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.

The resource demand on embedded devices is constantly growing. This is caused by the sheer explosion of software based functions in embedded systems, that are growing far faster than the resources of the single-core and multi-core embedded processors. As one of the limitation is the computing power of the processors we need to explore ways to use this resource more efficiently. We identified that during the run-time of the embedded devices the resource demand of the software functions is permanently changing dependent on the device situation. To enable an embedded device to take advantage of this dynamic resource demand, the allocation of the software functions to the processor must be handled by a scheduler that is able to evaluate the resource demand of the software functions in relation to the device situation. This marks a change in embedded devices from static defined software systems to dynamic software systems. Above that we can increase the efficiency even further by extending the approach from a single device to a distributed or networked system (many-core system). However, existing approaches to deal with dynamic resource allocation are focused on individual devices and leave the optimization potential of manycore systems untouched. Our concept will extend the existing Hierarchical Asynchronous Multi-Core Scheduler (HAMS) concept for individual devices to many-core systems. This extension introduces a dynamic situation aware scheduler for many-core systems which take the current workload of all devices and the system-situation into account. With our approach, the resource efficiency of an embedded many-core system can be increased. The following paper will explain the architecture and the expected results of our concept.

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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.

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.

Diese Schriftenreihe präsentiert wissenschaftliche Arbeiten zum Entwurf und zur Selbstorganisation von eingebetteten Systemen. In dem ersten Band dieser Schriftenreihe liegt der Fokus auf der Konzeption von „Rekonfigurierbaren Schnittstellen“. Der vorliegende zweite Band stellt eine vollständige Methodik für die Adaptierung von inkompatiblen Schnittstellen in komplexen, verteilten, eingebetteten Systemen vor. Diese Methodik wird als Interface Synthese (IFS) bezeichnet. In den vier Beiträgen werden im Einzelnen die Modellierung, die Analyse und Optimierung sowie die Codegenerierung als methodische Entwurfsschritte untersucht. Der erste Beitrag behandelt die Modellierung von komplexen Kommunikationssystemen als ersten Schritt des Interface Synthesis Design Flows. Es wird ein UML2.0 Profil sowie dessen Transformation in das Synthesewerkzeug vorgestellt. Die zwei folgenden Beiträge befassen sich mit der Analyse und Optimierung der Schnittstellensynthese. Der erste Ansatz basiert auf der Optimierung der Ausführungspipeline, während der zweite Ansatz eine globale Optimierung durch partitionierendes Clustering in Verbindung mit benutzerspezifischen Protokollen anwendet. Der vierte Beitrag greift die Codegenerierung und somit den letzten Schritt des Interface Synthesis Design Flows auf. Es wird ein dedizierter VHDL-Codegenerator vorgestellt, der insbesondere die Rekonfigurierbarkeit der Schnittstelle unterstützt.

Ausgehend von einer modularen Plattform zur Erfassung und Verarbeitung von Sensordaten bereichert die vorliegende Dissertationsschrift den Systementwurf eingebetteter Systeme um neue Facetten. Ihr besonderer Fokus liegt dabei auf rekonfigurierbaren Architekturen und Linux-basierten Systemen. Ein wesentlicher Beitrag ist die Darstellung und Diskussion von Konzepten und Architekturen vorgenannter Systeme durch ihre Betrachtung auf einer hohen Abstraktionsebene. Dazu schafft die Arbeit ein umfassendes Verständnis für Kommunikation und Konfiguration in heterogenen rekonfigurierbaren Systemen und überträgt die Erkenntnisse auf das Linux-Betriebssystem. Es erfolgt außerdem eine systematische Darstellung der etablierten Zusammenhänge und Abläufe beim Software-, Paket- und Versionsmanagement im Linux-Umfeld. Zur Verbesserung des Entwurfsflusses werden Konzepte und ein geeignetes Werkzeug zur High-Level Spezifikation von Linux-Systemen dargestellt. Die in der Arbeit gewonnenen wissenschaftlichen Erkenntnisse werden hinsichtlich praktischer Relevanz evaluiert und durch prototypische Implementierungen verifiziert. / Based on a modular platform for recording and processing of sensor data the present thesis enriches the field of system design of embedded systems with new facets. Its particular focus is on reconfigurable architectures and Linux-based systems. A major contribution is the presentation and discussion of concepts and architectures of aforementioned systems by investigating them on a high level of abstraction. To achieve this, the work creates a comprehensive understanding of communication and configuration in heterogeneous reconfigurable systems. This knowledge is transferred on the Linux operating system. In addition, a systematic presentation of the established relationships and processes in software, package and version management in the Linux environment takes place. To improve the design flow of Linux systems, the thesis presents appropriate concepts as well as a tool for high-level specification of embedded Linux systems. The gained scientific findings are evaluated in terms of practical relevance and verified by prototype implementations.

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.