Embedded Systems - eine Begriffsdefinition

Der Begriff Embedded System ist in der Technik allgegenwärtig – sei es in der Automobilbranche, der Medizintechnik, der Luftfahrt oder im industriellen Maschinenbau. Dennoch ist er weder normativ eindeutig festgelegt noch in jedem Anwendungsfall trennscharf definiert. Vielmehr handelt es sich um ein technisches Konzept, das je nach Kontext unterschiedlich verstanden und interpretiert wird.

In der Praxis verschwimmen zunehmend die Grenzen zwischen eingebetteten Systemen, spezialisierten Industriecomputern, System-on-Chip-Lösungen und klassischen Recheneinheiten. Dies liegt unter anderem an der rasanten Entwicklung von Halbleitertechnologien, der zunehmenden Leistungsfähigkeit kleiner Prozessoren und der Verschmelzung von IT- und OT-Systemen.

Gerade weil der Begriff häufig unscharf verwendet wird, ist eine systematische Einordnung sinnvoll – insbesondere zur Abgrenzung gegenüber allgemeinen Computersystemen, zur Klärung typischer Merkmale und zur Beschreibung der strukturellen Unterschiede in Architektur, Softwareaufbau und Hardwaredesign. 

Charakterisierung und Merkmale

Eingebettete Systeme (auch Embedded Systems) sind Computersysteme in einem technischen Kontext, die fest in ein größeres Gerät oder eine Maschine integriert sind. Sie übernehmen dort oft Steuerungs-, Überwachungs- oder Datenverarbeitungsfunktionen und arbeiten für den Benutzer meist unsichtbar im Hintergrund. Typische Anwendungsbeispiele sind Automobil- oder Industrieelektronik, Haushaltsgeräte, Medizintechnik, Telekommunikationseinrichtungen und viele weitere technische Systeme. In komplexen Geräten wie modernen Kraftfahrzeugen sind zahlreiche autonome eingebettete Systeme vernetzt und wirken zusammen. Embedded Systems werden in der Regel speziell an eine bestimmte Aufgabe angepasst, indem Hard- und Software optimal kombiniert werden, um Kosten, Platz und Energieverbrauch zu minimieren. Im Folgenden sind die wichtigsten Merkmale und Eigenschaften eingebetteter Systeme aufgeführt:

• Zweckbindung: Ein eingebettetes System bildet eine Einheit aus Hard- und Software, die nur eine klar definierte Aufgabe erfüllt. Im Gegensatz zu PCs, die als Allzweckrechner für verschiedenste Anwendungen dienen, ist ein Embedded System fest auf seinen Einsatzzweck zugeschnitten. Diese spezialisierte Zweckbindung macht das System effizient für genau die vorgesehenen Funktionen, allerdings auf Kosten der Flexibilität für andere Aufgaben.

• Aufgabenorientierung und Automatisierung: Die gesamte Hardware- und Softwarearchitektur ist auf die zu erfüllenden Aufgaben ausgerichtet. Solche Systeme arbeiten meist autonom und reagieren auf Ereignisse in ihrer Umgebung, oft mit Anforderungen an eine unmittelbare oder sogar echtzeitfähige Reaktion. Beispielsweise erfasst ein eingebetteter Thermostat die Temperatur und steuert automatisch Heizung oder Kühlung, ohne dass ein Benutzer eingreifen muss. Insgesamt sind Embedded Systems für die automatisierte Steuerung oder Regelung konzipiert und benötigen im Betrieb nur wenig menschliche Interaktion.

• EVA-Prinzip (Sensor – Verarbeitung – Aktor): Viele eingebettete Systeme folgen dem Grundprinzip Eingabe–Verarbeitung–Ausgabe. Sie verfügen über Sensoren, um physikalische Größen oder Ereignisse aufzunehmen, eine Verarbeitungseinheit (Mikrocontroller/Prozessor), die die eingehenden Daten in Echtzeit auswertet, und Aktoren, um entsprechend darauf zu reagieren. Mit anderen Worten: Das System liest Signale ein, verarbeitet sie intern und gibt Steuerbefehle an Geräte oder Maschinen aus. Dieses EVA-Prinzip ist ein zentrales Architekturmerkmal, da es das Embedded System in die Lage versetzt, als „eingebettete Intelligenz“ seiner Umgebung zu dienen.

• Ressourcenbeschränkungen: Eingebettete Systeme unterliegen typischerweise stark begrenzten Ressourcen. Sie müssen oft mit minimalem Hardware-Aufwand auskommen, was geringen Speicher, Rechenleistung und Energieverbrauch bedeutet. Häufig werden ältere oder einfachere Prozessorarchitekturen eingesetzt, da diese kostengünstig sind und sich über lange Zeiträume beschaffen lassen. Insgesamt gelten strikte Randbedingungen hinsichtlich Kosten, Platz, Stromverbrauch und Rechenkapazität. So verfügen Embedded Systems im Vergleich zu PCs nur über sehr eingeschränkte Hardware-Leistung und stark reduzierte Speicherausstattung.

• Langlebigkeit: Da Embedded Systems oft in langlebigen Produkten (z. B. Fahrzeugen oder Industriemaschinen) arbeiten, werden Komponenten gewählt, die über viele Jahre verfügbar und robust sind. Die Verwendung weiterentwickelter, bewährter Hardwarekomponenten erleichtert eine langfristige Einsetzbarkeit sowie die Ersatzteilbeschaffung über längere Zeiträume. Im Betrieb laufen viele eingebettete Systeme im Dauerbetrieb und müssen eine hohe Zuverlässigkeit über Jahre gewährleisten. Entsprechend wird bei Entwurf und Komponentenwahl großer Wert auf Stabilität und Lebensdauer gelegt.

• Keine Festplatte oder große Massenspeicher: Anders als PCs besitzen eingebettete Systeme meist keine Festplatte oder vergleichbare große Speicherlaufwerke. Stattdessen kommen nichtflüchtige Halbleiterspeicher (ROM, EEPROM oder Flash) zum Einsatz. Ein ROM- oder Flash-Chip ersetzt mechanische Speicherkomponenten wie eine Festplatte. Dadurch entfallen anfällige mechanische Teile; Lüfter oder drehende Platten werden vermieden, was Verschleiß und Energieverbrauch reduziert. Der verfügbare Speicherplatz ist deshalb begrenzt und meist gerade groß genug für das Betriebssystem (falls vorhanden) und die Anwendungssoftware.

• Praktisch keine Benutzereingaben: Embedded Systems kommen ohne klassische Benutzerschnittstellen wie Tastatur oder Maus aus. Oft verfügen sie überhaupt nicht über ein direktes Bedieninterface für Endnutzer. Falls doch Eingaben nötig sind, erfolgen sie über spezialisierte Bedienelemente – etwa wenige Funktionstasten, Schalter oder ein einfaches Tastenfeld. Auch die Ausgabe für den Nutzer ist minimal: manchmal lediglich LED-Anzeigen oder kleine Displays, falls eine Rückmeldung erforderlich ist. Insgesamt sind diese Systeme so konzipiert, dass sie im Hintergrund arbeiten und vom Benutzer nicht aktiv gesteuert werden müssen.

• Hohe Abgeschlossenheit (Firmware): Die Software eines eingebetteten Systems bildet mit der Hardware eine geschlossene Einheit. Man spricht von Firmware, da die Software fest in den elektronischen Bausteinen verankert ist. Sie liegt typischerweise in einem Nur-Lese-Speicher (ROM) oder heutzutage oft in Flash-Speicher vor. Das System tritt nach außen hin nicht als frei programmierbarer Computer auf, sondern als „Black Box“, die nur definierte Funktionen bietet. Die Interaktion mit anderen Systemen oder Netzwerken erfolgt über klar definierte Schnittstellen oder Protokolle, nicht durch Installation zusätzlicher Programme.

• Software nicht frei installier- oder programmierbar: Anders als bei einem PC kann man bei einem Embedded System nicht nachträglich beliebige Software installieren. Die Firmware wird vom Hersteller speziell entwickelt und im Gerät hinterlegt. Eine Änderung oder Aktualisierung ist höchstens durch Firmware-Updates des Herstellers möglich (z. B. via Flash-Neuprogrammierung), nicht jedoch durch den Benutzer selbst. Der Anwender kann das System also nicht umfunktionieren oder mit neuen Programmen erweiterten, da Hard- und Software fest miteinander verbunden sind. Dadurch wird eine hohe Stabilität und Sicherheit der Funktion erreicht, da keine unbekannte Software ins System eingebracht werden kann.

• Technischer Einsatzkontext: Eingebettete Systeme werden vor allem in technischen Umgebungen eingesetzt – in Maschinen, Fahrzeugen, Geräten der Automatisierung, Kommunikation oder Unterhaltungselektronik. Ihr Design orientiert sich an den Anforderungen des jeweiligen Einsatzgebietes (z. B. Temperaturbereich, elektromagnetische Verträglichkeit, Echtzeitfähigkeit). Oft sind diese Geräte Bestandteil größerer technischer Systeme und übernehmen dort essenzielle Aufgaben. Für Alltagsnutzer sind sie meist unsichtbar, obwohl sie sich in vielen Geräten des täglichen Lebens befinden. Ihre Konstruktion und Stückzahl unterscheiden sich deutlich von allgemein verwendeter Computerhardware.

Firmware und Komponenten

Die Software eines eingebetteten Systems wird üblicherweise als Firmware bezeichnet. Sie ist in der Hardware verankert und steuert die Funktion des Geräts. Typischerweise befindet sich die Firmware in einem nichtflüchtigen Speicher auf der Platine (z. B. Flash oder ROM) und wird beim Start des Systems ausgeführt. Bei komplexeren Geräten kann die Firmware aus mehreren Schichten und Komponenten bestehen, die gemeinsam das System bilden:

• Bootloader: Das Bootloader-Programm läuft unmittelbar nach dem Einschalten des Geräts. Es hat die Aufgabe, die Hardware zu initialisieren und anschließend das eigentliche Betriebssystem (falls vorhanden) und/oder die Anwendungssoftware zu laden. Häufig bietet der Bootloader auch Update-Funktionen, um neue Firmware-Versionen in den Flash-Speicher zu übertragen.

• Treiber- und Peripherieschicht: Diese Schicht umfasst die Hardwaretreiber und die Ansteuerung der Peripherie. Treiber sind Softwaremodule, die den Zugriff auf Hardware-Komponenten wie Sensoren, Aktoren, Schnittstellen oder Speicherbausteine ermöglichen. Sie bilden die Abstraktionsschicht zwischen der Hardware und der darüber liegenden Anwendungssoftware oder dem Betriebssystem.

• Betriebssystem (falls vorhanden): Viele Embedded Systems kommen ohne ein herkömmliches Betriebssystem aus und laufen als sogenanntes Bare-Metal-System. Wenn jedoch mehrere parallele Aufgaben verwaltet werden müssen oder komplexe Funktionen anstehen, kann ein spezielles Embedded-Betriebssystem zum Einsatz kommen, z. B. ein Echtzeitbetriebssystem (RTOS) oder eine angepasste Linux-Variante.

• Middleware: In umfangreicheren Embedded Systems kann zwischen Betriebssystem und Anwendung eine Middleware-Schicht existieren. Unter Middleware versteht man Software-Bausteine, die häufig benötigte Funktionen bereitstellen und so dem Entwickler Arbeit abnehmen. Dies können z. B. Kommunikations- und Netzwerkschnittstellen, Protokoll-Stacks oder andere Dienstprogramme sein.

• Anwendungssoftware: Die oberste Schicht bildet die anwendungsspezifische Software, die die eigentliche Funktion des Embedded Systems implementiert. Hier sind die Algorithmen und die Logik enthalten, die das System ausführen soll.

Mikrocontroller vs. Mikroprozessoren

Ein zentrales Unterscheidungsmerkmal innerhalb eingebetteter Systeme ist die Art des eingesetzten Rechenbausteins. Dabei dominieren zwei Hauptklassen: Mikrocontroller (MCUs) und Mikroprozessoren (MPUs). Beide dienen der Datenverarbeitung und Steuerung, unterscheiden sich jedoch grundlegend in Aufbau, Funktionalität, Leistungsfähigkeit und ihrem typischen Einsatzspektrum. Die Wahl zwischen Mikrocontroller und Mikroprozessor ist entscheidend für die Architektur eines Embedded Systems – sie beeinflusst Energieverbrauch, Hardwarekomplexität, Systemkosten und Softwarestruktur. Der folgende Abschnitt stellt die beiden Kategorien systematisch gegenüber.

• Architektur: Ein Mikrocontroller vereint alle wesentlichen Bestandteile eines Computersystems auf einem einzigen Chip – neben der CPU meist auch Speicher sowie Peripherieeinheiten. Ein Mikroprozessor hingegen enthält meist nur den Prozessor-Kern und benötigt externe Komponenten.

• Rechenleistung: Mikroprozessoren sind in der Regel wesentlich leistungsfähiger als Mikrocontroller. Letztere sind jedoch bestens geeignet, um spezifische Steuerungslogiken in Echtzeit auszuführen.

• Stromverbrauch: Mikrocontroller sind in der Regel auf minimalen Energieverbrauch optimiert, wohingegen Mikroprozessoren meist deutlich mehr Strom benötigen.

• Kosten: Einfache Mikrocontroller sind sehr kostengünstig, während MPUs und ihre Zusatzbauteile teurer sind.

• Typische Einsatzszenarien: Mikrocontroller werden in spezifischen, eingegrenzten Anwendungen eingesetzt. Mikroprozessoren finden sich in leistungsfordernden Systemen wie PCs, Industrie-PCs oder Geräten für Multimedia und Netzwerktechnik.

FPGAs oder programmierbare Logik (PLD)

Neben Mikrocontrollern und -prozessoren werden in manchen Embedded-Anwendungen auch programmierbare Logikbausteine wie FPGAs eingesetzt. Diese unterscheiden sich grundlegend, da sie keine klassische Software ausführen, sondern durch Hardwarebeschreibungssprachen (z. B. VHDL oder Verilog) konfiguriert werden.

FPGAs ermöglichen eine parallele Datenverarbeitung mit hoher Geschwindigkeit und werden häufig in Bereichen wie der digitalen Signalverarbeitung, Kommunikationstechnik, der Raumfahrt oder beim Prototyping eingesetzt. Aufgrund ihrer Flexibilität und Leistungsfähigkeit sind sie in Spezialanwendungen weit verbreitet, jedoch kosten- und stromintensiver als klassische Mikrocontroller.

Hardware

Die Hardware eines Embedded Systems ist nahezu immer individuell auf die anvisierte Anwendung zugeschnitten. Es existiert keine einheitliche Plattform, stattdessen sind die Designs stark vom Einsatzzweck abhängig:

• Individuell angepasst: Hardware wird speziell für bestimmte Funktionen und Anforderungen konstruiert.

• Für technischen Einsatz konzipiert: Anforderungen wie Temperatur, Vibration oder EMV werden berücksichtigt.

• Geringe Stückzahlen: Anders als bei PC-Komponenten erfolgt die Produktion oft in kleinen Serien.

• Langlebig und robust: Komponenten müssen über lange Zeiträume verfügbar und zuverlässig sein.

Diese maßgeschneiderte Hardware bildet das Rückgrat eines jeden Embedded Systems und unterscheidet sich deutlich von der massenhaft produzierten, generischen PC-Hardware.