Diese neu ins Leben gerufene Schriftenreihe widmet sich einer sehr aktuellen Thematik der Technischen Informatik, den eingebetteten, selbstorganisierenden Systemen (ESS). Seit Jahren durchdringen eingebettete Systeme unseren Alltag in fast allen Lebensbereichen. Angefangen von automatisierten Türöffnungssystemen, über komplex gesteuerte Servicemaschinen, z.B. Waschmaschinen, bis hin zu mobilen, persönlich zugeordneten Systemen wie Mobiltelefone und Handheld-Computer sind eingebettete Systeme zu Selbstverständlichkeit geworden. Neue Anforderungen durch den Kunden, der in immer kürzeren Zeitintervallen Neuerungen erwartet und steigende Festkosten für die Einrichtung einer Produktlinie haben einen neuen Aspekt in den Entwurf und Betrieb eingebetteter Systeme gebracht: Selbstorganisation. Einzelaspekte der Selbstorganisation können Selbstdiagnose, Selbsttest, Selbstheilung oder auch statische sowie dynamische Rekonfigurierung von Systemen sein. Dabei sind die Aspekte der Funktionalität und der Kommunikation zu unterscheiden. Beide haben großen Einfluss auf die Performanz und Stabilität eines eingebetteten Systems. Im Bereich der Kommunikation sind die Schnittstellen, die Komponenten des eingebetteten Systems verbinden, von besonderem Interesse. / This newly launched book series addresses a very current subject of computer engineering, embedded selforganising systems (ESS). For years, embedded systems permeate our everyday lives in almost all areas of life. Ranging from automated door opening systems through complex controlled service machines, e.g. Washing machines, to mobile, personally associated systems such as mobile phones and handheld computers, embedded systems have become for granted. New requirements by the customer, who expected changes in shorter time intervals and rising fixed costs of setting up a product line have brought a new aspect in the design and operation of embedded systems: selforganisation. Individual aspects of selforganisation may be self-diagnosis, self-test, self-healing or static as well as dynamic reconfiguration of systems. The aspects of the functionality of communication are distinguished. Both have great influence on the performance and reliability of an embedded system. In the field of the communication interfaces of the embedded system are of particular interest.

Unified Extensible Firmware Interface (UEFI) is an industry standard for implementing the basic firmware in the computers. This standard replaces BIOS. A huge amount of C code has been written for the implementation of UEFI. Yet there has been a very little focus on testing UEFI code. The thesis shows how the industry can perform a meaningful testing of UEFI. Spanning the test coverage with the help of test tools over all UEFI phases is a key objective. Moreover, techniques such as Test Driven Development and source code analysis are explained in terms of UEFI to make sure the bugs are minimized in the first place. The results show that the usage of test and analysis tools point to a large number of issues. Some of these issues can be fixed at a very early stage in the Software Development Life Cycle. For this reason the developers and testers should be convinced that they need to focus on testing UEFI from a software perspective.

This thesis explores the execution of object-oriented code on an embedded Java platform. It presents established and derives new approaches for the implementation of high-level object-oriented functionality and commonly expected system services. The goal of the developed techniques is the provision of the architectural base for an efficient and predictable code execution. The research vehicle of this thesis is the Java-programmed SHAP platform. It consists of its platform tool chain and the highly-customizable SHAP bytecode processor. SHAP offers a fully operational embedded CLDC environment, in which the proposed techniques have been implemented, verified, and evaluated. Two strands are followed to achieve the goal of this thesis. First of all, the sequential execution of bytecode is optimized through a joint effort of an optimizing offline linker and an on-chip application loader. Additionally, SHAP pioneers a reference coloring mechanism, which enables a constant-time interface method dispatch that need not be backed a large sparse dispatch table. Secondly, this thesis explores the implementation of essential system services within designated concurrent hardware modules. This effort is necessary to decouple the computational progress of the user application from the interference induced by time-sharing software implementations of these services. The concrete contributions comprise a spill-free, on-chip stack; a predictable method cache; and a concurrent garbage collection. Each approached means is described and evaluated after the relevant state of the art has been reviewed. This review is not limited to preceding small embedded approaches but also includes techniques that have proven successful on larger-scale platforms. The other way around, the chances that these platforms may benefit from the techniques developed for SHAP are discussed.

In der modellbasierten Softwareentwicklung für eingebettete Systeme werden verschiedene Werkzeuge und Sprachen aus heterogenen Modelldomänen verwendet. Eine Modelldomäne bezeichnet in dieser Arbeit eine Menge von Modelltypen, die das gleiche Meta-Modell besitzen oder sich in diesem nur geringfügig unterscheiden. Es werden also Werkzeuge mit verschiedenen Schwerpunkten verwendet, deren Modellen völlig unterschiedliche Meta-Modelle zugrunde liegen. Bei umfangreichen Systemen kann eine beliebige Anzahl von Modellen mit enthaltenen Teilaspekten und Subsystemen entstehen, die von mehreren Projektbeteiligten realisiert werden. Beim Erstellen der Modelle wird häufig vernachlässigt, Anforderungen an das Zeitverhalten zu berücksichtigen und Modellelemente mit von Anforderungen abgeleiteten Zeiteigenschaften zu versehen. Dabei gehören Anforderungen an das Zeitverhalten zu den wichtigsten, nicht-funktionalen Anforderungen und deren Verletzung kann kritische Folgen haben. Es ist daher empfehlenswert, Zeiteigenschaften wie Ausführungszeiten und Zeitschranken in frühen Entwicklungsphasen direkt bei Modellelementen zu spezifizieren. Mit Werkzeugen zur Analyse von Zeitverhalten kann dann eine Simulation bezüglich des Zeitverhaltens vorgenommen werden und dieses validiert werden. Um die Analyse vornehmen zu können, muss schließlich ein Überführen der Zeiteigenschaften aus verschiedenen Modelldomänen zum Analysewerkzeug durchgeführt werden. Das Gesamtsystem kann nur validiert werden, wenn sämtliche Zeiteigenschaften aus allen Teil-Modellen berücksichtigt und zusammengeführt werden. Dabei können in Modellen auch redundante Informationen vorliegen. Um diese konsistent zu halten und zu synchronisieren, muss es möglich sein, zwischen Zeiteigenschaften Abhängigkeiten zu erfassen und diese verfolgen zu können. Im Fokus dieser Arbeit ist daher ein Konzept zu erarbeiten, das ein Zusammenführen und Verfolgen von Zeiteigenschaften über heterogene Modelldomänen ermöglicht. Eine besondere Herausforderung ist, dass die Zeiteigenschaften in unterschiedlichen Modelldomänen auf gänzlich verschiedene Weise beschrieben werden. Im Lösungskonzept dieser Arbeit werden ein zusätzliches Zeit-Zwischenmodell, auf dessen Basis das Zusammenführen durchgeführt wird, und ein Kopplungsmodell zur Verfolgbarkeit erarbeitet. Zu berücksichtigen ist, dass Zeiteigenschaften in mehreren Modellen gleichzeitig vorliegen können, sodass die Herausforderung vorliegt, über heterogene Modelldomänen deren Konsistenz sicherzustellen.

Das Projekt cITIcar bietet ein breites Spektrum für das Lehrangebot im Bereich der (Technischen) Informatik und der Ingenieur-Informatik. Aus dem Themengebiet der Eingebetteten Systeme kann sowohl die Prototypenentwicklung als auch die Mikroprozessorprogrammierung und das Arbeiten mit Echtzeitsystemen am cITIcar erlernt werden. Typische Aufgaben aus der Regelungstechnik können am Fahrzeug durchgeführt und verschiedene Probleme aus der Längs- und der Querregelung von den Studierenden gelöst werden. Zusätzlich bietet das cITIcar Potential für Aufgaben aus dem Bereich der Computer Vision und des Machine Learnings: Fahrbahnranddetektion, Schilderkennung oder Fahrbahnsegementierung sind nur wenige Beispiele für Lehraufgaben am cITIcar. Sowohl die Lehrmodule als auch die Projektarbeit am cITIcar wurden durch die Pandemie vor neue Herausforderungen gestellt. Um die Onlinelehre im Projekt zu verbessern, wurden verschiedene Werkzeuge und Techniken in der Lehre integriert. In dieser Arbeit werden diese Werkzeuge und Techniken, sowie die damit gewonnenen Erfahrungen dargelegt.

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The proper composition of independently developed components of an embedded real- time system is complicated due to the fact that besides the functional behavior also the non-functional properties and in particular the timing have to be compatible. Nowadays related compatibility problems have to be addressed in a cumbersome integration and configuration phase at the end of the development process, that in the worst case may fail. Therefore, a number of formal approaches have been developed, which try to guide the upfront decomposition of the embedded real-time system into components such that integration problems related to timing properties can be excluded and that suitable configurations can be found. However, the proposed solutions require a number of strong assumptions that can be hardly fulfilled or the required analysis does not scale well. In this paper, we present an approach based on timed automata that can provide the required guarantees for the later integration without strong assumptions, which are difficult to match in practice. The approach provides a modular reasoning scheme that permits to establish the required guarantees for the integration employing only local checks, which therefore also scales. It is also possible to determine potential configuration settings by means of timed game synthesis. / Die korrekte Komposition individuell entwickelter Komponenten von eingebetteten Realzeitsystemen ist eine Herausforderung, da neben funktionalen Eigenschaften auch nicht funktionale Eigenschaften berücksichtigt werden müssen. Ein Beispiel hierfür ist die Kompatibilität von Realzeiteigenschaften, welche eine entscheidende Rolle in eingebetteten Systemen spielen. Heutzutage wird die Kompatibilität derartiger Eigenschaften in einer aufwändigen Integrations- und Konfigurationstests am Ende des Entwicklungsprozesses geprüft, wobei diese Tests im schlechtesten Fall fehlschlagen. Aus diesem Grund wurde eine Zahl an formalen Verfahren Entwickelt, welche eine frühzeitige Analyse von Realzeiteigenschaften von Komponenten erlauben, sodass Inkompatibilitäten von Realzeiteigenschaften in späteren Phasen ausgeschlossen werden können. Existierenden Verfahren verlangen jedoch, dass eine Reihe von Bedingungen erfüllt sein muss, welche von realen Systemen nur schwer zu erfüllen sind, oder aber, die verwendeten Analyseverfahren skalieren nicht für größere Systeme. In dieser Arbeit wird ein Ansatz vorgestellt, welcher auf dem formalen Modell des Timed Automaton basiert und der keine Bedingungen verlangt, die von einem realen System nur schwer erfüllt werden können. Der in dieser Arbeit vorgestellte Ansatz enthält ein Framework, welches eine modulare Analyse erlaubt, bei der ausschließlich miteinender kommunizierende Komponenten paarweise überprüft werden müssen. Somit wird eine skalierbare Analyse von Realzeiteigenschaften ermöglicht, die keine Bedingungen verlangt, welche nur bedingt von realen Systemen erfüllt werden können.

Moderne, objektorientierte Sprachen spielen bei der Entwicklung von Software für eingebettete Systeme bislang kaum eine Rolle. Die Gründe hierfür sind vielfältig, meist wird jedoch die mangelnde Effizienz und der größere Speicherbedarf hervorgehoben. Obwohl Java viele Eigenschaften hat, die sehr für einen Einsatz in eingebetteten Systemen sprechen, so hängt doch gerade Java vielfach immer noch das Vorurteil an, in Systemen mit beschränkter Rechenleistung und Speicher zu viele Ressourcen zu benötigen. Diese Arbeit soll dazu beitragen, diese Vorurteile abzutragen. Sie stellt insbesondere Techniken vor, die den Speicherbedarf einer JVM so gering wie möglich halten und diese effizient mit der zur Verfügung stehenden Rechenleistung umgehen lassen. Viele der dargestellten Verfahren und Algorithmen wurden in der Kertasarie VM implementiert, einer virtuellen Maschine, die speziell für den Einsatz in eingebetteten Systemen konzipiert wurde. Durch die weit verbreitete Vernetzung eingebetteter Systeme über das Internet stellt sich in vielen Fällen zudem das Problem einer modernen, abstrakten und effizienten Form der Kommunikation. Aus diesem Grund liegt der zweite Schwerpunkt dieser Arbeit auf dem Vergleich von objektorientierten Middleware-Architekturen, insbesondere von Java-RMI. Auch auf diesem Gebiet wird eine eigene, speziell an eingebettete Systeme angepasste RMI-Variante vorgestellt. / Modern, object oriented languages do not play an important role when developing software for embedded systems. There are many reasons for it, most often an inadequate performance and a greater memory demand are mentioned. In spite of the fact that Java has many features suitable for embedded systems, Java often faces the prejudice to consume too much resources in systems with limited processing power and memory. This work is a contribution to diminish this prejudices. It presents techniques to limit the memory demands of a Java Virtual Machine and to effectively cope with limited computing power. Many of the presented methods and algorithms are implemented in the Kertasarie VM, a JVM designed to run in embedded systems.Due to the fact of increasing network capabilities embedded systems often face the problem of a modern, abstract and efficient communication. Therefore the second emphasis of this work is put on the comparison of object oriented middleware architectures, especially Java-RMI. An own implementation for embedded systems is also presented.

Der Entwurfsprozess informationsverarbeitender Systeme ist gekennzeichnet durch die Beschreibung von speichernden, verarbeitenden und übertragenden Komponenten auf unterschiedlichen Abstraktionsstufen. Sowohl für spezifische Anwendungsdomänen als auch für die jeweiligen Abstraktionsstufen wurden in der Vergangenheit Werkzeuge entwickelt, die den Systemdesigner von der Phase der Anforderungsspezifikation bis hin zu Implementierung und funktionaler Erprobung begleiten. Beim Entwurf komplexer Systeme im allgemeinen und eingebetteter Systeme im besonderen stellt sich zusätzlich das Problem der Wiederverwendung von Komponenten aus früheren Entwürfen, der Transformation des Entwurfswissens über die Grenzen der Abstraktionsstufen hinweg sowie die Integration einer variablen Anzahl domänenspezifischer Werkzeuge in den Entwurfsprozess. Voraussetzung eines korrekten Designs ist dabei die anwendungsinvariante Integritätserhaltung aller beteiligten Entwurfsdaten unabhängig von ihrer Repräsentation. Nach der Diskussion des Integritätsbegriffs für konventionelle Informationssysteme und den nötigen Erweiterungen für eingebettete Systeme werden Verfahren zur Modellierung des Entwurfsprozesses vorgestellt, mit deren Hilfe eine der spezifischen Entwicklungsaufgabe optimal entsprechende Wissensbasis generiert und fortwährend neuen Anforderungen von Fremdwerkzeugen und Entwurfsverfahren angepasst werden kann. Sie erfordert vom Anwender keine Detailkenntnisse des zugrunde liegenden Datenmodells. Die Generierbarkeit der Wissensbasis und ihrer Werkzeuge beruht auf einem Metamodell, das sich auf eine erweiterbare Objektalgebra zur Struktur- und Verhaltensbeschreibung informationsverarbeitender Systeme stützt und in domänenspezifische Zielsysteme transformierbar ist. / The design process of data processing systems is characterized by the description of storing, processing and transmitting components on different levels of abstraction. In the past tools have been developed for specific application domains as well as for the respective abstraction levels. They support the system designer from the stage of the requirements specification down to implementation and functional test. During the sketch of complex systems in general and embedded systems in particular, problems occur in the following areas: reusing the components from former drafts; transforming the design knowledge across the boundaries of abstraction levels; integrating a variable number of domain specific tools in the design process. The precondition for a correct design is the integrity preservation of all involved draft data no matter which sources such as databases, XML files or conventional HOST file systems provide them. After discussing the integrity term regarding conventional information systems and the extensions necessary for embedded systems, approaches for modelling the design process are presented. They help to generate a knowledge base which is optimally adjusted to a particular design task and can be continuously adapted to new requests coming from external tools and design processes. The user does not need detailed knowledge about the knowledge base's underlying data model. The capability of generating the knowledge base and its tools is based on a meta model. First, this model is based on an extensible object algebra applied when describing the structure and behaviour of data processing systems and second, the model is transformable into domain specific target systems.

Die neu ins Leben gerufene Schriftenreihe EINGEBETTETE, SELBSTORGANISIERENDE SYSTEME (ESS) widmet sich einer sehr aktuellen Thematik der Technischen Informatik. Seit Jahren durchdringen eingebettete Systeme unseren Alltag in fast allen Lebensbereichen. Angefangen von automatisierten Türöffnungssystemen, über komplex gesteuerte Servicemaschinen, z.B. Waschmaschinen, bis hin zu mobilen, persönlich zugeordneten Systemen wie Mobiltelefone und Handheld-Computer sind eingebettete Systeme zur Selbstverständlichkeit geworden. Der Aspekt der rekonfigurierbaren Schnittstellen zwischen einzelnen Komponenten eingebetteter Systeme wird in diesem ersten Band aufgegriffen. Der erste Beitrag befasst sich mit der systematischen Modellierung von Schnittstellen. Zunächst werden aktive Tasks und Kommunikationsmedien unterschieden sowie die Parameter der Zielarchitektur in den Entwurfsprozess für Schnittstellen eingebracht. Darauf aufbauend wird eine systematische Konzeption von Schnittstellen vorgestellt und bewertet. Der zweite Beitrag betrachtet das Problem der Rekonfigurierung von Schnittstellen zur Gewährleistung von sicherer Funktionalität, auch im Fehlerfall. Die Fehlererkennung und –behandlung werden von der erweiterten Schnittstelle implementiert. In dem dritten Beitrag untersucht Marcel Flade Schnittstellen in Hardware/Software-Systemen. Dabei stellt sich das Problem, die Kontrolle über die Funktionalität der Schnittstelle auf den Software- und Hardwareteil aufzuteilen. Die Beiträge werden durch eine vollständige Implementierung eines Beispiels und eines Werkzeugs zur automatisierten Generierung der VHDL-Implementierung abgerundet. Mit diesen ausgewählten Arbeiten, die in den ersten Band dieser wissenschaftlichen Schriftenreihe aufgenommen sind, werden dem Leser grundlegende Aspekte rekonfigurierbarer Schnittstellen für eingebettete, selbstorganisierende Systeme vorgestellt.