This paper presents a novel implementation of an embedded Java microarchitecture for secure, realtime, and multi-threaded applications. Together with the support of modern features of object-oriented languages, such as exception handling, automatic garbage collection and interface types, a general-purpose platform is established which also fits for the agent concept. Especially, considering real-time issues, new techniques have been implemented in our Java microarchitecture, such as an integrated stack and thread management for fast context switching, concurrent garbage collection for real-time threads and autonomous control flows through preemptive round-robin scheduling.

Der achte Band der wissenschaftlichen Schriftenreihe EINGEBETTETE, SELBSTORGANISIERENDE SYSTEME widmet sich der Synthese von partiell dynamisch rekonfigurierbaren, eingebetteten Systemen. Mit der Möglichkeit Hardwareblöcke zur Laufzeit auf programmierbaren Bausteinen neu zu konfigurieren, lässt sich eine höhere Flexibilität im Vergleich zu einer Hardwarerealisierung in eingebettete Systeme integrieren. Gleichzeitig sind diese Systeme durch eine gesteigerte Performance gegenüber Software gekennzeichnet. Die Flexibilität kann ausgenutzt werden, um kleinere Schaltkreise bei gleichem Funktionsumfang einzusetzen. Für die Integration von Rekonfigurierung sind zusätzliche Entwurfschritte im Design Flow notwendig. Herr Meisel stellt hierfür in seiner Arbeit eine Entwurfsmethodik vor und geht im Besonderen auf die Partitionierung, Platzierung und Steuerung in dynamisch rekonfigurierbaren, eingebetteten Systemen ein. Um eine vergleichsweise effizient zu realisierende Partitionierung des Systems zu erhalten, wurde das Overlaying Verfahren aus dem Bereich der Speicherverwaltung für dynamische Rekonfigurierung adaptiert. Für das Platzierungsverfahren wurden Rekonfigurierungen als Markov Kette modelliert, um so zu einer Minimierung der durchschnittlichen Rekonfigurierungsdauer zu gelangen. Die vorgestellte Rekonfigurierungssteuerung fokussiert auf einer ressourcensparenden Hardware Implementierung. Mit einem Entwurfsbeispiel werden die Vorteile und Ergebnisse des Ansatzes anschaulich illustriert. So kann der Leser die Mächtigkeit des entwickelten Ansatzes nachvollziehen und wird motiviert, die entwickelte Methodik auf weitere Anwendungsfälle zu übertragen. / Volume 8 of scientific series EINGEBETTETE, SELBSTORGANISIERENDE SYSTEME (Embedded Self-Organized Systems) addresses the synthesis of partially dynamically reconfigurable embedded systems. With the ability to configure hardware blocks during run-time, more flexibility can be integrated in embedded systems. At the same time, these systems have better performance than functions implemented in software. Through this flexibility it is possible to use smaller circuits without limiting the functionality. For the integration of reconfiguration into embedded systems, additional design steps are required. Mr. Meisel presents a design methodology for the design flow and primarily concerns the problem of partitioning, placement, and reconfiguration control in dynamically reconfigurable embedded systems. The implemented partitioning of the system is based on the adapted memory management concept of Overlaying. For the placement method the configurations are modeled as Markov chain, in order to minimize the average reconfiguration time. The presented reconfiguration control unit focuses on a resource-saving hardware implementation. The benefits and results of the approach are clearly illustrated with a design sample. The reader can understand the power of developed approach and is motivated to transfer the developed methodology to more use cases.

1 INTRODUCTION With the increasing capabilities of today’s smart phones, the demand of consumers for new applications has risen dramatically. By opening up these smart phones and providing third parties the opportunity to develop “apps” for their systems, producers like Apple and platform owners like Google can offer much more value to their customers. As smart phones are one kind of embedded systems (ES), the question arises if similar development can also take place in other kinds of embedded systems. ES, consisting of hardware and software, are embedded in a device to realize a specific function, in contrast to personal computers, which serve multiple purposes [4,30]. The notion of incorporating external actors in the innovation process has been coined open innovation which has become increasingly popular in research and practice since Chesbrough introduced the term in 2003 [12]. By opening up their innovation processes for external actors, firms could benefit from internal as well as from external ideas. In this paper, the notion of open innovation will be explored in the context of ES. The case of ES is particularly interesting, as it requires not only the opening of innovation processes, but also the opening of the embedded system itself. Some of these platforms are opened only to a small degree like Apple’s iPhone, in order to enable others to create new applications for it. Similar developments also take place for example in the automotive software domain, especially concerning infotainment systems. However, most kinds of ES have been spared out by this development until now. As more than 98% of all chips manufactured are used for ES [10] and high-performing computer chips are getting cheaper [38], opening considerations could also prove valuable for a large number of other application domains. However, opening up innovation processes in the context of ES is challenging from both an organizational and technical perspective. First of all, embedded systems are subject to a variety of constraints in contrast to multi-purpose computing devices, like realtime and security constraints or costs and resource constraints. Second, ES are quite diverse both in their composition and in terms on their requirements. In this paper, we want to explore, how the different properties of embedded systems influence possible open innovation processes. This will be done by drawing on to the characteristics of firms implementing the three core open innovation processes suggested by Gassmann and Enkel (2004) [15] and conceptually explaining how the characteristics of ES enable or hinder open innovation processes. As a result, a classification of the OI processes in terms of ES characteristics is provided.

In die Infrastruktur unserer Gesellschaft sind komplexe IT-Systeme fest eingebettet. Die Verbreitung und Verstetigung von IT-Systemen betrifft zentrale Bereiche unserer Gesellschaft beispielsweise Verkehrs-, Finanz- oder Gesundheitssystem. Lange Zeit standen funktionale Aspekte bei der Entwicklung informationstechnischer Systeme im Vordergrund. In den letzten Jahren haben sich jedoch nichtfunktionale Eigenschaften von IT-Systemen wie Robustheit zu unverzichtbaren Schlüsseleigenschaften in einer Vielzahl von Anwendungsfeldern entwickelt. Systeme während der Betriebsphase sind Veränderungen der gegebenen Einsatz- und Betriebsbedingungen durch Störungen der Umgebung oder auch Verschleißerscheinungen ausgesetzt. Ziel der Forschungsarbeit ist es ein Konzept für die Systemeigenschaft Robustheit zu entwickeln. Für ein gegebenes System mit einem definierten Funktionsziel ist zu analysieren, inwieweit es robust hinsichtlich Störungen der Einsatzbedingungen, verursacht durch Ereignisse der Umgebung, ist und folglich trotzdem das Funktionsziel erfüllt. Das vorgestellte Konzept umfasst dabei zwei wesentliche Problemstellungen: Bewertung der Robustheit Methode für robuste Systeme zur Laufzeit In Abhängigkeit der technischen Kennzahl, Robustheit, wird eine optimale Entscheidungsstrategie gewählt und so das Systemverhalten gesteuert. Mit der Integration eines Robustheitskonzepts insbesondere für den Systembetrieb soll anhand der Berücksichtigung der Systemeigenschaft Robustheit zur Laufzeit ein Beitrag zum Qualitätszuwachs bei Systemen geleistet werden. / Complex IT-systems are deeply embedded in the infrastructure of the society. The integration of these systems is important for plenty of areas such as the transportation system, the financial system or the health care system. For a long time, the functional aspects of the invention had been put forward. But lately the non-functional characteristics of IT-systems such as robustness have developed to essential key factors in many fields. A lot of systems are being exposed to environmental disturbances are showing during the stage of operation. This research work purpose is to develop a concept of robustness to increase system robustness. The robustness of embedded systems is supposed to be analyzed towards disturbances and terms of usage that were caused by the environment. Thereby the concept targets two main issues: measurement of the robustness and methods for robust systems concerning its duration. Depending on the value of robustness a proper decision is made in order to control the behavior of the system. Through an integration of the above mentioned concept, a rise of quality regarding the robustness of the system is pursued respecting its period of operation.

In die Infrastruktur unserer Gesellschaft sind komplexe IT-Systeme fest eingebettet. Die Verbreitung und Verstetigung von IT-Systemen betrifft zentrale Bereiche unserer Gesellschaft beispielsweise Verkehrs-, Finanz- oder Gesundheitssystem. Lange Zeit standen funktionale Aspekte bei der Entwicklung informationstechnischer Systeme im Vordergrund. In den letzten Jahren haben sich jedoch nichtfunktionale Eigenschaften von IT-Systemen wie Robustheit zu unverzichtbaren Schlüsseleigenschaften in einer Vielzahl von Anwendungsfeldern entwickelt. Systeme während der Betriebsphase sind Veränderungen der gegebenen Einsatz- und Betriebsbedingungen durch Störungen der Umgebung oder auch Verschleißerscheinungen ausgesetzt. Ziel der Forschungsarbeit ist es ein Konzept für die Systemeigenschaft Robustheit zu entwickeln. Für ein gegebenes System mit einem definierten Funktionsziel ist zu analysieren, inwieweit es robust hinsichtlich Störungen der Einsatzbedingungen, verursacht durch Ereignisse der Umgebung, ist und folglich trotzdem das Funktionsziel erfüllt. Das vorgestellte Konzept umfasst dabei zwei wesentliche Problemstellungen: Bewertung der Robustheit und Methode für robuste Systeme zur Laufzeit. In Abhängigkeit der technischen Kennzahl, Robustheit, wird eine optimale Entscheidungsstrategie gewählt und so das Systemverhalten gesteuert. Mit der Integration eines Robustheitskonzepts insbesondere für den Systembetrieb soll anhand der Berücksichtigung der Systemeigenschaft Robustheit zur Laufzeit ein Beitrag zum Qualitätszuwachs bei Systemen geleistet werden. / Complex IT-systems are deeply embedded in the infrastructure of the society. The integration of these systems is important for plenty of areas such as the transportation system, the financial system or the health care system. For a long time, the functional aspects of the invention had been put forward. But lately the non-functional characteristics of IT-systems such as robustness have developed to essential key factors in many fields. A lot of systems are being exposed to environmental disturbances are showing during the stage of operation. This research work purpose is to develop a concept of robustness to increase system robustness. The robustness of embedded systems is supposed to be analyzed towards disturbances and terms of usage that were caused by the environment. Thereby the concept targets two main issues: measurement of the robustness and methods for robust systems concerning its duration. Depending on the value of robustness a proper decision is made in order to control the behavior of the system. Through an integration of the above mentioned concept, a rise of quality regarding the robustness of the system is pursued respecting its period of operation.

Der neunte Band der wissenschaftlichen Schriftenreihe Eingebettete, Selbstorganisierende Systeme widmet sich der funkstandardübergreifenden Kommunikation in Mobilen Ad Hoc Netzwerken. Im Zuge der fortschreitenden, drahtlosen Vernetzung mobiler Endgeräte entstehen immer neue, hochspezialisierte Kommunikationsstandards. Deren Übertragungseigenschaften sind dabei eng an den jeweiligen Anwendungsfokus gebunden. Eine intelligente Verknüpfung der verfügbaren Standards würde die Integrationsmöglichkeiten der Endgeräte deutlich erhöhen. Gleichzeitig bieten sich vielfältige Möglichkeiten, die Kommunikation bezüglich auftretender Latenzen, der Erreichbarkeit und dem Energieverbrauch zu optimieren. Im Rahmen dieser Arbeit stellt Herr Vodel ein generisches Konzept vor, welches eine solche Verknüpfung applikationsunabhängig ermöglicht. Der entwickelte Integrationsansatz nutzt dabei handelsübliche, am Markt verfügbare Funkmodule, welche auf einer hardwarenahen Ebene gekapselt werden. Der Anwendungsfokus liegt speziell im Bereich eingebetteter sowie mobiler, ressourcenbeschränkter Systeme. Für die Umsetzung des Konzeptes werden drei wesentliche Problemstellungen betrachtet. Zunächst muss die grundlegende Initialisierung und Verwaltung der heterogenen, funkstandardübergreifenden Topologie sichergestellt werden. Darauf aufbauend wird eine effiziente Routingstrategie vorgestellt, welche die Vorteile der geschaffenen Netzwerkstruktur in vollem Umfang nutzen kann. Im Zuge eines möglichen Funkstandardwechsels während der Übertragung muss außerdem ein reibungsloser Konvertierungsprozess garantiert werden. Die Evaluierung des vorgestellten Kommunikationskonzeptes erfolgt auf zwei Ebenen. Ein speziell entwickeltes Simulations-Framework ermöglicht weitreichende Testreihen in komplexen Netzwerktopologien. Mit der Entwicklung einer prototypischen Hardware-Plattform können parallel dazu detaillierte Messungen unter Realbedingungen durchgeführt werden. Die Schwerpunkte dieser Arbeit umfassen somit Konzeption, Simulation und praktische Umsetzung eines neuen Kommunikationsansatzes im Bereich mobiler Ad Hoc Netzwerke. Ich freue mich daher, Herrn Vodel für die Veröffentlichung der Ergebnisse seiner Arbeiten in dieser wissenschaftlichen Schriftenreihe gewonnen zu haben, und wünsche allen Lesern einen interessanten Einblick in dieses Themengebiet.

Der neunte Band der wissenschaftlichen Schriftenreihe Eingebettete, Selbstorganisierende Systeme widmet sich der funkstandardübergreifenden Kommunikation in Mobilen Ad Hoc Netzwerken. Im Zuge der fortschreitenden, drahtlosen Vernetzung mobiler Endgeräte entstehen immer neue, hochspezialisierte Kommunikationsstandards. Deren Übertragungseigenschaften sind dabei eng an den jeweiligen Anwendungsfokus gebunden. Eine intelligente Verknüpfung der verfügbaren Standards würde die Integrationsmöglichkeiten der Endgeräte deutlich erhöhen. Gleichzeitig bieten sich vielfältige Möglichkeiten, die Kommunikation bezüglich auftretender Latenzen, der Erreichbarkeit und dem Energieverbrauch zu optimieren. Im Rahmen dieser Arbeit stellt Herr Vodel ein generisches Konzept vor, welches eine solche Verknüpfung applikationsunabhängig ermöglicht. Der entwickelte Integrationsansatz nutzt dabei handelsübliche, am Markt verfügbare Funkmodule, welche auf einer hardwarenahen Ebene gekapselt werden. Der Anwendungsfokus liegt speziell im Bereich eingebetteter sowie mobiler, ressourcenbeschränkter Systeme. Für die Umsetzung des Konzeptes werden drei wesentliche Problemstellungen betrachtet. Zunächst muss die grundlegende Initialisierung und Verwaltung der heterogenen, funkstandardübergreifenden Topologie sichergestellt werden. Darauf aufbauend wird eine effiziente Routingstrategie vorgestellt, welche die Vorteile der geschaffenen Netzwerkstruktur in vollem Umfang nutzen kann. Im Zuge eines möglichen Funkstandardwechsels während der Übertragung muss außerdem ein reibungsloser Konvertierungsprozess garantiert werden. Die Evaluierung des vorgestellten Kommunikationskonzeptes erfolgt auf zwei Ebenen. Ein speziell entwickeltes Simulations-Framework ermöglicht weitreichende Testreihen in komplexen Netzwerktopologien. Mit der Entwicklung einer prototypischen Hardware-Plattform können parallel dazu detaillierte Messungen unter Realbedingungen durchgeführt werden. Die Schwerpunkte dieser Arbeit umfassen somit Konzeption, Simulation und praktische Umsetzung eines neuen Kommunikationsansatzes im Bereich mobiler Ad Hoc Netzwerke. Ich freue mich daher, Herrn Vodel für die Veröffentlichung der Ergebnisse seiner Arbeiten in dieser wissenschaftlichen Schriftenreihe gewonnen zu haben, und wünsche allen Lesern einen interessanten Einblick in dieses Themengebiet.

Verteilte, Eingebettete Systeme beeinflussen unser tägliches Leben in unzähligen Bereichen. Getrieben durch technologische Weiterentwicklungen und neue Nutzungsprofile nimmt der Vernetzungsgrad elektronischer Geräte rapide zu. Neben einem ausgeprägten Netzwerkcharakter sind aktuelle und zukünftige Anwendungsszenarien wesentlich durch einen hohen Mobilitätsgrad geprägt. Daraus ergeben sich zunehmend Problemstellungen bzgl. geeigneter Kommunikationskonzepte und der hierfür benötigten Energieressourcen. Dieses Buch befasst sich mit Technologien, Konzepten und Protokollen zur energieeffizienten Kommunikation in verteilten, ressourcenbeschränkten Systemen. Es definiert grundlegende Begrifflichkeiten und vermittelt einen umfassenden Einblick in die verschiedenen Forschungsschwerpunkte. Relevante, technologische Entwicklungen der beiden letzten Dekaden werden vorgestellt, thematisch eingeordnet und kritisch analysiert. Anschließend erfolgt die funktional getrennte Betrachtung von Kommunikationsprozessen auf Netzwerk-, Daten- sowie Energiemanagementebene. Darauf aufbauend widmet sich das Buch der Systemintegration und damit einhergehend dem komplexen Systemkonfigurationsprozess. Unter Berücksichtigung applikationsspezifischer Rahmenbedingungen sowie funktionaler Anforderungen werden gezielt geeignete Optimierungsstrategien ausgewählt und in einer ganzheitlich angepassten Systemarchitektur kombiniert. Erst durch das präzise Zusammenspiel von Kommunikationsparadigma, Kommunikationstechnologien und Kommunikationsprotokollen entsteht ein optimiertes Gesamtsystem, welches die zur Verfügung stehenden Ressourcen effizient nutzt. Zur Bewertung kommt ein neu entwickeltes, erweitertes Quantifizierungsmodell zum Einsatz, welches die kommunikativen Aspekte verteilter Applikationsszenarien vollständig einbezieht. Im Rahmen umfangreicher Fallstudien werden ausgewählte Optimierungsverfahren simulativ sowie auf Basis unterschiedlicher Hardwareplattformen evaluiert. Aus den Ergebnissen resultieren qualitative und quantitative Rückschlüsse auf das mögliche Optimierungspotential unter realen Einsatzbedingungen. Die gewonnenen Erkenntnisse dienen als wichtige Richtgrößen für zukünftige Entwicklungen im Bereich eingebetteter, ressourcenbeschränkter Kommunikationssysteme. / Embedded systems are used in almost every domain of our daily lives. Actual research and development activities focus on wireless connected and mobile system architectures. The resulting network topologies represent embedded, distributed systems, which are able to process complex tasks in a collaborative way. Most of the respective hardware platforms are energy self-sufficient with strongly limited resources for data processing, data storage and communication. With focus on the energy resources, communication tasks have a huge impact on the systems power consumption. In order to optimise the energy efficiency of these communication tasks, one key challenge for engineers is the application-specific integration of adapted communication concepts, radio technologies, and protocol stacks into an all-embracing communication architecture. This book critically discusses energy efficiency in distributed, embedded systems with focus on the communication aspects. The first part introduces basic definitions as well as a novel estimation model for quantifying energy efficiency on both local (system) and global (network) layer. In the second part, this book proposes several optimisation approaches for energy-efficient, resource-limited communication systems. This include hardware approaches as well as software approaches to optimise the runtime environment and the data processing tasks. Each approach operates on different abstraction layers within the system architecture. The last part of the book deals with the evaluation of specific optimisation strategies under real-world conditions. The test cases includes simulation scenarios as well as hardware test benches within a heterogeneous network environment. The respective results and analyses represent important guidelines for future developments in field of distributed, embedded communication platforms.

Verteilte, Eingebettete Systeme beeinflussen unser tägliches Leben in unzähligen Bereichen. Getrieben durch technologische Weiterentwicklungen und neue Nutzungsprofile nimmt der Vernetzungsgrad elektronischer Geräte rapide zu. Neben einem ausgeprägten Netzwerkcharakter sind aktuelle und zukünftige Anwendungsszenarien wesentlich durch einen hohen Mobilitätsgrad geprägt. Daraus ergeben sich zunehmend Problemstellungen bzgl. geeigneter Kommunikationskonzepte und der hierfür benötigten Energieressourcen. Dieses Buch befasst sich mit Technologien, Konzepten und Protokollen zur energieeffizienten Kommunikation in verteilten, ressourcenbeschränkten Systemen. Es definiert grundlegende Begrifflichkeiten und vermittelt einen umfassenden Einblick in die verschiedenen Forschungsschwerpunkte. Relevante, technologische Entwicklungen der beiden letzten Dekaden werden vorgestellt, thematisch eingeordnet und kritisch analysiert. Anschließend erfolgt die funktional getrennte Betrachtung von Kommunikationsprozessen auf Netzwerk-, Daten- sowie Energiemanagementebene. Darauf aufbauend widmet sich das Buch der Systemintegration und damit einhergehend dem komplexen Systemkonfigurationsprozess. Unter Berücksichtigung applikationsspezifischer Rahmenbedingungen sowie funktionaler Anforderungen werden gezielt geeignete Optimierungsstrategien ausgewählt und in einer ganzheitlich angepassten Systemarchitektur kombiniert. Erst durch das präzise Zusammenspiel von Kommunikationsparadigma, Kommunikationstechnologien und Kommunikationsprotokollen entsteht ein optimiertes Gesamtsystem, welches die zur Verfügung stehenden Ressourcen effizient nutzt. Zur Bewertung kommt ein neu entwickeltes, erweitertes Quantifizierungsmodell zum Einsatz, welches die kommunikativen Aspekte verteilter Applikationsszenarien vollständig einbezieht. Im Rahmen umfangreicher Fallstudien werden ausgewählte Optimierungsverfahren simulativ sowie auf Basis unterschiedlicher Hardwareplattformen evaluiert. Aus den Ergebnissen resultieren qualitative und quantitative Rückschlüsse auf das mögliche Optimierungspotential unter realen Einsatzbedingungen. Die gewonnenen Erkenntnisse dienen als wichtige Richtgrößen für zukünftige Entwicklungen im Bereich eingebetteter, ressourcenbeschränkter Kommunikationssysteme. / Embedded systems are used in almost every domain of our daily lives. Actual research and development activities focus on wireless connected and mobile system architectures. The resulting network topologies represent embedded, distributed systems, which are able to process complex tasks in a collaborative way. Most of the respective hardware platforms are energy self-sufficient with strongly limited resources for data processing, data storage and communication. With focus on the energy resources, communication tasks have a huge impact on the systems power consumption. In order to optimise the energy efficiency of these communication tasks, one key challenge for engineers is the application-specific integration of adapted communication concepts, radio technologies, and protocol stacks into an all-embracing communication architecture. This book critically discusses energy efficiency in distributed, embedded systems with focus on the communication aspects. The first part introduces basic definitions as well as a novel estimation model for quantifying energy efficiency on both local (system) and global (network) layer. In the second part, this book proposes several optimisation approaches for energy-efficient, resource-limited communication systems. This include hardware approaches as well as software approaches to optimise the runtime environment and the data processing tasks. Each approach operates on different abstraction layers within the system architecture. The last part of the book deals with the evaluation of specific optimisation strategies under real-world conditions. The test cases includes simulation scenarios as well as hardware test benches within a heterogeneous network environment. The respective results and analyses represent important guidelines for future developments in field of distributed, embedded communication platforms.