A new method, probability distribution of diffusivities (time scaled square displacements between succeeding video frames), was developed to analyze single molecule tracking (SMT) experiments. This method was then applied to SMT experiments on ultrathin liquid tetrakis(2-ethylhexoxy)silane (TEHOS) films on Si wafer with 100 nm thermally grown oxide, and on thin semectic liquid crystal films. Spatial maps of diffusivities from SMT experiments on 220 nm thick semectic liquid crystal films reveal structure related dynamics. The SMT experiments on ultrathin TEHOS films were complemented by fluorescence correlation spectroscopy (FCS). The observed strongly heterogeneous single molecule dynamics within those films can be explained by a three-layer model consisting of (i) dye molecules adsorbed to the substrate, (ii) slowly diffusing molecules in the laterally heterogeneous near-surface region of 1 - 2 molecular diameters, and (iii) freely diffusing dye molecules in the upper region of the film. FCS and SMT experiments reveal a strong influence of substrate heterogeneity on SM dynamics. Thereby chemisorption to substrate surface silanols plays an important role. Vertical mean first passage times (mfpt) in those films are below 1 µs. This appears as fast component in FCS autocorrelation curves, which further contain a contribution from lateral diffusion and from adsorption events. Therefore, the FCS curves are approximated by a tri-component function, which contains an exponential term related to the mfpt, the correlation function for translational diffusion and a stretched exponential term for the broad distribution of adsorption events. Lateral diffusion coefficients obtained by FCS on 10 nm thick TEHOS films, thereby, are effective diffusion coefficients from dye transients in the focal area. They strongly depend on the substrate heterogeneity. Variation of the frame times for the acquisition of SMT experiments in steps of 20 ms from 20 ms to 200 ms revealed a strong dependence of the corresponding probability distributions of diffusivities on time, in particular in the range between 20 ms and 100 ms. This points to average dwell times of the dye molecules in at least one type of the heterogeneous regions (e.g. on and above silanol clusters) in the range of few tens of milliseconds. Furthermore, time series of SM spectra from Nile Red in 25 nm thick poly-n-alkyl-methacrylate (PnAMA) films were studied. In analogy to translational diffusion, spectral diffusion (shifts in energetic positions of SM spectra) can be studied by probability distributions of spectral diffusivities, i.e. time scaled square energetic displacements. Simulations were run and analyzed to study contributions from noise and fitting uncertainty to spectral diffusion. Furthermore the effect of spectral jumps during acquisition of a SM spectrum was investigated. Probability distributions of spectral diffusivites of Nile Red probing vitreous PnAMA films reveal a two-level system. In contrast, such probability distributions obtained from Nile Red within a 25 nm thick poly-n-butylmethacrylate film around glass transition and in the melt state, display larger spectral jumps. Moreover, for longer alkyl side chains a solvent shift to higher energies is observed, which supports the idea of nanophase separation within those polymers.

Gegenwärtige Bestrebungen materialwissenschaftlicher Forschung beschäftigen sich unter anderem mit der Überführung zweidimensionaler Elemente elektronischer, optischer, plasmonischer oder magnetischer Funktionalität in den dreidimensionalen (3D) Raum. Dieser Ansatz vermag mittels Krümmung und struktureller Topologie bereits vorhandene Eigenschaften abzuändern beziehungsweise neue Funktionalitäten bereitzustellen. Vor allem Vektoreigenschaften wie die Magnetisierung kondensierter Materie lassen sich aufgrund der Brechung der Inversionssymmetrie in gekrümmten Flächen stark beeinflussen. Neben der Entwicklung diverser Vorgänge zur Herstellung 3D magnetischer Gegenstände sind geeignete Untersuchungsmethoden wie beispielsweise tomografische Abbildungen der Magnetisierung von Nöten, die maßgeblich die physikalischen Eigenschaften bestimmen. Die vorliegende Dissertationsschrift befasst sich mit der Abbildung von magnetischen Domänen in 3D gekrümmten Dünnschichten beruhend auf dem Effekt des zirkularen magnetischen Röntgendichroismus (XMCD). Die in diesem Zusammenhang entwickelte magnetische Röntgentomografie (MXT) basierend auf weicher Röntgenmikroskopie stellt eine zu Elektronenholografie und Neutronentomografie komplementäre Methodik dar, welche großes Anwendungspotential in der elementspezifischen Untersuchung magnetischer gekrümmter Flächen mit örtlicher Auflösung im Nanometerbereich aufweist. Die Schwierigkeit der Interpretation von Abbildungen magnetischer Strukturen in gekrümmten Flächen rührt von der Dreidimensionalität und der Vektoreigenschaft der Magnetisierung her. Die hierzu notwendigen Kenntnisse sind anhand von zwei topologisch verschiedenen Flächen in Form hemisphärischer Kappen und hohler Zylinder erschlossen worden. Die praktische Anwendung von MXT ist abschließend anhand der Rekonstruktion magnetischer Domänen in aufgerollten Dünnschichten mit zylindrischer Form verdeutlicht. / One of the foci of modern materials sciences is set on expanding conventional two-dimensional electronic, photonic, plasmonic and magnetic devices into the third dimension. This approach provides means to modify conventional or to launch novel functionalities by tailoring curvature and three-dimensional (3D) shape. The degree of effect is particularly high for vector properties like the magnetization due to an emergent inversion symmetry breaking. Aside from capabilities to design and synthesize 3D magnetic architectures, proper characterization methods, such as magnetic tomographic imaging techniques, need to be developed to obtain a thorough understanding of the system’s response under external stimuli. The main objective of this thesis is to develop a visualization technique that provides nanometer spatial resolution to image the peculiarities of the magnetic domain patterns on extended 3D curved surfaces. The proposed and realized concept of magnetic soft X-ray tomography (MXT), based on the X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) effect with soft X-ray microscopies, has the potential to become a powerful tool to investigate element specifically an entirely new class of 3D magnetic objects with virtually any shape and magnetization. Imaging curved surfaces meets the challenge of three-dimensionality and requires a profound understanding of the recorded XMCD contrast. These experiences are gained by visualizing magnetic domain patterns on two distinct 3D curved surfaces, namely magnetic cap structures and rolled-up magnetic nanomembranes with cylindrical shape. The capability of MXT is demonstrated by reconstructing the magnetic domain patterns on 3D curved surfaces resembling hollow cylindrical objects.

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In this work, stretchable magnetic sensorics is successfully established by combining metallic thin films revealing a giant magnetoresistance effect with elastomeric materials. Stretchability of the magnetic nanomembranes is achieved by specific morphologic features (e.g. wrinkles), which accommodate the applied tensile deformation while maintaining the electrical and magnetic integrity of the sensor device. The entire development, from the demonstration of the world-wide first elastically stretchable magnetic sensor to the realization of a technology platform for robust, ready-to-use elastic magnetoelectronics with fully strain invariant properties, is described. The prepared soft giant magnetoresistive devices exhibit the same sensing performance as on conventional rigid supports, but can be stretched uniaxially or biaxially reaching strains of up to 270% and endure over 1,000 stretching cycles without fatigue. The comprehensive magnetoelectrical characterization upon tensile deformation is correlated with in-depth structural investigations of the sensor morphology transitions during stretching. With their unique mechanical properties, the elastic magnetoresistive sensor elements readily conform to ubiquitous objects of arbitrary shapes including the human skin. This feature leads electronic skin systems beyond imitating the characteristics of its natural archetype and extends their cognition to static and dynamic magnetic fields that by no means can be perceived by human beings naturally. Various application fields of stretchable magnetoelectronics are proposed and realized throughout this work. The developed sensor platform can equip soft electronic systems with navigation, orientation, motion tracking and touchless control capabilities. A variety of novel technologies, like smart textiles, soft robotics and actuators, active medical implants and soft consumer electronics will benefit from these new magnetic functionalities.

From a physical perspective biological cells consist of active soft matter that exist in a thermodynamic state far from equilibrium. Not only in muscles but also during cell proliferation, wound healing, embryonic development, and many other physiological tasks, generation of forces on the scale of whole cells is required. To date, cellular contractions have been ascribed to adhesion dependent processes such as myosin driven stress fiber formation and the development of focal adhesion complexes. In this thesis it is shown for the first time that contractions can occur independently of focal adhesions in single suspended cells. To measure mechanical properties of suspended cells the Optical Stretcher – a dualbeam laser trap – was used with phase contrast video microscopy which allowed to extract the deformation of the cell for every single frame. For fluorescence imaging confocal laser scanning microscopy was employed. The ratio of the fluorescence of a temperature sensitive and a temperature insensitive rhodamine dye was utilized to determine the temperatures inside the optical trap during and after Optical Stretching. The rise in temperature at a measuring power of 0.7W turned out to be enough to open a temperature sensitive ion channel transfected into an epithelial cell line. In this way a massive Ca2+ influx was triggered during the Optical Stretcher experiment. A new setup combining Optical Stretching and confocal laser scanning microscopy allowed fluorescence imaging of these Ca2+ signals while the cells were deformed by optically induced surface forces, showing that the Ca2+ influx could be manipulated with adequate drugs. This model system was then employed to investigate the influence of Ca2+ on the observed contractions, revealing that they are partially triggered by Ca2+. A phenomenological mathematical model based on the fundamental constitutive equation for linear viscoelastic materials extended by a term accounting for active contractions allowed to quantify the activity of the measured cells. The skewness and the median of the strain distributions were shown to depend on the activity of the cells. The introduced model reveals that even in measurements, that seemingly are describable by passive viscoelasticity, active contractililty might be superimposed. Ignoring this effect will lead to erroneous material properties and misinterpretation of the data. Taken together, the findings presented in this thesis demonstrate that active processes are an essential part of cellular mechanics and cells can contract even independently of adhesions. The results provide a method that allows to quantify active contractions of suspended cells. As the proposed model is not based on specific assumptions on force generating processes, it paves the way for a thorough investigation of different influences, such as cytoskeletal structures and intra-cellular signaling processes, to cellular contractions. The results present an important contribution for better mechanical classification of cells in future research with possible implications for medical diagnosis and therapy.

Gegenwärtige Bestrebungen materialwissenschaftlicher Forschung beschäftigen sich unter anderem mit der Überführung zweidimensionaler Elemente elektronischer, optischer, plasmonischer oder magnetischer Funktionalität in den dreidimensionalen (3D) Raum. Dieser Ansatz vermag mittels Krümmung und struktureller Topologie bereits vorhandene Eigenschaften abzuändern beziehungsweise neue Funktionalitäten bereitzustellen. Vor allem Vektoreigenschaften wie die Magnetisierung kondensierter Materie lassen sich aufgrund der Brechung der Inversionssymmetrie in gekrümmten Flächen stark beeinflussen. Neben der Entwicklung diverser Vorgänge zur Herstellung 3D magnetischer Gegenstände sind geeignete Untersuchungsmethoden wie beispielsweise tomografische Abbildungen der Magnetisierung von Nöten, die maßgeblich die physikalischen Eigenschaften bestimmen. Die vorliegende Dissertationsschrift befasst sich mit der Abbildung von magnetischen Domänen in 3D gekrümmten Dünnschichten beruhend auf dem Effekt des zirkularen magnetischen Röntgendichroismus (XMCD). Die in diesem Zusammenhang entwickelte magnetische Röntgentomografie (MXT) basierend auf weicher Röntgenmikroskopie stellt eine zu Elektronenholografie und Neutronentomografie komplementäre Methodik dar, welche großes Anwendungspotential in der elementspezifischen Untersuchung magnetischer gekrümmter Flächen mit örtlicher Auflösung im Nanometerbereich aufweist. Die Schwierigkeit der Interpretation von Abbildungen magnetischer Strukturen in gekrümmten Flächen rührt von der Dreidimensionalität und der Vektoreigenschaft der Magnetisierung her. Die hierzu notwendigen Kenntnisse sind anhand von zwei topologisch verschiedenen Flächen in Form hemisphärischer Kappen und hohler Zylinder erschlossen worden. Die praktische Anwendung von MXT ist abschließend anhand der Rekonstruktion magnetischer Domänen in aufgerollten Dünnschichten mit zylindrischer Form verdeutlicht. / One of the foci of modern materials sciences is set on expanding conventional two-dimensional electronic, photonic, plasmonic and magnetic devices into the third dimension. This approach provides means to modify conventional or to launch novel functionalities by tailoring curvature and three-dimensional (3D) shape. The degree of effect is particularly high for vector properties like the magnetization due to an emergent inversion symmetry breaking. Aside from capabilities to design and synthesize 3D magnetic architectures, proper characterization methods, such as magnetic tomographic imaging techniques, need to be developed to obtain a thorough understanding of the system’s response under external stimuli. The main objective of this thesis is to develop a visualization technique that provides nanometer spatial resolution to image the peculiarities of the magnetic domain patterns on extended 3D curved surfaces. The proposed and realized concept of magnetic soft X-ray tomography (MXT), based on the X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) effect with soft X-ray microscopies, has the potential to become a powerful tool to investigate element specifically an entirely new class of 3D magnetic objects with virtually any shape and magnetization. Imaging curved surfaces meets the challenge of three-dimensionality and requires a profound understanding of the recorded XMCD contrast. These experiences are gained by visualizing magnetic domain patterns on two distinct 3D curved surfaces, namely magnetic cap structures and rolled-up magnetic nanomembranes with cylindrical shape. The capability of MXT is demonstrated by reconstructing the magnetic domain patterns on 3D curved surfaces resembling hollow cylindrical objects.

Transparente Elektroden finden breite Verwendung in unterschiedlichen kommerziellen Produkten. Dünnschichtsolarzellen basieren ebenso auf diesen Funktionsschichten wie Displays oder organische Leuchtdioden. Im Falle von Dünnschichtsolarzellen kann durch gezielte Einstellung der Oberflächentextur der transparenten Elektrode ein entscheidender Einfluss auf die erreichbare Effizienz genommen werden. Dabei wird eine Verlängerung der Weglänge des Lichtes im Absorbermaterial durch Mehrfachreflexionen angestrebt. Häufig werden dafür Schichten transparenter leitfähiger Oxide (TCO) gezielt texturiert. Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung transparenter Elektroden stellt die Verwendung feiner Metallgitter dar. Diese ermöglichen hohe Leitfähigkeiten im Bereich der Gitterstege und hohe Transparenz im Bereich zwischen den Stegen. In dieser Arbeit sollte ein auf nasschemischen Prozessen basierendes Verfahren entwickelt werden, mit dem es möglich ist, sowohl strukturierte TCO-Elektroden als auch Metallgitter unterschiedlicher Geometrien gezielt herzustellen. Die Leistungsfähigkeit der Elektroden sollte anhand der Integration in entsprechende Bauteile bewertet werden. Namentlich sollte dieser Prozess für Cd2SnO4 (engl. Cadmium Tin Oxide, CTO) als ein TCO-Material hoher Transparenz und Leitfähigkeit sowie für Silber und Kupfer als metallische Systeme anwendbar sein. Als zielführende Methode kam die Nanoprägelithographie (von engl. Nanoimprint Lithography, NIL) zum Einsatz. Dieses Verfahren erlaubt die schnelle, einfache und kostengünstige Herstellung strukturierter Oberflächen. Grundsätzlich wird dazu ein strukturierter Elastomerstempel in eine Schicht eines zu vernetzenden Materials gepresst. Während des Pressens findet die Vernetzung statt. Nach anschließender Separation von Stempel und Schicht resultiert eine strukturierte Oberfläche. Gängige Präkursorensysteme für anorganische Verbindungen, bei denen Vernetzungsprozesse ablaufen, stellen Sol-Gel-Methoden und sogenannte polymere Präkursoren dar. Für letztere werden Metallzitrate mit Ethylenglykol verestert, um ein vernetztes Polymer zu generieren. Nach thermischem Entfernen der Organik bleibt das Metalloxid zurück. Im Rahmen dieser Arbeit ist ein Präkursorensystem entwickelt worden, das Metallionen komplexiert, auf Glassubstrate beschichtet werden kann und eine thermische Polymerisation erlaubt. Aus dem erhaltenen polymeren Präkursor konnten die Zielverbindungen durch thermisches Zersetzen einerseits in Pulverform und andererseits über vorhergehende Schleuderbeschichtung in Form dünner Schichten erhalten werden. Im Falle des kubischen Cd2SnO4 wurde im Rahmen dieser Arbeit erstmals eine Nanopulver-Synthese mit phasenreinem Produkt aus flüssigem Präkursor beschrieben. Dafür stellten sich der Anteil der verwendeten organischen Bestandteile sowie die Zersetzungsgeschwindigkeit als entscheidende Einflussparameter heraus. Zudem wurden CTO Dünnschichten mit dem beschriebene Präkursor hergestellt. Eine optimale Brenntemperatur zur Erzeugung phasenreiner CTO-Schichten von 700 ‰ wurde ermittelt. Die Zersetzungsgeschwindigkeit (bzw. Aufheizrate) beeinflusste die Oberflächenmorphologie der erhaltenen Schichten maßgeblich. Eine schrittweise Zersetzung (100 ‰°C, 200 °C‰, Zieltemperatur) führte dabei in effizienter Weise zu kompakten Schichten. Diese zeigten sehr gute optische und elektronische Eigenschaften. So konnten etwa 300 nm dicke CTO-Schichten mit spezifischen Widerständen von ca. 1 • 10^(−5) Ohm m bei einer Transmission von etwa 80 % (inklusive Glassubstrat) erhalten werden. Derartige CTO-Schichten konnten erfolgreich als transparente Frontelektroden für a-Si Dünnschichtsolarzellen verwendet werden. Ein positiver Einfluss periodischer Linienstrukturen auf die Lichteinfangeigenschaften und den resultierenden Photostrom im Vergleich zu flachen CTO-Schichten wurde bestätigt. Auch für die Herstellung von CdTe-Dünnschichtsolarzellen konnten die CTO-Schichten erfolgreich eingesetzt werden. Die erreichten Effizienzen lagen jedoch lediglich im Bereich von 3 bis 3,6 %. Ein signifikanter Unterschied zwischen flachen und strukturierten Proben konnte nicht ausgemacht werden. Durch die reduzierenden Eigenschaften von Zitronensäure und Ethylenglykol gegenüber Ag+ und Cu2+ Ionen war es möglich, die Metalle in elementarer Form durch einfache thermische Behandlung des Präkursors zu erhalten. Während dieser Prozess für silberhaltige Systeme relativ einfach zu realisieren war, musste bei kupferhaltigen Proben die Bildung oxidischer Nebenphasen festgestellt werden. So war für Letzteres eine reduktive Nachbehandlung vollständig oxidierter Proben im Wasserstoffplasma zielführend und lieferte leitfähige Dünnschichten mit hohem Cu(0)-Anteil. Im Falle von Silber führte eine geeignete thermische Behandlung der Präkursorschicht zu dünnen, leitfähigen Silberschichten mit spezifischen Widerständen von ca. 6 • 10^(−8) Ohm m (Festkörper: ca.1 • 10^(−8) Ohm m). Die Übertragung des NIL-Prozesses gelang sowohl für silber- als auch kupferhaltige Systeme. Mit NIL-strukturierten Silberdünnschichten gelang so die Herstellung semitransparenter Elektroden mit spezifischen Widerständen von 2,2 • 10^(−7) Ohm m, welche in Elektrolumineszenzbauteilen verwendet wurden. Aufgrund der relativ niedrigen Temperaturen, die für die Zersetzung des Silberpräkursors nötig waren (ca. 250 ‰ ), war die Fertigung entsprechender Elektroden und Bauteile auch auf Polyimidfolien möglich. Insgesamt bleibt die Erkenntnis, dass NIL-strukturierte dünne Schichten erfolgreich in optoelektronische Bauteile integriert werden konnten. Variable Präkursorsysteme erlauben die Herstellung verschiedener Schichten und somit Anwendungen in unterschiedlichen Bauteilen. Polymere Präkursoren haben sich als geeignet für dieses Vorgehen erwiesen und können relativ einfach auf diverse oxidische Stoffsysteme übertragen werden. Gleichzeitig eignen sie sich zur Herstellung metallischer transparenter Elektroden durch NIL-Strukturierung, was insbesondere im Hinblick auf flexible Bauteile von Vorteil ist.

A new method, probability distribution of diffusivities (time scaled square displacements between succeeding video frames), was developed to analyze single molecule tracking (SMT) experiments. This method was then applied to SMT experiments on ultrathin liquid tetrakis(2-ethylhexoxy)silane (TEHOS) films on Si wafer with 100 nm thermally grown oxide, and on thin semectic liquid crystal films. Spatial maps of diffusivities from SMT experiments on 220 nm thick semectic liquid crystal films reveal structure related dynamics. The SMT experiments on ultrathin TEHOS films were complemented by fluorescence correlation spectroscopy (FCS). The observed strongly heterogeneous single molecule dynamics within those films can be explained by a three-layer model consisting of (i) dye molecules adsorbed to the substrate, (ii) slowly diffusing molecules in the laterally heterogeneous near-surface region of 1 - 2 molecular diameters, and (iii) freely diffusing dye molecules in the upper region of the film. FCS and SMT experiments reveal a strong influence of substrate heterogeneity on SM dynamics. Thereby chemisorption to substrate surface silanols plays an important role. Vertical mean first passage times (mfpt) in those films are below 1 µs. This appears as fast component in FCS autocorrelation curves, which further contain a contribution from lateral diffusion and from adsorption events. Therefore, the FCS curves are approximated by a tri-component function, which contains an exponential term related to the mfpt, the correlation function for translational diffusion and a stretched exponential term for the broad distribution of adsorption events. Lateral diffusion coefficients obtained by FCS on 10 nm thick TEHOS films, thereby, are effective diffusion coefficients from dye transients in the focal area. They strongly depend on the substrate heterogeneity. Variation of the frame times for the acquisition of SMT experiments in steps of 20 ms from 20 ms to 200 ms revealed a strong dependence of the corresponding probability distributions of diffusivities on time, in particular in the range between 20 ms and 100 ms. This points to average dwell times of the dye molecules in at least one type of the heterogeneous regions (e.g. on and above silanol clusters) in the range of few tens of milliseconds. Furthermore, time series of SM spectra from Nile Red in 25 nm thick poly-n-alkyl-methacrylate (PnAMA) films were studied. In analogy to translational diffusion, spectral diffusion (shifts in energetic positions of SM spectra) can be studied by probability distributions of spectral diffusivities, i.e. time scaled square energetic displacements. Simulations were run and analyzed to study contributions from noise and fitting uncertainty to spectral diffusion. Furthermore the effect of spectral jumps during acquisition of a SM spectrum was investigated. Probability distributions of spectral diffusivites of Nile Red probing vitreous PnAMA films reveal a two-level system. In contrast, such probability distributions obtained from Nile Red within a 25 nm thick poly-n-butylmethacrylate film around glass transition and in the melt state, display larger spectral jumps. Moreover, for longer alkyl side chains a solvent shift to higher energies is observed, which supports the idea of nanophase separation within those polymers.

Several available free software audio solutions were analyzed, and Jackdmp—a C++ reimplementation of the renowned JACK Audio Connection Kit—was selected as the most appropriate solution for a real-time audio architecture on DROPS. The JACK sound architecture provides the lowest processing latency possible on a desktop computer for a given set of sound card parameters. It reduces the latency jitter caused by software to zero and synchronizes streams at sample accuracy. A real-time admission scheme for JACK clients is proposed. The execution time of different typical JACK clients was analyzed with measurements to validate the assumptions the proposal is based on, but also to gain further knowledge about their timing behavior. The measurements showed that the condition set by Paul Davis—the time to process a client must be a linear function of the buffer size—holds for all tested clients. Jackdmp was ported to DROPS. The developed design of the port and its implementation is documented here. Measurements showed that—although the real-time performance of the Linux kernel is continuously being improved in the mainline and on special external branches—DROPS can provide a signaling latency that is two times lower on average than the values that can be achieved on the same machine running with a low latency patched Linux kernel. Thus, it can be stated that DROPS is well-suited for real-time audio processing and that the pursued path to use it as the foundation of a truly real-time capable audio workstation should be followed. / Wenn man heute digitale Audiotechnik zum Aufnehmen oder Abmischen von Musik oder anderen Audiodaten verwenden möchte, steht man vor der Wahl, entweder auf eine sehr spezialisierte Hardwarelösung zurückzugreifen oder aber sich eines gewöhnlichen Desktopsystems mit entsprechender Audiosoftware zu bedienen. Der Vorteil eines Desktopsystems ist neben seinem deutlich niedrigeren Preis vor allem die Flexibilität. Bezüglich seines Echtzeitverhaltens bietet ein Computer mit einem Standard-Desktop-Betriebssystem aber bei weitem nicht dieselbe Verlässlichkeit einer spezialisierten Hardwarelösung oder analoger Technik. Die Architektur von DROPS --- mit dem echtzeitfähigen Fiasco- Mikrokern auf der einen Seite sowie der Unterstützung von Legacy-Anwendungen durch L4Linux auf der anderen Seite --- birgt die Hoffnung, die Vorteile von den beiden eben beschriebenen Welten auf einem System mit DROPS kombinieren zu können. Die Motivation meiner Arbeit war es, für dieses langfristige Ziel einen ersten Grundstein zu legen. Dazu war es meine Aufgabe, verschiedene Open-Source- Lösungen hinsichtlich ihrer Eignung als Echtzeit-Audioarchitektur für DROPS zu analysieren und die am besten geeignete auf L4Env zu portieren. Meine Wahl fiel dabei auf das in der Linux-Audio-Szene wohlbekannte Jack Audio Connection Kit (JACK). Desweiteren konnte ich in der Arbeit untersuchen, wie sich die JACK Audioarchitektur in ein globales Echtzeit-Scheduling --- z.B. eines von DROPS --- einbetten ließe, und schlage eine generische Methode dafür vor.

Several available free software audio solutions were analyzed, and Jackdmp—a C++ reimplementation of the renowned JACK Audio Connection Kit—was selected as the most appropriate solution for a real-time audio architecture on DROPS. The JACK sound architecture provides the lowest processing latency possible on a desktop computer for a given set of sound card parameters. It reduces the latency jitter caused by software to zero and synchronizes streams at sample accuracy. A real-time admission scheme for JACK clients is proposed. The execution time of different typical JACK clients was analyzed with measurements to validate the assumptions the proposal is based on, but also to gain further knowledge about their timing behavior. The measurements showed that the condition set by Paul Davis—the time to process a client must be a linear function of the buffer size—holds for all tested clients. Jackdmp was ported to DROPS. The developed design of the port and its implementation is documented here. Measurements showed that—although the real-time performance of the Linux kernel is continuously being improved in the mainline and on special external branches—DROPS can provide a signaling latency that is two times lower on average than the values that can be achieved on the same machine running with a low latency patched Linux kernel. Thus, it can be stated that DROPS is well-suited for real-time audio processing and that the pursued path to use it as the foundation of a truly real-time capable audio workstation should be followed. / Wenn man heute digitale Audiotechnik zum Aufnehmen oder Abmischen von Musik oder anderen Audiodaten verwenden möchte, steht man vor der Wahl, entweder auf eine sehr spezialisierte Hardwarelösung zurückzugreifen oder aber sich eines gewöhnlichen Desktopsystems mit entsprechender Audiosoftware zu bedienen. Der Vorteil eines Desktopsystems ist neben seinem deutlich niedrigeren Preis vor allem die Flexibilität. Bezüglich seines Echtzeitverhaltens bietet ein Computer mit einem Standard-Desktop-Betriebssystem aber bei weitem nicht dieselbe Verlässlichkeit einer spezialisierten Hardwarelösung oder analoger Technik. Die Architektur von DROPS --- mit dem echtzeitfähigen Fiasco- Mikrokern auf der einen Seite sowie der Unterstützung von Legacy-Anwendungen durch L4Linux auf der anderen Seite --- birgt die Hoffnung, die Vorteile von den beiden eben beschriebenen Welten auf einem System mit DROPS kombinieren zu können. Die Motivation meiner Arbeit war es, für dieses langfristige Ziel einen ersten Grundstein zu legen. Dazu war es meine Aufgabe, verschiedene Open-Source- Lösungen hinsichtlich ihrer Eignung als Echtzeit-Audioarchitektur für DROPS zu analysieren und die am besten geeignete auf L4Env zu portieren. Meine Wahl fiel dabei auf das in der Linux-Audio-Szene wohlbekannte Jack Audio Connection Kit (JACK). Desweiteren konnte ich in der Arbeit untersuchen, wie sich die JACK Audioarchitektur in ein globales Echtzeit-Scheduling --- z.B. eines von DROPS --- einbetten ließe, und schlage eine generische Methode dafür vor.