Embedded Systems Flashcards
Prüfungsrelevanten Fragen von Embedded Systems (64 cards)
1
Q
Für welche Anwendungen werden eingebettete Systeme benötigt?
A
- Für spezialisierte Aufgaben in Geräten
- z.B Haushaltsgeräten, Autos, Industrieanlagen, Medizintechnik und Unterhaltungselektronik
2
Q
Charakterisieren Sie die Merkmale eines eingebetteten Systems!
A
- Spezifische Aufgabe, Echtzeitverhalten, Ressourcenbeschränkung, hohe Integration, oft energieeffizient und zuverlässig.
3
Q
Welche Vorteile haben eingebettete Systeme gegenüber alternativen Systemen?
A
- Geringer Energieverbrauch, kompakte Bauweise, niedrige Kosten, hohe Zuverlässigkeit und maßgeschneiderte Funktionalität
4
Q
Welche Systeme könnten bei einem selbstfahrenden Fahrzeug als eingebettete Systeme ausgelegt werden?
A
- Sensorsteuerung, Bildverarbeitung, Navigationssysteme, Motorsteuerung, Sicherheitsüberwachung und Kommunikationseinheiten
- Spurhalte Assisstent, Automatische Lichtsteuerung, Tempomat, Abstandshalter, Innenraumspiegel Abblendautomatik, Klimasteuerung, Park Assisstent…
5
Q
Was sind FPGAs?
A
- FPGAs (Field Programmable Gate Arrays), integrierte Schaltungen, deren logische Funktionen nach der Herstellung vom Nutzer frei programmiert werden können
- Bestehen aus viele konfigurierbarer Logikblöcke und Verbindungen
- Digitale Schaltungen können individuell umgesetzt werden
- Ideal für Anwendungen die Flexibilität und parallele Verarbeitung erfordern
6
Q
Worin besteht der Unterschied zwischen Mikrocontroller und FPGA?
A
Mikrocontroller sind fest programmierte Prozessoren für spezifische Aufgaben; FPGAs sind frei konfigurierbare Hardware-Bausteine, die flexibel anpassbar sind.
7
Q
Was sind ASICs?
A
- ASICs (Application-Specific Integrated Circuits) sind integrierte Schaltungen, speziell für eine bestimmte Anwendung oder Aufgabe entworfen und hergestellt
- Anders als FPGAs sind sie nicht nachträglich programmierbar, aber schnell, effizient und platzsparend
- z.B. Chip in einem digitalen Taschenrechner
8
Q
Warum werden ASICs nur bei großen Stückzahlen verwendet?
A
- Hohe Entwicklungskosten lohnen sich nur bei großer Stückzahl, da sie sich dann auf viele Einheiten verteilen
9
Q
Was sind SoC-Plattformen?
A
- SoC (System-on-a-Chip)-Plattformen
- integrierte Schaltungen, komplettes Computersystem auf einem einzigen Chip
- Enthalten typischerweise Prozessor, Speicher, Schnittstellen und oft auch spezielle Hardwaremodule (z. B. für Grafik oder Kommunikation).
- z.B Smartphone-Prozessor, A-Serie von Apple, Qualcomm Snapdragon
10
Q
Welche Vorteile haben SoC-Plattformen in FPGAs?
A
- Kombination von Prozessor und programmierbarer Logik auf einem Chip
- Erhöht Flexibilität, Leistung und Integration
11
Q
Welches eingebettete System verwendet man bei der Umsetzung einer Logikschaltung und warum?
A
- FPGA, da es frei programmierbar ist und sich ideal für parallele, digitale Logik eignet
12
Q
Wie kann man eingebettete Systeme klassifizieren?
A
- Nach Funktion (kontrollierend, überwachend, steuernd), Echtzeitfähigkeit, Energieverbrauch, Komplexität oder Einsatzgebiet
13
Q
Wie sind Mikroprozessoren aufgebaut?
A
- Sie bestehen aus Rechenwerk (ALU), Steuerwerk, Registern, Bus-Systemen und oft einem Taktgeber.
14
Q
Worin besteht der Unterschied zwischen Mikroprozessor und Mikrocontroller?
A
- Mikroprozessor: Nur die CPU, benötigt externe Komponenten
- Mikrocontroller: CPU + Speicher + Peripherie auf einem Chip – ideal für eingebettete Systeme
15
Q
Welche Aufgabe hat das Adresswerk?
A
- Es bestimmt, auf welche Speicherzelle oder welches Peripheriegerät zugegriffen wird
16
Q
Was unterscheidet die Prozessorarchitektur CISC von RISC?
A
- CISC: Viele komplexe Befehle, langsamer, aber kompakter Code
- RISC: Wenige einfache Befehle, schneller, einfacher zu optimieren
17
Q
Welche Architekturen nach Anzahl von Befehlen und Datenströmen (nach Flynn) sind bekannt?
A
- SISD: Single Instruction, Single Data
- SIMD: Single Instruction, Multiple Data
- MISD: Multiple Instruction, Single Data (selten)
- MIMD: Multiple Instruction, Multiple Data
18
Q
Was ist der Nachteil des Von-Neumann-Rechnermodells?
A
- Befehle und Daten teilen sich denselben Bus → Flaschenhals (Von-Neumann-Bottleneck)
19
Q
Was sind ARM Prozessoren?
A
- Energieeffiziente Mikroprozessoren, die auf der RISC-Architektur basieren
- Ursprünglich von der Firma ARM Ltd. entwickelt
- Besonders geeignet für mobile Geräte wie Smartphones, Tablets, Smartwatches und eingebettete Systeme
20
Q
Für welche Anwendungen können ARM Prozessoren im Smartphone Verwenung finden?
A
- Für Betriebssystemsteuerung, Apps, Energieverwaltung, Sensorsteuerung und Kommunikation
21
Q
An wechen Merkmalen kann der ATmega328P als RISC Prozessor identifiziert werden?
A
- Feste, einfache Befehlssätze, einheitliche Instruktionslänge, ein Registersatz mit vielen allgemeinen Registern
22
Q
Welche Mikroprozessoren unterscheidet man?
A
- CISC-Prozessoren (z. B. Intel x86)
- RISC-Prozessoren (z. B. ARM, AVR)
- DSPs (Digitale Signalprozessoren)
- Superskalare Prozessoren
- VLIW-Prozessoren
23
Q
Für welche Anwendungen sind FPGAs geeignet?
A
- Für Aufgaben, die schnelle, parallele Verarbeitung oder individuelle Hardwarelogik erfordern
– z. B. Bild- und Signalverarbeitung, Steuerungstechnik, Kommunikation
24
Q
Welchen Unterschied zwischen FPGA und Mikroprozessor gibt es?
A
- FPGA ist frei konfigurierbare Hardware
- Mikroprozessor ist feste Recheneinheit mit Software
- FPGAs führen Hardwarefunktionen aus, Mikroprozessoren Software
25
Wie wird die programmierbare Logik realisiert?
- Durch konfigurierbare Logikblöcke und Verbindungsmatrix, die per Software (z. B. in VHDL) programmiert werden.
26
Welcher Schaltkreis ist für die Steuerungstechnik geeignet?
FPGAs oder Mikrocontroller – je nach Komplexität und Echtzeitanforderungen.
27
Was versteht man unter SoC?
- System-on-a-Chip – ein Chip, der Prozessor, Speicher, Schnittstellen und mehr auf einem einzigen Bauteil vereint
28
Warum finden FPGAs häufig in der Signalverarbeitung Anwendung?
Weil sie hochparallele Verarbeitung ermöglichen und dadurch schnell und flexibel auf komplexe Signale reagieren können.
29
Wodurch unterscheiden sich digitale von analogen Signalen?
- Analoge Signale sind stetig, digitale Signale bestehen aus diskreten Werten (z. B. 0 und 1).
30
Welche Maßnahmen sind zur Verarbeitung externer Signale mit einem eingebetteten System notwendig?
- Sensoren, Signalaufbereitung (z. B. Verstärkung, Filterung) und Analog-Digital-Wandlung (ADC)
31
Mit welcher Frequenz muss ein bandbegrenztes Signal mindestens abgetastet werden?
Mit mindestens doppelter Frequenz der höchsten Signalkomponente → Nyquist-Theorem.
32
Wie wird die Digitalisierung von analogen Spannungen realisiert?
- Durch einen Analog-Digital-Wandler (ADC)
- Ein Analoges Signal ist stetig
- Der ADC misst die Spannung in festen Abständen (Abtastung) und wandelt den Messwert anschließend in eine Zahl um. z.B. 1,23V → 158 bei 8 Bit Auflösung
33
Welche physikalischen Größen können gemessen werden?
- Temperatur, Licht, Druck, Feuchtigkeit, Bewegung, Beschleunigung, Schall, Magnetfeld usw.
34
Durch welchen Sensor kann die Beschleunigung gemessen werden?
- Durch einen Beschleunigungssensor (z. B. MEMS-Beschleunigungssensor).
35
Wie kann ein Elektromotor mit einem Mikrocontroller angesteuert werden?
- Über PWM-Signale (Pulsweitenmodulation) und ggf. einen Leistungstreiber.
36
Was ist Pulsweitenmodulation?
- Statt die Spannung stufenlos zu ändern (wie bei einem Dimmer), schaltet PWM die Spannung schnell ein und aus
- Durch das Verhältnis von Ein-Zeit zu Gesamtzeit (das nennt man Duty Cycle) wird die “gefühlte” Leistung geregelt
- z.B Ein LED-Dimmer mit PWM, 100 % Ein-Zeit → LED leuchtet voll, 50 % Ein-Zeit → LED leuchtet halb so hell, 0 % Ein-Zeit → LED ist aus
37
Was ist der Unterschied zwischen Steuerung und Regelung?
- Steuerung: ohne Rückmeldung – feste Vorgaben.
- Regelung: mit Rückmeldung – System passt sich an, z. B. Thermostat.
38
Erklären Sie an einem Beispiel die Notwendigkeit für die interdisziplinäre Arbeit bei der Entwicklung von Sensor-Aktor-Systemen!
- Beispiel: Einparkhilfe im Auto, Elektrotechnik entwickelt die Sensoren, Informatik programmiert die Auswertung,
Maschinenbau sorgt für Aktorbewegung (z. B. Bremse).
→ Nur gemeinsam entsteht ein funktionierendes System
39
Warum ist der parallele Entwurf von Hard- und Software notwendig?
- Um Zeit zu sparen und Hardware und Software optimal aufeinander abzustimmen
– Wichtig für Leistung, Kosten und Energieverbrauch
40
Mit Hilfe welcher Diagramme können Eingebettete Systeme abgebildet werden?
- Mit Aktivitätsdiagrammen, Zustandsdiagrammen, Blockdiagrammen und Sequenzdiagrammen
41
Was unterscheidet Aktivitätsdiagramm und Zustandsdiagramm?
- Aktivitätsdiagramm zeigt Abläufe und Prozesse, Zustandsdiagramm zeigt Zustände eines Systems und Übergänge
42
Für welche Anwendungen eignet sich die Implementierung in der Programmiersprache Assembler?
- Für zeitkritische, hardwarenahe oder ressourcenarme Anwendungen
- z. B. in Bootloadern, Gerätetreibern oder Mikrocontrollern mit wenig Speicher.
43
Welche Vorteile hat die Sprache C gegenüber Assembler?
- Lesbarer, portabler, schneller zu entwickeln, aber dennoch nah an der Hardware
44
Warum werden größere Applikationen in C funktional modularisiert?
- Damit sie übersichtlich, wartbar und wiederverwendbar bleiben
45
Welche Unterschiede zwischen C++ und VHDL gibt es?
- C++ ist eine Programmiersprache für Software, VHDL ist eine Beschreibungssprache für Hardware (z. B. für FPGAs)
46
In welchen Bereichen wird MATLAB/Simulink eingesetzt?
- In der Signalverarbeitung, Regelungstechnik, Simulation, Modellierung und automatisierten Code-Generierung
- z. B. in der Fahrzeugtechnik oder Luftfahrt
47
Welche Gundkomponenten zeichnet Mikrocontroller aus?
- CPU, Speicher (RAM, Flash), Timer, Ein-/Ausgänge (GPIOs), Peripherie (z. B. ADC, UART) – alles auf einem Chip
48
Woran unterscheiden sich die Datentypen int8_t und uint16_t?
- int8_t: 8 Bit, vorzeichenbehaftet (−128 bis +127)
- uint16_t: 16 Bit, vorzeichenlos (0 bis 65.535)
49
Wie werden Eingänge angesprochen und was ist bei der Beschaltung zu beachten?
- Über GPIO-Pins (General Purpose Input/Output) im Eingabemodus
- oft mit Pull-up- oder Pull-down-Widerständen, damit der Pegel stabil ist (nicht „floatet“)
- Werden auf Eingang, oder Ausgang gesetzt und somit ihr Normalzustand eindeutig auf HIGH, oder LOW gesetzt
50
Wann spricht man vom Prellen eines Tasters und wie kann das verhindert werden?
- Wenn beim Drücken mehrmals kurz ein/aus gewechselt wird
- Vermeidung: Entprellung durch Software oder RC-Glied
51
Was ist ein Interrupt und welche Anwendungen werden in einem Mikrocontroller damit realisiert?
- Ein Ereignis-gesteuerter Unterbrechungsmechanismus
- z. B. für Taster, Timer, Kommunikation – reagiert sofort, ohne ständiges Prüfen
52
Welche Nachteile hat das Pollen eines Eingangs gegenüber eines Interrupts?
- Mehr Rechenzeit, weniger genau, kann Ereignisse verpassen, da nur in regelmäßigen Abständen geprüft wird
53
Was passiert wenn der Reset-Pin eines AVR-Mikrocontrollers auf GND gezogen wurde?
- Der Mikrocontroller wird zurückgesetzt und startet neu
54
Wie kann die Referenzspannung eines ADC eingestellt werden?
- Über Software-Konfiguration – intern (z. B. 1.1 V), extern (an einem Pin), oder über die Betriebsspannung (AVcc)
55
Worin unterscheidet sich bei Timern der Compare vom Capture-Modus?
- Compare: Vergleicht Timer-Wert mit festem Wert → löst Aktion aus
- Capture: Speichert Timer-Wert bei externem Ereignis (z. B. Signalflanke)
56
Was ist der Unterschied zwischen UART und SPI?
- UART: Serielle Kommunikation, asynchron, 2 Leitungen (TX, RX)
- SPI: Schneller, synchron, mind. 4 Leitungen (MOSI, MISO, SCK, SS)
57
Bei welchen Anforderungen wird ein Betriebssystem benötigt?
- Wenn ein System mehrere Aufgaben gleichzeitig ausführen muss oder komplexe Abläufe verwaltet werden sollen (z. B. bei Multitasking oder Echtzeitverarbeitung)
58
Welche Betriebssysteme für eingebettete Systeme gibt es?
- z.B FreeRTOS, RTEMS, VxWorks, Zephyr, Embedded Linux.
59
Was kennzeichnet ein Echtzeitbetriebssystem und wodurch unterscheidet es sich von einem Betriebssystem ohne Echtzeitanforderungen?
- Es reagiert innerhalb einer garantierten Zeit auf Ereignisse
- Normale Betriebssysteme sind nicht zeitkritisch – Echtzeit-Betriebssysteme schon
60
Basisbestandteile eines jeden Betriebssystems sind die Kernelkomponenten Dispatcher und Scheduler. Welche Aufgaben haben diese zu erledigen und in welcher Beziehung stehen sie zueinander?
- Scheduler: Entscheidet, welche Aufgabe als Nächstes ausgeführt wird
- Dispatcher: Führt den Wechsel zwischen Aufgaben durch.
→ Der Dispatcher setzt die Entscheidung des Schedulers um
61
Welches Betriebssystem findet in Navigationsgeräten von Kfz häufig Anwendung?
- Oft verwendet: QNX oder Embedded Linux
62
Welche Grundelemente bestimmen die Sicherheit eingebetteter Betriebssysteme?
- Zugriffskontrolle
- Datenverschlüsselung
- Sichere Updates
- Fehlertoleranz
63
Warum ist das Gefährdungspotential bei eingebetteten Geräten zumeist größer als bei Desktoprechnern?
- Sie sind oft dauerhaft vernetzt, haben schwächere Sicherheitsmechanismen und werden seltener aktualisiert
64
Welche Aspekte trägt die Zuverlässigkeit eingebetteter Geräte?
- Stabile Hardware
- Fehlerfreier Code
- Redundanz (Backup-Systeme)
- Echtzeitfähigkeit
- Gute Testverfahren
