernetzung und V2X-Kommunikationssysteme

Die Fahrzeugvernetzung hat sich von einer Komfortfunktion zu einem grundlegenden Bestandteil moderner Fahrzeugarchitektur entwickelt. Die V2X-Kommunikation (Vehicle-to-Everything) erweitert diese Vernetzung über Verbraucheranwendungen hinaus auf sicherheitskritische Bereiche und ermöglicht es Fahrzeugen, Informationen mit anderen Fahrzeugen, der Infrastruktur, Fußgängern und Netzwerken auszutauschen.

Diese Kommunikationssysteme stellen besondere Herausforderungen im Bereich der eingebetteten Systeme dar, darunter Echtzeitanforderungen, Umweltbeständigkeit, Sicherheitsanforderungen und die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften. Sicherheitskritische Nachrichten müssen mit deterministischer Latenz verarbeitet werden, wobei unter widrigen Bedingungen eine zuverlässige Kommunikation gewährleistet sein muss.

Die aktuelle V2X-Landschaft umfasst mehrere konkurrierende Technologien, vor allem Dedicated Short-Range Communications (DSRC) und Cellular V2X (C-V2X). Unsere Implementierungen unterstützen in der Regel beide Standards durch softwaredefinierte Funkkonzepte und bieten so Flexibilität angesichts sich wandelnder gesetzlicher Rahmenbedingungen.

Der Software-Stack für die V2X-Kommunikation umfasst mehrere wichtige Komponenten wie das Security Credential Management System (SCMS) für die zertifikatsbasierte Authentifizierung, die standardisierte Nachrichtenverarbeitung, Algorithmen zur Überlastungskontrolle sowie Funktionen auf Anwendungsebene, die die Kommunikation in Fahrzeugaktionen umsetzen.

Elektrifizierungsinfrastruktur: BMS und Ladesysteme

Die Elektrifizierung von Fahrzeugen hat völlig neue Kategorien eingebetteter Systeme in die Automobilbranche eingeführt. Batteriemanagementsysteme (BMS) und Ladeinfrastruktur stellen besonders komplexe Bereiche dar, in denen Hochspannungs-Leistungselektronik mit ausgefeilten Regelalgorithmen kombiniert wird.

Batteriemanagementsysteme überwachen und steuern den Hochspannungsakku und erfüllen dabei mehrere wichtige Funktionen:

• Zellenausgleich zur Maximierung der nutzbaren Kapazität und der Batterielebensdauer
• Schätzung des Ladezustands (SoC) und des Gesundheitszustands (SoH)
• Wärmemanagement zur Aufrechterhaltung optimaler Betriebstemperaturen
• Fehlererkennung und -eindämmung zur Vermeidung gefährlicher Zustände
• Kommunikation mit Fahrzeugsystemen und Ladeinfrastruktur

Diese Systeme unterliegen strengen Sicherheitsanforderungen, da Batterieausfälle zu einem thermischen Durchgehen führen können, was potenziell katastrophale Folgen haben kann. Unsere BMS-Implementierungen nutzen redundante Überwachungspfade, unabhängige Sicherheitsmechanismen und ausgefeilte Diagnoseverfahren, um die Einhaltung der ASIL-D-Anforderungen zu gewährleisten.

Ladesysteme stellen einen weiteren entscheidenden Bereich der eingebetteten Systeme im Rahmen der Elektrifizierung dar. Moderne Schnellladeinfrastrukturen verfügen über ausgefeilte Regelkreise, die die Ladeparameter dynamisch an den Batteriezustand, die Temperatur und die Netzbedingungen anpassen.

Branchenübergreifende Anwendungen eingebetteter Technologien

Übertragung von Know-how aus dem Bereich der eingebetteten Fahrzeugtechnik auf die Luft- und Raumfahrt

Die Luft- und Raumfahrt sowie die Automobilbranche stehen vor vielen ähnlichen Herausforderungen im Bereich der eingebetteten Systeme – sicherheitskritischer Betrieb, Zertifizierungsanforderungen und raue Umgebungsbedingungen –, allerdings mit unterschiedlichen Schwerpunkten und Einschränkungen. Dies eröffnet wertvolle Möglichkeiten für den gegenseitigen Austausch von Technologien und Methoden zwischen den beiden Bereichen.

Embedded-Systeme im Automobilbereich werden in der Regel unter engen Kostenvorgaben und in Großserienfertigung betrieben, was Innovationen bei effizienten Verifizierungs- und Validierungsmethoden vorantreibt. Bei Systemen für die Luft- und Raumfahrt stehen traditionell Zuverlässigkeit und strenge Zertifizierungsanforderungen im Vordergrund, wobei bei den Komponentenkosten eine größere Toleranz besteht.

Modellbasierte Entwicklungsansätze, die in der Automobilindustrie aufgrund ihrer Effizienz weit verbreitet sind, wurden mit erhöhten Verifikationsanforderungen erfolgreich auf Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt übertragen. Bei Projekten für Flugsteuerungssysteme haben wir von der Automobilindustrie inspirierte Entwicklungsabläufe implementiert, die den Verifikationsaufwand um etwa 40 % reduzierten und gleichzeitig die Konformität mit der Zertifizierung nach DO-178C sicherstellten.

Die für Fly-by-Wire-Systeme entwickelten Redundanzmanagementstrategien haben unsere Ansätze für fehlertolerante Automobilarchitekturen im Bereich des autonomen Fahrens geprägt. Das aus der Luft- und Raumfahrt stammende Prinzip der „disparaten Redundanz“ hat sich als besonders wertvoll erwiesen, um Gleichtaktfehler in sicherheitskritischen Fahrzeugsystemen zu minimieren.

Die Zertifizierungsansätze unterscheiden sich je nach Anwendungsbereich erheblich (ISO 26262 gegenüber DO-178C/DO-254), doch die zugrunde liegenden Sicherheitsprinzipien bleiben unverändert. Dank unserer branchenübergreifenden Erfahrung können wir diese Rahmenwerke effektiv miteinander in Einklang bringen, sodass Technologien, die nach einem Standard entwickelt wurden, effizient nach einem anderen zertifiziert werden können.

Industrielles IoT: Anpassung eingebetteter Lösungen für Industrie 4.0

Das industrielle Internet der Dinge (IIoT) steht für eine Verschmelzung von Betriebstechnik (OT) und Informationstechnologie (IT) und stellt damit neue Anforderungen an eingebettete Systeme, die diese traditionell getrennten Bereiche miteinander verbinden. Unsere branchenübergreifende Erfahrung hat sich in diesem Zusammenhang als besonders wertvoll erwiesen.

Mehrere wichtige Embedded-Technologien lassen sich erfolgreich auf industrielle Anwendungen übertragen. Für autonome Fahrzeuge entwickelte Edge-Computing-Architekturen bieten leistungsstarke Vorlagen für verteilte industrielle Intelligenz. Dieselben Ansätze, die es Fahrzeugen ermöglichen, Sensordaten lokal zu verarbeiten, lassen sich auch auf Fertigungsanlagen anwenden.

Sichere Update-Mechanismen aus dem Bereich der Over-the-Air-Systeme (OTA) für die Automobilindustrie wurden für Industrieanlagen angepasst und ermöglichen so sichere Fern-Updates für bereits installierte Systeme – eine entscheidende Funktion für die Aufrechterhaltung von Sicherheit und Funktionalität über lange Betriebszeiten hinweg.

Im Rahmen eines kürzlich durchgeführten Projekts für einen Anbieter von Fertigungsanlagen haben wir eine IIoT-Plattform implementiert, die auf Architekturmustern basiert, die ursprünglich für die Telematik in der Automobilindustrie entwickelt wurden. Das System bietet Funktionen für die sichere Fernüberwachung und vorausschauende Wartung und gewährleistet gleichzeitig eine strikte Trennung von sicherheitskritischen Steuerungsfunktionen.

Energiemanagementsysteme: Anwendungen im Bereich Smart Grid

Die Modernisierung der Energieinfrastruktur bringt besondere Herausforderungen für eingebettete Systeme mit sich, bei deren Bewältigung branchenübergreifendes Fachwissen von Vorteil ist. Smart-Grid-Anwendungen verbinden Elemente, die aus der Automobil- und Industrieautomation bekannt sind, mit besonderen Anforderungen hinsichtlich der Netzintegration und der Einhaltung gesetzlicher Vorschriften.

Unsere Arbeit in diesem Bereich konzentriert sich auf mehrere zentrale Anwendungsgebiete, darunter Automatisierungssysteme für Umspannwerke, Steuerungen für dezentrale Energiequellen und moderne Messinfrastrukturen. Jedes dieser Gebiete profitiert von Techniken, die in anderen Bereichen entwickelt wurden, und liefert gleichzeitig neue Erkenntnisse.

Automatisierungssysteme für Umspannwerke überwachen und steuern die Netzinfrastruktur, wobei strenge Zuverlässigkeitsanforderungen gelten. Die für sicherheitskritische Anwendungen im Automobilbereich entwickelten Verfahren zum Redundanzmanagement und zur Fehlererkennung lassen sich effektiv auf diese Systeme übertragen, wodurch die Zuverlässigkeit erhöht und gleichzeitig die Komplexität der Implementierung verringert wird.

Eine besonders erfolgreiche bereichsübergreifende Anwendung war die Anpassung von Algorithmen für das Batteriemanagement in Fahrzeugen an Energiespeichersysteme im Netzmaßstab. Die für Elektrofahrzeuge entwickelten Techniken zur Zustandsschätzung bildeten eine ausgereifte Grundlage, während die Netzanwendung neue Erkenntnisse über den Langzeitbetrieb lieferte, die anschließend unser Angebot an BMS-Lösungen für Fahrzeuge verbesserten.

Zertifizierung und Konformität für kritische eingebettete Systeme

Normen zur funktionalen Sicherheit in verschiedenen Branchen

Die Zertifizierung der funktionalen Sicherheit ist für eingebettete Systeme in zahlreichen Branchen zu einer unverzichtbaren Anforderung geworden. Auch wenn die spezifischen Normen je nach Branche variieren, basieren sie doch auf gemeinsamen Grundsätzen, die sich auf eine systematische Gefahrenanalyse, Risikobewertung und strenge Entwicklungsprozesse konzentrieren.

Zu den wichtigsten Normen für die funktionale Sicherheit gehört die ISO 26262 für Automobilanwendungen, die auf der Grundlage einer Risikobewertung die Automotive Safety Integrity Levels (ASIL) von A bis D festlegt. DO-178C und DO-254 regeln die Entwicklung von Software bzw. Hardware für die Luftfahrt und verwenden dabei die Design Assurance Levels (DAL) von E bis A.

Die Norm IEC 61508 bietet einen generischen Ansatz für die funktionale Sicherheit elektronischer Systeme und dient als Grundlage für branchenspezifische Normen. Sie definiert Sicherheitsintegritätsstufen (SIL) von 1 bis 4 auf der Grundlage von Anforderungen an die Risikominderung. Die Norm IEC 62304 befasst sich mit Software für Medizinprodukte und sieht Sicherheitsklassen von A bis C vor, die sich nach dem Schadenspotenzial richten.

Unsere Erfahrung im Bereich der Zertifizierung erstreckt sich auf all diese Normen, sodass wir bereichsübergreifend bewährte Verfahren anwenden können. Die in der Luft- und Raumfahrt üblicherweise eingesetzten Techniken der formalen Verifikation lassen sich gezielt auf die kritischsten Komponenten von Automobilsystemen anwenden, wodurch eine höhere Sicherheit gewährleistet wird und gleichzeitig die Entwicklungskosten unter Kontrolle bleiben.

Prüfverfahren zur Einhaltung von Zertifizierungsanforderungen

Die Zertifizierung erfordert umfassende Teststrategien, die sowohl die funktionale Korrektheit als auch die Sicherheitseigenschaften überprüfen. Unser Ansatz integriert verschiedene Testmethoden, um eine effiziente Zertifizierung zu gewährleisten und gleichzeitig eine lückenlose Abdeckung sicherzustellen.

Das anforderungsbasierte Testen überprüft systematisch, ob jede festgelegte Anforderung korrekt umgesetzt wurde. Dieser Ansatz bildet die Grundlage für den Zertifizierungsnachweis, wobei die bidirektionale Rückverfolgbarkeit eine vollständige Abdeckung aller Systemanforderungen gewährleistet.

Beim modellbasierten Testen werden Testfälle aus formalen Systemmodellen generiert, wodurch Betriebsszenarien umfassender abgedeckt werden können als bei manuell erstellten Tests. Dieser Ansatz ist besonders wertvoll bei komplexen zustandsbasierten Verhaltensweisen, bei denen Wechselwirkungen schwer vorhersehbar sind.

Bei Fehlereinschleustests werden gezielt Fehler erzeugt, um zu überprüfen, ob die Sicherheitsmechanismen ordnungsgemäß funktionieren. Dazu gehören sowohl Hardwarefehler (Signalstörungen, Spannungsschwankungen) als auch Softwarefehler (Speicherfehler, Timing-Verletzungen), um die Ausfallsicherheit des Systems unter widrigen Bedingungen zu überprüfen.

Unser Testansatz legt den Schwerpunkt auf Automatisierung und kontinuierliche Integration, wobei Regressionstests nicht erst in der Endphase, sondern bereits während der gesamten Entwicklungsphase durchgeführt werden. Diese Methodik ermöglicht es, Probleme frühzeitig zu erkennen, wodurch Zertifizierungskosten und Terminrisiken reduziert werden.

Anforderungen an die Dokumentation und Rückverfolgbarkeit

Eine umfassende Dokumentation bildet die Grundlage für den Zertifizierungsnachweis und belegt, dass die Entwicklung gemäß den vorgeschriebenen Prozessen erfolgte und das daraus resultierende System die Sicherheitsanforderungen erfüllt. Auch wenn die konkrete Dokumentation je nach Norm variiert, gehören Sicherheitspläne, Gefahrenanalysen und Anforderungsspezifikationen zu den gemeinsamen Bestandteilen.

Eine effektive Rückverfolgbarkeit stellt insbesondere bei komplexen Systemen mit Tausenden von Anforderungen und Testfällen eine große Herausforderung dar. Unser Ansatz nutzt spezielle Tools, die diese Zusammenhänge über den gesamten Entwicklungszyklus hinweg aufrechterhalten und automatisch Lücken oder Inkonsistenzen aufzeigen, die sich auf die Zertifizierung auswirken könnten.

Bei Projekten, die mehrere Zertifizierungen gleichzeitig erfordern, implementieren wir einheitliche Dokumentationsarchitekturen, die gemeinsame Anforderungen über verschiedene Standards hinweg abbilden. Dieser Ansatz kann den Dokumentationsaufwand im Vergleich zu separaten Konformitätsmaßnahmen um etwa 40 % reduzieren und gewährleistet gleichzeitig eine einheitliche Behandlung sich überschneidender Aspekte.

Zukünftige Trends in der Entwicklung eingebetteter Systeme

KI und maschinelles Lernen in ressourcenbeschränkten Umgebungen

Fähigkeiten der künstlichen Intelligenz verlagern sich zunehmend von Cloud-Umgebungen auf eingebettete Systeme, was eine lokale Entscheidungsfindung ohne Abhängigkeit von Netzwerkverbindungen ermöglicht. Dieser Trend stellt Geräte mit begrenzten Ressourcen vor besondere Herausforderungen, da herkömmliche Deep-Learning-Ansätze die verfügbaren Rechen-, Speicher- und Energiekapazitäten übersteigen können.

Mehrere wichtige Innovationen ermöglichen diesen Wandel. Techniken zur Modelloptimierung senken den Rechenaufwand durch Ansätze wie Quantisierung (Arithmetik mit geringerer Genauigkeit), Pruning (Entfernen redundanter Netzwerkverbindungen) und Knowledge Distillation (Trainieren kleinerer Netzwerke, um größere nachzubilden).

Spezialisierte Hardware-Beschleuniger sorgen für eine effiziente Ausführung von Operationen in neuronalen Netzen. Neben den in Premium-Geräten verbauten High-End-GPUs und NPUs tauchen zunehmend Beschleuniger mit extrem geringem Stromverbrauch auf, die sich für batteriebetriebene Edge-Geräte eignen und eine ständig aktive Inferenz bei einem Stromverbrauch im Mikrowattbereich ermöglichen.

Verteilte KI-Architekturen verteilen KI-Workloads auf mehrere Rechenknoten, von Sensoren über Edge-Geräte bis hin zu Cloud-Ressourcen. Dieser Ansatz optimiert die Verteilung der Rechenaufgaben unter Berücksichtigung von Latenzanforderungen, Leistungsbeschränkungen und Datenschutzaspekten.

In einem aktuellen ADAS-Wahrnehmungssystem haben wir optimierte neuronale Netze für die Objekterkennung eingesetzt, die auf eingebetteter Hardware Inferenzzeiten von unter 10 ms erreichten und dabei weniger als 2 W verbrauchten – was einen Echtzeitbetrieb innerhalb der thermischen und energetischen Grenzen der Automobilelektronik ermöglicht.

Edge-Computing und verteilte eingebettete Architekturen

Die traditionellen Grenzen zwischen eingebetteten Systemen, Edge-Computing und Cloud-Infrastruktur verschwimmen zunehmend, wodurch verteilte Architekturen entstehen, die diese Bereiche überbrücken. Diese Entwicklung ermöglicht komplexere Anwendungen und erfüllt gleichzeitig die Anforderungen hinsichtlich Latenz, Zuverlässigkeit und Datenhoheit.

Zu den wichtigsten Architekturmustern in diesem Bereich gehört die hierarchische Verarbeitung, bei der Rechenaufgaben je nach Latenzanforderungen und Ressourcenverfügbarkeit auf mehrere Ebenen verteilt werden. Zeitkritische Funktionen werden auf lokalen eingebetteten Prozessoren ausgeführt, während komplexere Analysen auf Edge-Servern oder in der Cloud stattfinden können.

Durch die dynamische Workload-Migration können Anwendungen ihren Ausführungsort an die aktuellen Bedingungen anpassen. Rechenaufgaben, die normalerweise lokal ausgeführt werden, können in Zeiten hoher Rechenlast auf Edge-Ressourcen verlagert werden und kehren dann wieder auf das Gerät zurück, sobald der Bedarf sinkt.

Diese verteilten Architekturen sind besonders relevant für industrielle IoT-Anwendungen, wo sie komplexe Analysen und Überwachungsfunktionen ermöglichen und gleichzeitig die für Steuerungsfunktionen erforderliche deterministische Leistung gewährleisten.

Virtualisierung in eingebetteten Systemen: Chancen und Herausforderungen

Virtualisierungstechnologien finden zunehmend Anwendung in eingebetteten Systemen und ermöglichen die Konsolidierung unterschiedlicher Workloads auf gemeinsam genutzten Hardwareplattformen. Dieser Ansatz bietet mehrere überzeugende Vorteile, darunter Hardwarekonsolidierung, Unterstützung unterschiedlicher Kritikalitätsstufen, Unterstützung von Legacy-Software und vereinfachte Updates.

Im Vergleich zu Unternehmensanwendungen stellt die Virtualisierung in eingebetteten Systemen jedoch besondere Herausforderungen dar. Für Echtzeit-Workloads muss eine deterministische Leistung gewährleistet sein, was spezielle Hypervisoren mit begrenzten Scheduling-Latenzen und minimalem Overhead erfordert.

Ressourcenbeschränkungen schränken die Komplexität von Virtualisierungsschichten ein und treiben die Entwicklung schlanker Ansätze voran, die für eingebettete Systeme optimiert sind. Die Sicherheitszertifizierung bringt zusätzliche Anforderungen für Hypervisoren in kritischen Anwendungen mit sich, da die Virtualisierungsschicht Teil der vertrauenswürdigen Computing-Basis wird.

In einem kürzlich durchgeführten Projekt zur Entwicklung einer Cockpit-Steuerung für Kraftfahrzeuge haben wir eine Architektur mit gemischter Kritikalität eingesetzt, bei der sowohl ASIL-B-konforme Kombiinstrument-Funktionen als auch nicht sicherheitsrelevante Infotainment-Anwendungen auf einem gemeinsamen Prozessor ausgeführt wurden, wobei eine vollständige Isolierung zwischen diesen Domänen gewährleistet war.

Unsere Vision: Die konvergenten eingebetteten Systeme von morgen

Mit Blick auf die Zukunft rechnen wir mit einer fortschreitenden Annäherung zwischen traditionellen eingebetteten Systemen und umfassenderen Computing-Paradigmen, wodurch durch diese Integration neue Möglichkeiten entstehen werden. KI-gestützte eingebettete Systeme werden zur Norm werden, wobei Funktionen des maschinellen Lernens in den gesamten Technologie-Stack integriert sein werden.

Kollaborative Autonomie wird entstehen, wenn vernetzte eingebettete Systeme ihre Aktionen über traditionelle Grenzen hinweg koordinieren. Dies geht über die Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation hinaus und umfasst umfassendere Ökosysteme intelligenter Geräte, die auf gemeinsame Ziele hinarbeiten.

Die Mensch-Maschine-Partnerschaft wird sich durch immer ausgefeiltere Schnittstellen weiterentwickeln, die sich an den jeweiligen Kontext und die Bedürfnisse der Nutzer anpassen. Eingebaute Intelligenz wird Systeme ermöglichen, die Anforderungen vorhersehen und ohne ausdrückliche Befehle angemessene Unterstützung leisten.

Unser Entwicklungsansatz greift diese Trends auf und bewahrt gleichzeitig die Kernkompetenzen, die die Entwicklung eingebetteter Systeme auszeichnen – deterministische Leistung, Ressourceneffizienz und kompromisslose Zuverlässigkeit. Durch die Kombination neuer Technologien mit bewährten technischen Prinzipien schaffen wir eingebettete Lösungen, die sofortigen Nutzen bieten und gleichzeitig die Grundlage für zukünftige Funktionen legen.

Die Kompetenz von T&S in der Entwicklung eingebetteter Systeme

Bei Technology & Strategy bringen wir branchenübergreifendes Fachwissen in die Entwicklung eingebetteter Systeme ein und nutzen dabei Erkenntnisse aus den Bereichen Automobil, Luft- und Raumfahrt sowie Industrie. Unser ganzheitlicher Ansatz reicht vom ersten Konzept bis hin zur Zertifizierung und Inbetriebnahme.

Unsere Ingenieurteams sind auf sicherheitskritische eingebettete Systeme spezialisiert und verbinden fundiertes technisches Fachwissen mit bewährten Methoden für eine effiziente Entwicklung und Zertifizierung. Wir arbeiten eng mit unseren Kunden zusammen, um Lösungen zu liefern, die strenge Leistungs-, Sicherheits- und Schutzanforderungen erfüllen und gleichzeitig die Entwicklungskosten und Zeitpläne optimieren.

In unseren Innovationslabors treiben wir die Entwicklung der Embedded-System-Technologie kontinuierlich voran und erproben neue Ansätze zur Integration künstlicher Intelligenz, zur Verbesserung der Sicherheit und zur Leistungsoptimierung, von denen unsere Kunden in zahlreichen Branchen profitieren.