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Das Themen-Magazin von all-electronics 

Embedded 

Mikrocontroller 

Wer Slaves für Ethercat-Netze 

entwickeln will, braucht MCUs mit 

zwei Ethernet-Ports Seite 12 

Ein ARM für Alles 

Anwendermodifi zierbares 

ARM-basiertes SoC Seite 08 

Module 

Qseven und Kontron erweitern 

ihre x86-Spezifi kationen auf ARM- 

Prozessoren Seite 34, 40 

Februar 2012 

elektronik 

Software-Entwicklung 

Ein cleveres Event-System stärkt 

den Determinismus und erleichtert 

das Design Seite 56 

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Digi-Key ist ein autorisierter Distributor für alle Vertriebspartner. Neue Produkte werden täglich hinzugefügt. © 2012 Digi-Key Corporation, 701 Brooks Ave. South, Thief River Falls, MN 56701, USA

Sparsamer 

Entwickler 


Editorial 

Anfang August 2011 hatte ich ein längeres Telefon-Interview mit Alf- 

Egil Bogen geführt, seines Zeichens Er� nder der AVR-Architektur 

und heute Atmels Chief Marketing O� cer. Das Gespräch drehte sich 

um die Hintergründe seines Prozessordesigns, warum er gleichzeitig 

auf ARM setzt und was es mit dem Event-System auf sich hat. Das Spannende 

an eben jenem Event-System ist, wie vielfältig es sich auswirkt. Klar, wenn sich 

Hardware direkt um Ereignisse kümmert, ohne die CPU aufzuwecken, dann 

spart das Energie. Wie sehr sich das 

lohnt, zeigt sich daran, dass auch Energy 

Micro (Seite 60) und In� neon (Seite 

18) ähnliche Ansätze verfolgen. 

Dr. Achim Leitner 

ist Chefredakteur 

beim elektronikJOURNAL 

Doch mit dem Sparen ist es nicht getan. 

Eigentlich möchte man meinen, 

dass Energiesparen zu zusätzlichem 

Aufwand beim Entwickeln führt. 

Doch das Gegenteil ist der Fall: Wenn 

sich die Hardware um Events und deren 

Bearbeitung allein kümmert, 

braucht der Entwickler dafür auch keinen 

Code zu schreiben und zu testen. 

Außerdem verhält sich das System 

sehr viel deterministischer: Hardware 

kann mehrere Ereignisse gleichzeitig abarbeiten und das mit immer identischen 

Reaktionszeiten. Echtzeit-Betriebssysteme sehen dagegen alt aus. Das 

Event-System will zwar richtig instruiert sein, was dem Entwickler etwas Einarbeitung 

abverlangt. Der Aufwand lohnt sich allemal, er spart letztlich viel 

Ärger mit dem Timing, mit Glitches und Worst-Case-Szenarien bei konkurrierenden 

Events. Mehr dazu � nden Sie ab Seite 56. 

Das ursprüngliche Interview mit Alf-Egil Bogen ist übrigens unter der info- 

DIREKT-Nummer 599ejl0112 auf all-electronics.de verfügbar: Einfach den 

Code ins Suchfeld eintippen. Apropos Web: Alle Beiträge aus diesem He� und 

viele weitere Produkte, Hintergründe und Artikel sind in unserem Embedded- 

Channel http://www.all-electronics.de/channel/embedded zu � nden! 

Wenn Sie mehr auf reale Begegnungen setzen: Die Embedded-Branche tri� 

sich alljährlich in Nürnberg, diesmal vom 28.02. bis 01.03. Wir haben bei allen 

Beiträgen in diesem He� die jeweilige Hallen- und Standnummer mit angegeben 

– falls Sie aber uns suchen: Den Hüthig-Verlag � nden Sie in Halle 4A am 

Stand 503. Vielleicht schauen Sie ja mal vorbei? 

achim.leitner@huethig.de

Inhalt 

Februar 2012 

Coverstory 

08 

Märkte + Technologien 

06 Meldungen 

Aktuelles aus der Welt der 

Embedded-Systeme 

Coverstory 

08 Ein ARM für Alles 

Anwendermodifizierbares 

ARM-basiertes SoC 



Die SoC-FPGAs von Altera kombinieren einen FPGA mit 

einem ARM-Core auf einem Chip. Das gibt dem Entwickler 

die Flexibilität und Anpassbarkeit von programmierbarer 

Logik sowie die Rechenpower und Energieeffizienz 

eines Mikrocontrollers. 

12 Echtzeit-Netzwerk 

Embedded-Systeme mit Ethercat 

als Single-Chip-Lösung 

16 Highlights 

Fujitsu Semiconductor, Renesas, 

Microchip 

18 Industrielle Revolution 

32-Bit-Mikrocontroller-Familie 

XMC4000 von Infineon 

Leserservice infoDIREKT: 

Zusätzliche Informationen zu einem Thema erhalten 

Sie über die infoDIREKT-Kennziffer. So funktioniert’s: 

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• Im Suchfeld Kennziffer eingeben, suchen 

Peripherie 

20 Nur nicht auf der Leitung stehen 

Vorkonformitätstests leitungsgebundener 

Störungen in DC-Kreisen 

23 Highlights 

Analog Devices, Fortec 

24 Auf leisen Sohlen 

Lüfterlose ATX/ITX-Netzteile 

einsetzen 

27 Highlights 

Atmel, Enpirion 

28 Eyecatcher 

Formschöne Gehäuse 

mit optimalem Kühlkonzept 

31 Highlights 

Insys, Ixxat 

Module 

34 Neue Konkurrenz 

Der Markt für Embedded-Module 

kommt in Bewegung 

38 Neue Typen braucht das Land 

Die COM-Express-Spezifikation 2.0 

enthält neue Interfaces 

40 Mit offenen ARMen 

ARM-Implementierungen 

mit Standards aus der x86-Welt 

Echtzeit-Netzwerk 

Ethercat hat sich längst als moderner Feldbus etabliert. Der basiert 

zwar auf Ethernet, bringt aber etliche Besonderheiten mit. 

Wer das Protokoll in sein System einfügen will, braucht eine 

MCU mit zwei Ethernet-Ports und weiteren Funktionen. 

Eyecatcher 

Das Wärmemanagement 

der im Gehäuse verbauten 

Komponenten und 

Prozessoren sowie eine 

sichere und funktionelle 

Umhausung spielen bei 

Embedded-Systemen 

eine tragende Rolle. 

4 elektronikJOURNAL 01/2012 


12 

Safety 

28 

44 Nur keine Unfälle 

Embedded-Software konform 

zu Safety-Normen entwickeln 

48 Sind wir schon am Ziel? 

Grad der Standard-Konformität mit 

Werkzeug-Unterstützung bewerten 

52 Kräftemessen 

Safety oder Security? Kriterien für das 

richtige Echtzeitbetriebssystem 

55 Highlight 

Green Hills Software 

Software + Tools 

56 Richtig reagieren 

Leistungsgrenzen von 

Mikrocontrollern überwinden 

59 Highlight 

Lauterbach 

60 Energiespar-Rechner 

Optimierter Code senkt Stromverbrauch 

in Low-Power-Anwendungen 

63 Highlight 

PLS 

64 Freie Wahl 

Das passende Linux für unterschiedliche 

Embedded-Designs

56 

Service 

03 Editorial 

66 Impressum, Firmen- und 

Personenverzeichnis 

Superlink 

08 Altera 

www.altera.com 


48 

Inhalt 

Februar 2012 

Schon am Ziel? 

Sicherheitskritische Produkte 

müssen etliche 

Normen erfüllen. Doch 

nicht jede denkbare Maßnahme 

ist auch nötig 

oder sinnvoll. Den richtigen 

Weg weist eine fortlaufende 

Selbstprüfung. 

Leistungsgrenzen von MCUs überwinden 

Entwickler müssen heute neue Funktionen integrieren, 

ohne die Latenz ihres Embedded-Designs zu erhöhen 

oder das Timing zu stören. Das klappt nur mit modernen 

MCU-Architekturen, etwa dem Event-Handling von Atmel. 

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Märkte + Technologien 

Guido Brüning, Geschäftsführer Marketing 

und Vertrieb, HY-Line Computer Components 

in Unterhaching bei München. 

HY-Line Computer Components 

Eingestellt 

Guido Brüning heißt der neue Geschäftsführer 

Marketing und Vertrieb des Distributors 

HY-Line Computer Components. 

Neben dem geschäftsführenden Gesellschafter 

Werner Zieboll wurde Guido Brüning 

zum 01.01.2012 in sein Amt berufen. 

Der 41-jährige wird sich vorrangig der 

strategischen Unternehmensausrichtung 

sowie neuer Produkte und Technologien 

annehmen. Guido Brüning verfügt über 

langjährige Erfahrung in der Elektronik- 

Distribution, wobei er verschiedene Positionen 

durchlief. Zuletzt war er als Vertriebsleiter 

bei Distec tätig. 

Gegründet wurde die HY-Line-Firmengruppe 

1988 in Unterhaching bei München. 

Als spezialisierter Distributor von 

elektronischen Bauteilen und Komponenten 

bietet die Firmengruppe durchdachte 

Lösungen an. Die rund 100 Mitarbeiter besitzen 

nach Unternehmensangaben umfassendes 

anwendungsspezifisches Know-how 

und unterstützen ihre Kunden in allen Designphasen, 

beginnend bei der Studie bis 

hin zur Serienfertigung. n 

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SSI / CANopen / Analog 

Spielfreie Funktion 

Bild: HY-Line Computer 

ADL Embedded Solutions 

Umgetauft 

Die Advanced Digital Logic firmiert ab sofort 

unter dem Namen ADL Embedded 

Solutions. Damit unterstreicht das Unternehmen 

die Weiterentwicklung vom reinen 

Baugruppenhersteller zum Lösungsanbieter. 

Den Schwerpunkt will ADL neben dem 

Kerngeschäft mit Single-Board-Computern 

auf Systemlösungen und Integrationsdienstleistungen 

legen. Dazu gehören 

Housing, Verkabelung, die Entwicklung 

thermischer Lösungen und Value-Added- 

Services für Embedded-Kunden. 

„ADL Embedded Solutions betreut 

schon seit längerem Projekte, die die Entwicklung 

kompletter Systemlösungen umfassen. 

Wir werden diesen Bereich weiter 

ausbauen und ein breites Spektrum an Embedded-Produkten 

und Dienstleistungen 

Fraunhofer IIS 

Optimiert 

Bis zu 25 % verkürzte Entwicklungszeiten 

bei 20 % geringeren Entwicklungskosten: 

Damit diese Vision Realität wird, kooperieren 

sechs Partner mit Fraunhofer IIS (Institut 

für Integrierte Schaltungen) im europäischen 

Projekt Verdi. Erklärtes Ziel: Die 

kosteneffektivere und raschere Produktion 

elektronischer Produkte durch verbesserte 

Entwurfstechniken für die unterschiedlichsten 

Komponenten, damit diese später 

in eine gemeinsame Funktion integriert 

werden können. Verdi steht für Verification 

for heterogeneous Reliable Design: „Den 

größten Zeitaufwand beim Entwurf komplexer 

Systeme erfordert mittlerweile die 

Verifikation“, erläutert Projektleiter Karsten 

Einwich vom Fraunhofer IIS/EAS. Vorrangiges 

Ziel sei daher, die Methoden zu stan- 

www.twk.de 

Spielfreies elektronisches Nockenschaltwerk 

Plexus und Kontron 

Übernommen 

Martin Kristof, Geschäftsführer der ADL 

Embedded Solutions in Siegen, freut sich 

über die Namensänderung seiner Firma. 

anbieten, die von Standard- und modifizierten 

SBCs bis zu schlüsselfertigen Hochleistungssystemen 

für raue Umgebungen 

reichen“, kündigt der Geschäftsführer Martin 

Kristof an. n 



Jeder Generationswechsel bringt neue elektronische 

Komponenten ins Auto. Den Entwurf dieser 

Systeme will Verdi verbessern. 

dardisieren, um Verifikationsszenarien austauschbar 

zu gestalten. Dies gelte auch für 

heterogene Systeme. Auch die Barriere zwischen 

analogen und digitalen Bauteilen soll 

überwunden werden. (lei/Froböse) n 



Plexus kauft die Modulfertigung von Kontron Design Manufacturing 

Services (KDMS) in Penang, Malaysia. Die Produktionsstätten 

werden zu weiten Teilen in die bereits bestehenden Fertigungskapazitäten 

von Plexus in Penang integriert. Plexus übernimmt 

neben dem Fertigungsequipment auch die etwa 800 Mitarbeiter. 

Im Gegenzug wird Kontron in den nächsten zwei Jahren Dienstleistungen 

und Produkte für jährlich rund 100 Mio. US-Dollar von 

Plexus beziehen. Die Übernahme hat ein Gesamtvolumen von 35,2 

Millionen US-Dollar, vorbehaltlich einer vereinbarten Kaufpreisanpassung 

nach Vollzug. Der Kaufpreis wurde sofort gezahlt. n 

infoDIREKT www.all-electronics.de 534ejl0112 




Bild: ADL Embedded Solutions 

Bild: Fraunhofer IIS

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Coverstory 


Anwendermodifizierbares ARM-basiertes SoC 

Die SoC-FPGAs von Altera kombinieren einen FPGA mit einem ARM-Core auf einem Chip. Das gibt dem 

Entwickler die Flexibilität und Anpassbarkeit von programmierbarer Logik sowie die Rechenpower und Energieeffizienz 

eines Mikrocontrollers. Die Bausteine läuten damit ein neues Zeitalter kostengünstiger, schnell 

umsetzbarer Embedded-Systeme ein. Autor: Todd Koelling 

Konkurrenzdruck zwingt die Embedded-Entwickler heute, 

ihren Design- und Entwicklungsprozess zu überarbeiten. 

Die Systeme werden komplexer, müssen mehr leisten, weniger 

Energie verbrauchen und dabei immer kleiner werden. 

Konventionelle Methoden stoßen hier schnell an ihre Grenzen. 

Dazu kommt, dass Entwickler ihre Geräte für Standards auslegen 

müssen, die selbst noch in der Entwicklung stecken, neue 

Märkte erschließen und sich an neuen Trends orientieren müssen. 

Das fordert viel mehr Flexibilität und Reaktionsfähigkeit im Design-Prozess 

als früher. Designer müssen nicht nur deutlich komplexere 

Systeme kreieren, sondern sie müssen auch in der Lage 

8 

elektronikJOURNAL 01/2012 

sein, sehr schnell neue oder abgeleitete Designs zu entwickeln. Mit 

diesen steigenden Anforderungen an die Design-Teams erscheint 

es nur logisch, dass Unternehmen die Entwicklungszeit und die 

dazugehörigen Ressourcen aufstocken, aber genau das Gegenteil 

ist der Fall. Kleinere Marktfenster zwingen sie nämlich, aufwändigere 

und flexiblere Systeme in viel kürzerer Zeit zu produzieren. 

Und um die Dinge noch schwieriger zu machen: Viele Design- 

Teams werden wegen wirtschaftlicher Zwänge kleiner anstatt größer. 

Folglich sind neue und effiziente Wege zur Entwicklung komplexer, 

leistungsstarker und anpassbarer Produkte für den zukünftigen 

Erfolg von entscheidender Bedeutung. 

www.elektronikjournal.com

Immerhin eine Marktentwicklung bringt den Designern derzeit 

Vorteile: ARM-Prozessoren etablieren sich als dominante Plattform 

für Embedded-Systeme. Noch vor ein paar Jahren war der 

Prozessormarkt hochgradig fragmentiert. Power-PC-, RISC-, 

MIPS- und Sharc-Prozessoren haben miteinander konkurriert und 

um eine breite Marktakzeptanz gewetteifert. Mittlerweile ist der 

Markt gerei� und viele Kunden setzen in Embedded-Anwendungen 

auf ARM als de-facto-Standard. Das hat zur Folge, dass immer 

mehr ARM-basierende Lösungen auf dem Markt zu � nden sind, 

angefangen bei Standard-Produkten, über So� -ARM-IP-Cores, bis 

hin zu Hard-IPs für die Implementierung in programmierbarer 

Logik und in ASICs. 

MCU, ASIC und FPGA: Grenzen und Chancen 

Trotz aller Vielfalt können gängige Implementierung von Embedded-Systemen 

die Anforderungen moderner Designs o� nicht 

erfüllen. So wären Multichip-Lösungen zwar relativ einfach umzusetzen, 

aber sie kosten viel, es mangelt an Flexibilität und sie erfüllen 

nicht die Anforderungen an Performance und Leistungsaufnahme. 

Im Gegenzug sind ASIC-SoCs mit integrierten festverdrahteten 

ARM-Cores zwar optimiert, stromsparend und performant, 

aber durch den enormen Entwicklungsaufwand dauert es 

lange, sie auf den Markt zu bringen. Außerdem sind sie un� exibel 

und für die große Mehrheit an Applikationen deutlich zu kostspielig. 

Um konkurrenzfähig zu bleiben, brauchen Entwickler von 

Embedded-Systemen daher eine andere Möglichkeit, um hochgradig 

di� erenzierte Produkte viel � exibler und e� zienter entwickeln 

zu können: Zum Beispiel ein FPGA. 

Eine Implementierung auf einem einzelnen FPGA punktet mit 

niedrigen Kosten und schnellem Time-to-Market. Sie stellt daher 

eine attraktive Alternative zu Multichip- und ASIC-SoC-Ansätzen 

dar. Und tatsächlich hat sich in der letzten Dekade gezeigt, dass 

Entwickler immer mehr Embedded-Prozessoren in FPGAs nutzen 

(Bild 1). Aber nicht alle FPGA-basierenden Lösungen eignen sich, 

um den heutigen strengen Anforderungen zu genügen. Traditionell 

wurden ARM-Systeme auf einem FPGA als HDL-basierende 

So� -ARM-Cores implementiert. Dieser Ansatz ist eine gute Möglichkeit 

für Systeme, die keine großen Einschränkungen bezüglich 

Dichte, Leistungsaufnahme oder Performance aufweisen. Geht es 

aber um Systeme, die einem höheren Konkurrenzdruck unterliegen, 

reicht dieser Ansatz nicht aus – sie brauchen einen Prozessor- 

Kern in Hardware. Für eine wachsende Anzahl von Systemen bietet 

deshalb ein hochgradig optimierter, festverdrahteter ARM-Core 

auf einer FPGA-Plattform die optimale Lösung. 

Dank der jüngsten Fortschritte in der FPGA-Technologie bieten 

Unternehmen wie Altera mittlerweile diese neuartigen SoC-Bau- 

Auf einen Blick 


Coverstory 

Bild 1: Entwickler setzen 

in FPGAs immer häufi ger 

CPU-Cores ein: Der Anteil an 

FPGAs mit Embedded-Prozessoren 

steigt daher.Die Analysten 

von Gartner erwarten, dass sich 

dieser Trend in den kommenden 

Jahre fortsetzt. 

steine an (Bild 2). Diese Komponenten erö� nen ungeahnte Möglichkeiten 

für Embedded-Systeme mit höchsten Anforderungen. 

Die ARM-basierenden SoC-FPGAs kombinieren einen festverdrahteten 

ARM-Prozessor, Speicher-Controller, Peripheriefunktionen 

und eine kundenspezi� sch veränderbare FPGA-Fabric auf 

einem gemeinsamen SoC. Das ARM-basierende SoC-FPGA von 

Altera verknüp� ein hochgradig optimiertes, festverdrahtetes Prozessorsystem 

(HPS, Hard Processor System) mit einem On-Chip- 

FPGA (Bild 3). Das HPS besteht aus einem Dual-Core-ARM-Prozessor, 

einem Memory-Controller mit mehreren Ports und einer 

Vielzahl von Peripherieelementen. Es kommt bei einer Leistungsaufnahme 

von weniger als 1,8 W auf eine Rechenleistung von bis 

zu 4000 MIPS (Dhrystone-2.1-Benchmark). 

Wer in seinem Design einen Prozessorkern benötigt, hat von 

den Hard-IP-Blöcken viele Vorteile: Sie glänzen mit hoher Performance 

bei gleichzeitig niedriger Leistungsaufnahme und geringen 

Kosten und sie halten die FPGA-Logik-Ressourcen für die Produktdi� 

erenzierung frei. Der Entwickler kann die integrierte Fabric 

nach seinen Vorstellungen nutzen, um seine applikationsspezi- 

� sche Logik zu implementieren. Die Programmierbarkeit wiederum 

bringt die Flexibilität, um die Designs an neue oder sich verändernde 

Kommunikationsstandards oder Netzwerkprotokolle 

anzupassen oder ein Leistungstuning (Stichwort: Hardware-Beschleuniger) 

durchzuführen. 

Applikationsbeispiel: Antrieb der nächsten Generation 

In einem konventionellen Antriebsdesign (Bild 4a) übernimmt ein 

digitaler Signalprozessor (DSP) die zentralen Steuerungsfunktionen, 

ein Networking-ASIC kümmert sich um die Netzwerkprotokolle 

und ein FPGA steuert weitere Funktionen (in diesem Beispiel 

die I/O-Erweiterung). In einer SoC-FPGA-Implementierung sind 

diese Elemente alle auf einem einzigen Chip integriert (Bild 4b). 

Die SoC-FPGA-Implementierung erweitert sogar die Funktionalität, 

denn mit ihr lassen sich mehrere Motoren ansteuern und eine 

Optimiert und dennoch fl exibel 

Für Embedded-Anwendungen sind FPGA-basierende SoCs attraktiv. 

Dank ihrer umfassenden Möglichkeiten können Entwickler nicht nur 

aktuellen Design-Problemen begegnen: sie erhalten auch enorme 

Vorteile bei der Time-to-Market, beim Preis/Leistungsverhältnis, bei 

der Produktdifferenzierung und bei der Langlebigkeit ihrer Systeme. 



www.elektronikjournal.com elektronikJOURNAL 01 / 2012 9 

Bilder: Altera


Coverstory 

Bild 2: Die SoC-FPGAs von Altera kombinieren 

einen festverdrahteten ARM-Prozessor, 

Speicher-Controller, Peripheriefunktionen und 

eine kundenspezifisch veränderbare FPGA-Fabric 

auf einem einzigen SoC. 

Bild 4a: Dieses konventionelle Antriebsdesign besteht aus einem DSP 

für die Regelungsschleife, einem FPGA zur Kommunikation mit den 

I/O-Erweiterungen sowie einem Netzwerk-ASIC. 

Vielzahl von Netzwerkprotokollen unterstützen. Außerdem kann 

der Entwickler mithilfe von Sicherheits-IP gewährleisten, dass der 

Controller in einer genau geregelten Art und Weise stoppt, wodurch 

das Design auch den neuen Sicherheitsstandards in der Industrie 

genügt. 

Die ideale Kombination 

Eine Single-Chip-Lösung verbessert Performance und Leistungsaufnahme 

deutlich gegenüber Multichip-Ansätzen. In einem Antriebssystem 

ist die Anzahl der Regelschleifen der wichtigste Leistungsparameter. 

Das SoC-FPGA bietet 20 mal so viele Regelschleifen 

als Multichip-Lösungen – statt 100 µs braucht eine Schleife nur 

noch 5 µs. Das führt zu einer deutlich verbesserten Leistungseffizienz, 

die bis zu 90 % der gesamten Betriebskosten eines Antriebs 

ausmachen kann. Im vorliegenden Beispiel verbraucht das SoC 37 

Prozent weniger Leistung als die erwähnte Drei-Chip-Lösung. 

Das SoC-FPGA reduziert zudem die Systemkosten: Durch die 

Kombination von drei oder mehr Komponenten in einem einzigen 

Baustein schrumpft die Stückliste (BOM) für das System. Außerdem 

lässt sich eine größere Funktionalität bei niedrigeren Kosten 

realisieren. Das SoC im Beispiel hat genug Ressourcen für zwei 

Motoren, während die Multichip-Lösung nur einen ansteuern 

kann. Für zwei Motoren wäre die Multichip-Lösung in doppelter 

Ausführung nötig – im Vergleich dazu spart ein SoC-FPGA 53 

Prozent der Kosten. Das FPGA-SoC ist außerdem einfach skalier- 

Bild 3: Das festverdrahtete Prozessorsystem (HPS, Hard Processor System) teilt sich die Chip-Fläche 

mit einer FPGA-Fabric und deren DSP-Blöcken. 

Bild 4b: Bei dieser SoC-FPGA-Implementierung genügt ein Chip für Motor- 

steuerung, Netzwerk und I/O. Trotz des reduzierten Bauteilaufwands lassen 

sich nun zwei Motoren ansteuern statt nur einer. 

bar, um noch mehr Motoren und integrierte Antriebssysteme sowie 

eine Vielzahl von Protokollen zu unterstützen. 

Eine Trendwende 

Design-Teams, die auf FPGA-SoC setzen, können von den signifikanten 

Produktivitäts- und Wettbewerbsvorteilen der Technik 

profitieren. Hard-IP-Elemente bieten die größte Performance und 

höchste Dichte, verbrauchen am wenigsten Leistung und die integrierte 

FPGA-Fabric ermöglicht es darüber hinaus, sich schnell zu 

differenzieren sowie mehr und/oder kundenspezifische Funktionen 

zu realisieren. Das kann während der Design-Phase stattfinden, 

gelingt aber auch noch im Feld. 

Dank der flexiblen Bausteine und der hochgradig automatisierten 

und gut unterstützten Design- und Software-Entwicklungs- 

Tools können Entwicklerteams ein kundenspezifisches SoC auf 

Basis von Standardbausteinen designen und das in einem Bruchteil 

der Zeit, die für die Entwicklung von ASICs oder Multichip- 

Lösungen notwendig wäre. Das resultierende Design ist außerdem 

flexibel, skalierbar, wiederverwendbar und einfach anpassbar. Die 

Design-Teams können schnell auf neue Märkte, sich verändernde 

Standards und schnellere Prozessknoten reagieren sowie die Produkte 

länger im Markt halten. (lei) n 

Der Autor: Todd Koelling ist Senior Manager Embedded Products bei Altera in 

San Jose, Kalifornien. 



Embedded-Prototyping 

Traditionelle Werkzeuge für die Prototypenerstellung Werkzeuge für das Graphical System Design 

Verkürzen Sie die Markteinführungszeit und reduzieren Sie Entwicklungskosten mithilfe des Graphical 

System Design. Dieser Ansatz verbindet offene, grafische Software mit Standardhardware. So können 

Sie Entwürfe schnell umsetzen und leicht auf einer NI-Embedded-Plattform implementieren. Das 

NI-CompactRIO-System bietet eine ideale Embedded-Plattform für die Prototypenerstellung. Dazu verfügt 

es über einen integrierten Mikrocontroller, ein Echtzeitbetriebssystem, ein programmierbares FPGA, 

integrierte Signalkonditionierung sowie modulare I/O. Überdies lässt es sich nahtlos in die intuitive 

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ni.com/germany • info.germany@ni.com 

leicht gemacht 

Besuchen Sie uns auf der 

embedded world 

in Halle 4 an Stand 422 

©2012 National Instruments. Alle Rechte vorbehalten. National Instruments, NI und ni.com sind Marken von National Instruments. 

Andere erwähnte Produkt- und Firmennamen sind Marken oder Handelsbezeichnungen der jeweiligen Unternehmen. Druckfehler, Irrtümer und Änderungen vorbehalten.


Echtzeit-Netzwerk 

Embedded-Systeme mit Ethercat als Single-Chip-Lösung 

Für die Vernetzung und Kommunikation in Industrie- oder 

Fabrikumgebungen taugen keine herkömmlichen IT-Netzwerke. 

Die Branchen nähern sich aber an: Ethercat gehört 

zu den führenden Ethernet-basierenden Feldbussen. Das 

echtzeitfähige Protokoll verbindet Ein- und Ausgabegeräte, Sensoren 

und speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS). Das von 

der deutschen Firma Beckhoff erfundene Protokoll wurde später 

durch die Ethercat Technology Group (ETG) standardisiert. Inzwischen 

gehören über 1700 Unternehmen aus 52 Ländern zur ETG. 

Um Interoperabilität zu gewährleisten, unterhält die ETG mehrere 

Programme, die die Einhaltung der technischen Spezifikationen 

gewährleisten. 

Im industriellen Umfeld ist herkömmliches Ethernet bei kleinen 

Datenmengen zu wenig effizient und es fehlt der nötige Determinismus 

für Echtzeit-Anwendungen. Jenseits des 10-MBit/s-Urahns 

ist Ethernet auch nur als Sterntopologie einsetzbar, während die 

Bild Fotolia: Global Network 2 @ psdesign 1 

Ethercat hat sich längst als moderner Feldbus etabliert. Der basiert zwar auf Ethernet, bringt aber etliche Besonderheiten 

mit. Wer das Protokoll in sein System einfügen will, braucht üblicherweise neben dem Mikrocontroller 

einen weiteren Baustein. Ein Chip von Texas Instruments vereint beides. Autor: Maneesh Soni 

Automatisierung auf Bus-Strukturen setzt. Ethercat ergänzt Ethernet 

durch eine Reihe zusätzlicher Features und setzt bestimmte 

Konfigurationen voraus. Es wird damit zu einer effizienten Netzwerktechnologie 

für Automatisierungszwecke, ohne die Ethernet- 

Konformität aufzugeben: Das Design ermöglicht es, jeden Standard-PC 

mit einer gewöhnlichen Ethernet-Karte als Ethercat-Master 

zu verwenden, um mit speziellen Ethercat-Slaves zu kommunizieren 

(Bild 1). 

Passend für jede Topologie 

Ethercat-Master und -Slaves eignen sich für sämtliche Geräte eines 

Fabriknetzwerks, zum Beispiel für Automatisierungssteuerungen, 

Bediengeräte, dezentrale I/O-Einheiten, Sensoren, Aktoren, Antriebe 

und weitere Einheiten. Der Ethercat-Standard unterstützt 

dabei jede übliche Topologie, neben der Linie also auch Stern und 

Baum. Speziell die in Feldbus-Netzwerken häufig verwendeten 



Busstrukturen lassen sich mit Ethercat gut 

realisieren. 

Jedes E/A-Gerät besitzt eine empfangende 

und eine sendende Ethercat-Schnittstelle; 

Switching-Hardware wie bei Ethernet ist 

daher nicht nötig. Dank der Reichweite 

von 100 m mit Kupferleitungen (weitere 

Distanzen mit Lichtwellenleitern) kann 

Ethercat Tausende von Geräten verbinden, 

die sich über einen großen geogra� schen 

Bereich verteilen. Sind die Übertragungsdistanzen 

kurz (etwa in einer Backplane) 

setzt Ethercat auf die di� erenzielle Signalisierungstechnik 

E-Bus. 

Verarbeitung im Vorbeigehen 

Von Ethernet unterscheidet sich Ethercat 

vor allem durch die On-the-� y-Verarbeitung: 

Die Knoten eines Ethercat-Netzwerks 

lesen gleichsam im Vorbeigehen die Daten 

eines weitergeleiteten Frames. Alle Ethercat-Frames 

haben ihren Ursprung im Master, 

der Befehle und Daten an seine Slaves 

sendet. Daten, die an den Master zurückgehen, schreiben die Slaves 

in die durchgeleiteten Frames. Eine Punkt-zu-Punkt-Übertragung 

vieler kleiner Frames zwischen Master und den einzelnen 

Slaves ist damit unnötig, was die Kommunikationse� zienz verbessert. 

Allerdings braucht jeder Slave zwei Ethernet-Ports: Er muss 

aus einem durchleiteten Frame lesen und gleichzeitig in ihn hineinschreiben 

können. 

Als Resultat aller Verbesserungen kann ein 100-MBit/s-Netzwerk 

unter Ethercat über 90 Prozent der Bandbreite tatsächlich nutzen. 

In Netzwerken, in denen der Master separat mit jedem Slave-Knoten 

kommunizieren muss, sind es weniger als 5 Prozent. 

Das Ethercat-Telegramm 

Wie Bild 2 zeigt, wird das Ethercat-Telegramm üblicherweise in 

einem Ethernet-Frame gekapselt. Das Telegramm enthält eines 

oder mehrere Ethercat-Datagramme, die für die Ethercat-Slaves 

bestimmt sind. Derartige Ethercat-Telegramme sind direkt im 

Ethernet-Header mit dem Ethercat-Typ gekennzeichnet oder zunächst 

in ein IP/UDP-Paket verpackt. IP/UDP erzeugt zwar Overhead, 

das Ethercat-Protokoll lässt sich damit aber auch über Netzwerk-Router 

hinweg übermitteln. 

Jedes Ethercat-Datagramm ist ein Kommando, das aus einem 

Header, den Daten und einem Working-Counter besteht. Der Header 

und die Daten spezi� zieren die vom Slave auszuführende Operation, 

während der Arbeitszähler vom Slave aktualisiert wird. Der 

Master kann hieran erkennen, dass sein Befehl von einem Slave 

verarbeitet wurde. 


Sonderlösung für die Industrie 

Ethercat erweitert das etablierte Ethernet um Echtzeit-Eigenschaften, 

eignet sich für Bus-Strukturen und arbeitet viel effi zienter. Abgesehen 

vom Ethercat-Master ist dazu spezielle Hardware nötig. Warum das 

so ist und welche Architekturen in Frage kommen, erklärt der Beitrag. 




Bild 1: In einem 

Ethercat-Netzwerk 

kommuniziert der 

Master mit verschiedenen 

in Serie geschalteten 

Slaves. 

Bild 2: Ethercat-Telegramme bestehen aus mehreren Ethercat-Datagrammen. Das Telegramm selbst 

kann direkt in einem Ethernet-Frame, oder in einem UDP/IP-Paket stecken. 

Jeder Slave verarbeitet die Ethercat-Pakete praktisch im Vorbeigehen. 

Er empfängt und analysiert jedes Paket, um anschließend 

Aktionen einzuleiten, sollte das Ethercat-Datagramm an ihn adressiert 

sein. Quasi gleichzeitig leitet der Slave das gesamte Datagramm 

über den zweiten Port weiter – er aktualisiert vorher nur 

den Inhalt und die CRC-Prüfsumme. Das Senden beginnt bereits, 

lange bevor der Slave das komplette Paket empfangen hat. 

Mithilfe der Datagramme unterscheidet der Ethercat-Master bis 

zu vier Millionen Adressen, genauer: 65.536 Ethercat-Slaves mit 

jeweils 65.536 Adressen. Für die Ethercat-Datagramme gelten keinerlei 

Beschränkungen hinsichtlich der Reihenfolge: Die Slaves 

können sich an beliebiger Stelle im Netzwerk be� nden. 

Es gibt zwei Arten von Ethercat-Datenübertragungen: zyklische 

und azyklische. Zyklische Daten sind die Prozessdaten, die in periodischen 

Intervallen oder Zykluszeiten anfallen. Bei den azyklischen 

Daten handelt es sich in der Regel um unkritische und meist 

große Datenmengen, die als Reaktion auf einen Befehl der Steuerung 

anfallen. Einige azyklische Daten (etwa Diagnosedaten) sind 

jedoch kritisch und stellen hohe Anforderungen an das Timing. 

Ethercat trägt diesen unterschiedlichen Datenübertragungsanforderungen 

durch optimierte Adressierungsschemata Rechnung: 

physische Adressierung, logische Adressierung, Mehrfach-Adressierung 

und Broadcast-Adressierung. 

Speicheradressierung 

Um verschiedene Adressierungsarten zu berücksichtigen, enthält 

jeder Slave eine Fieldbus Memory Management Unit (FMMU). 

Dank der FMMUs kann Ethercat den Speicherbereich jedes Slave- 

Geräts als Bestandteil eines 4 GByte großen Adressraums ansprechen. 

Der Ethercat-Master stellt während der Initialisierungsphase 

ein komplettes Prozessabbild zusammen und kann anschließend 

mithilfe eines einzigen Ethercat-Kommandos Zugri� auf die Slave- 

Einheiten bis zur Bit-Ebene herab ausführen. Das ermöglicht die 

Kommunikation mit einer beliebigen Zahl von E/A-Kanälen durch 

große und kleine Geräte hindurch und über das gesamte Feldbus- 

Netzwerk hinweg. 

Die hardwarebasierte FMMU und die On-the-� y-Verarbeitung 

verleihen Ethercat-Netzwerken eine sehr hohe E� zienz. Bei der 

www.elektronikjournal.com elektronikJOURNAL 01 / 2012 13 

Bilder: Texas Instruments


Kommunikation zwischen den Steuerungen und den Feldgeräten 

sind sehr kurze Zykluszeiten im Mikrosekundenbereich möglich. 

Das macht es beispielsweise möglich, neben der Positions- auch die 

Stromregelung verteilter Antriebe direkt über Ethercat zu implementieren. 

Dezentrale Taktung 

Wenn dezentral angeordnete Knoten gleichzeitige Aktionen ausführen 

sollen, müssen die internen Takte dieser Geräte synchronisiert 

sein. Jeder Ethercat-Slave liest dazu Zeitstempel von ankommenden 

und abgehenden Ethercat-Paketen. Der Master nutzt die 

Zeitstempelinformationen der Slaves und berechnet daraus die präzisen 

Laufzeiten eines jeden einzelnen Slaves. Auf dieser Basis werden 

die Takte der Slaves eingestellt und auf 1 µs genau zueinander 

synchronisiert. Ein zusätzlicher 

Vorteil der präzisen Taktsynchronisation 

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beziehen lassen. Es entfällt damit 

auch die Unsicherheit, die 

sich durch den Jitter der Kommunikation 

zwischen den Geräten 

einstellt. In der industriellen 

Kommunikation ist die 

Verwendung von Geräteprofilen 

eine sehr beliebte Methode, 

um die Funktionalität und die 

Parameter von Geräten zu beschreiben. 

Profil zeigen 

Ethercat bringt zwar keine 

neuen Geräteprofile, hält aber 

Schnittstellen zu bestehenden 

Geräteprofilen bereit, so dass 

sich ältere Feldbus-Geräte 

problemlos für die Nutzung 

von Ethercat upgraden lassen. 

Zu diesen Schnittstellen gehören 

CAN-Open over Ethercat 

und Sercos over Ethercat. Sie 

ermöglichen die Nutzung von 

CAN-Open und Sercos, indem 

sie deren Datenstrukturen 

auf Ethercat abbilden. 

Bild 3: Zu einem 

Ethercat-Knoten gehören 

die Ethernet- und die 

Echtzeit-Applikation, die 

auf verschiedene Weise 

auf das Netzwerk 

zugreifen. 

Bild 4: Struktur eines 

Ethercat-Geräts mit 

digitaler E/A-Funktio- 

nalität (oben), mit ASIC 

und einem externen 

Prozessor (Mitte) oder 

der Single-Chip-Lösung 

von TI (unten). 

⊳ 

Wir stellen aus: embedded world 2012, Halle 4, Stand 4-435 

Jeder Ethercat-Knoten besteht aus drei Komponenten (Bild 3): 

der Bitübertragungsschicht (Physical Layer, unten), der Verbindungsschicht 

(Data Link Layer, Mitte) und der Anwendungsschicht 

(Application Layer, oben). Der Physical Layer wird per Kupferleitung 

(100BASE-TX), per Lichtwellenleiter (100BASE-FX) oder per 

E-Bus auf Basis der LVDS-Signalisierung implementiert. Die 

MAC-Komponente (Media Access Control) implementiert man 

dabei gemäß den Ethercat-Spezifikationen in einem speziellen 

ASIC oder FPGA. 

Auf die MAC-Komponente setzt die industrielle Applikation 

auf, die letztlich das applikationsspezifische Verhalten bestimmt. 

Hinzu kommt ein standardisierter TCP/IP- und UDP/IP-Stack zur 

Unterstützung Ethernet-basierter Geräteprofile. Je nach Komplexität 

des Geräts kann der Ethercat-Knoten per Hardware implementiert 

werden, oder als eine Kombination aus Hard- und Software 

mit einer Embedded-CPU. 

Typischer Ethercat-Knoten 

Viele einfache Ethercat-Geräte lassen sich mit heutigen Lösungen 

auf Basis eines einzigen ASIC oder FPGA realisieren. Die erste 

Darstellung in Bild 4 zeigt diese Architektur in vereinfachter Form. 

Sie eignet sich hervorragend für simple und kostengünstige E/A- 

Knoten. Hier ist keine Software erforderlich, sondern die gesamte 

Funktionalität ist hardwaremäßig implementiert. 

Andere Ethercat-Knoten brauchen zusätzliche Verarbeitungsleistung, 

typischerweise umgesetzt als externer Prozessor, häufig 

mit integriertem Flash-Speicher (Bild 4, Mitte). Der Prozessor 

übernimmt die Verarbeitungsaufgaben auf der Anwendungsschicht. 

Der Prozessor steuert zum Beispiel einen Sensor an, implementiert 

den Gerätetreiber und verarbeitet den Ethercat-Applikationsstack. 

Die tieferen Schichten sind weiterhin als ASIC oder 

FPGA umgesetzt. Eine solche Architektur ist teurer als die eines 

einfachen digitalen E/A-Geräts, sie überlässt allerdings den Entwicklern 

die Wahl des Prozessors, der ihren Anforderungen und 

Kostenvorgaben am besten entspricht. 

Ethercat mit FPGA oder als Single-Chip-Lösung 

Es gibt jedoch noch einen weiteren Ansatz, bei dem die Ethercat- 

Implementierung eine von mehreren Peripheriefunktionen eines 

Bausteins mit integrierter CPU ist (Bild 4, unten). Viele FPGAs besitzen 

bereits einen integrierten Prozessor oder bieten die Möglichkeit, 

einen solchen zu konfigurieren. Von einigen Anbietern 

gibt es außerdem ASICs, die sowohl mit Ethercat-Funktionalität 

als auch mit einem Prozessor bestückt sind – meist aber nur mit 

einem 8-Bit-Mikrocontroller. Eine reine FPGA-Lösung bietet zwar 

die größte Flexibilität, ist aber auch am teuersten. 




Bild 5: Ethercat-Slave, implementiert auf einem ARM-Mikroprozessor 

des Typs Sitara AM335x von TI. 

Als weitere Alternative gibt es eine Single-Chip-Lösung von Texas 

Instruments (Bild 5): Sie kombiniert einen ARM Cortex-A8- 

Prozessor mit vielen weiteren Peripheriefunktionen und Schnittstellen 

und kann laut Hersteller die Materialkosten um 30 % senken. 

Die Integration eines PRU-Subsystems (Programmable Realtime 

Unit), die eine sehr maschinennahe Interaktion mit den 

MII-Schnittstellen unterstützt, befähigt das PRU-Subsystem zur 

Implementierung spezieller Kommunikationsprotokolle wie etwa 

Ethercat. Der gesamte Ethercat MAC-Layer wird per Firmware in 

das PRU-Subsystem gekapselt. Die PRUs verarbeiten die Ethercat- 

Telegramme im Vorbeigehen, analysieren sie, decodieren die Adresse 

und führen die Ethercat-Kommandos aus. 

Interrupts werden für jegliche Kommunikation mit dem ARM- 

Prozessor genutzt, auf dem sowohl der Ethercat-Stack als auch die 

industrielle Applikation laufen. Auch die Weiterleitung der Frames 

in umgekehrter Richtung übernimmt das PRU-Subsystem. Da die 

gesamte Ethercat-Funktionalität im PRU-Subsystem steckt, bleibt 

der ARM-Prozessor für komplexe Applikationen verfügbar. Alternativ 

kann man für einfache Geräte mit begrenztem Kostenbudget 

(zum Beispiel in dezentralen E/A-Funktionen) eine langsamere 

Prozessorversion wählen. 

Die Ethercat-Softwarearchitektur 

Die Software ist ein entscheidender Faktor, um sicherzustellen, 

dass die Ethercat-Implementierung reibungslos auf den Geräten 

läuft. Bei einer Single-Chip-Lösung sind in erster Linie drei Kom- 

ponenten zu beachten: 

Mikrocode, der die Layer-2-Funktionalität in der PRU imple- 

■ mentiert 

Applikations-Stack des Ethercat-Slaves auf dem ARM-Mikro- 

■ prozessor 

■ Industrielle Applikation, je nach Endgerät 

Bild 5 zeigt dieses Konzept am Beispiel der Sitara-MCU-Reihe 

AM335x von Texas Instruments (ARM Cortex A8). Man erkennt, 

wie sich zur Implementierung des Ethercat-Protokolls mehrere Peripheriefunktionen 

in einen Chip integrieren lassen. Die Software 

wird durch unterstützende Komponenten ergänzt, zum Beispiel 

die Protokollanpassungsschicht und Gerätetreiber, die TI im Rahmen 

des Software Development Kits zur Verfügung stellt. 

Die Single-Chip-Lösung gibt Entwicklern enorme Freiheit: Sie 

können sich voll auf die Software konzentrieren und dennoch eine 

effiziente industrielle Automatisierungslösung designen. (lei) n 

Der Autor: Maneesh Soni ist Systems Engineering Lead für 

Industrial Automation Products in der Sitara-ARM-Mikroprozessor-Gruppe 

bei Texas Instruments. 

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Bilder: Fujitsu Semiconductor Europe 


Doppelt hält besser 

Mikrocontroller mit zwei Ethernet-Ports 

Die Zwilling-Variante: Die MB9BFD10S/T-Serie 

hat Fujitsu mit zwei Ethernet-Ports ausgerüstet. 

Ethernet ist längst eine der wichtigsten 

Kommunikationsschnittstellen in Embedded-Anwendungen. 

Darauf müssen sich 

auch MCU-Hersteller einstellen: Fujitsu 

stattet die MB9BFD10S/T-Bausteine sogar 

mit zwei Ethernet-Ports aus. Diese ARM 

Cortex-M3-Mikrocontroller aus der FM3- 

Familie können daher performante und 

ausfallsichere Daisy-Chains oder Linientopologien 

umsetzen. Die aneinandergereihten 

Geräte führen zu weniger Verkabe- 

IGH PEED 

H S 

ROBUST 

FLEXIBLE 

lungsaufwand als Sterntopologien. Da jedes 

Gerät eine Repeater-Funktion erfüllt, 

können die Kommunikationsstrecken länger 

sein: Entfernungen bis zu 100 m zwischen 

den Knotenpunkten sind möglich. 

Die MCUs können mit bis zu 144 MHz getaktet 

werden und erhalten Unterstützung 

von einem integrierten bis zu 1 MByte großen 

Flash-Speicher mit bis zu 72 MHz. 

Mit zwei Ethernet-Anschlüssen eignet 

sich die MCU auch als Embedded-Gateway. 

Damit ist es möglich, Daten zur Auswertung 

oder Steuerung zwischen dem 

Embedded-Netz und einem internen Firmennetz 

zu übertragen. Auch als Firewall 

kann man den Mikrocontroller nutzen, um 

zwei Bussysteme, Protokolle oder Schnittstellen 

sicher zu verbinden – trotz pysikalischer 

Trennung. Wer direkte Internetanbindung 

braucht, lässt einen der beiden 

Ethernet-Ports per PPPoE über ein DSL- 

oder Kabelmodem kommunizieren. Sinnvoll 

ist das etwa zur Fernwartung oder für 

TriCore • Power Architecture 

XC2000/XE166 •SH-2A •XScale 

Cortex M0/M3/M4 •Cortex R4 •Cortex A8 •ARM7/9/11 

Wir stellen aus: Embedded World 2012, Halle 4, Stand 310 

Status-E-Mails. Die 

Leistung der MCU 

reicht auch für die 

Kommunikation mit 

einem Webbrowser. 

Um das Ausfallsrisiko 

eines der Kommunikationsbausteine 

zu minimieren, 

stattet Fujitsu die 

Manuel Schreiner ist 

Junior Application 

Engineer bei Fujitsu 

Semiconductor Europe 

in Langen. 

FM3s hardwareseitig mit Sicherheitsfunktionen 

wie Clock Supervisor, Low-Voltage- 

Detection, Flash ECC, Memory Protection 

Unit, Hardware Watchdog, Reset Cause 

Register und einer kostenfreien Class-B- 

Software-Bibliothek aus. Auch der breite 

Spannungsbereich von 2,7 bis 5,5 V in dem 

die MCU arbeitsfähig ist, trägt zur Sicherheit 

bei, da höhere Störabstände eine größere 

Zuverlässigkeit bieten. (lei) n 



Maschinenpark 

32-Bit-Mikrocontroller 

Im V850E2/PJ4-E hat Renesas eine eigene 

Resolver-Sensorschnittstelle integriert. Die 

MCU-Anwender brauchen daher keinen 

externen Resolver-Digital-Wandler für ihre 

Motorsteuerung. Der Mikrocontroller 

enthält zudem viele Peripheriefunktionen, 

etwa einen Hochpräzisions-Motorsteuerungstimer 

(TSG2) sowie einen A/D- 

Wandler mit synchronisierter Sample-and- 

Hold-Funktion. Die MCU besitzt ein Dual- 

Core-Lockstep-System für Anwendungen, 

die die hohen Sicherheitsanforderungen 

nach ISO 26262 erfordern. 

Mit 1 MByte ROM, 80 KByte RAM und 

einem Takt von 128 MHz erzielt die 

V850E2/PJ4-E MCU ausreichend Leistung 

für schnelle Steuerfunktionen. Zur Kommunikation 

gibt es CAN, SCI und UART. 

Die neue MCU ist für Betriebstemperaturen 

von -40 bis +125 °C ausgelegt. Sie enthält 

zusätzlich eine Reglerschaltung und 

eignet sich damit für den Betrieb an einer 

einzigen Versorgungsspannung bei 5 V mit 

nur einem externen Transistor. (lei) n 


➤ Halle 1, Stand 336 und Halle 4A, Stand 405 



Bild: Microchip 



Ruhe sanft 

Sparsame 16-Bit-Mikrocontroller 

Die Extreme-Low-Power-Mikrocontroller (XLP-MCU) von Microchip 

erhalten Zuwachs: Die PIC24F-Familie GA3 begnügt sich 

mit einem Arbeitsstrom von 150 µA/MHz und besitzt sechs DMA- 

Kanäle. Neu ist ein Low-Power-Ruhemodus mit RAM-Erhalt bei 

lediglich 330 nA. Als erste PIC-MCUs verfügen die GA3 über V BAT 

zur Batteriesicherung der integrierten Echtzeituhr mit Kalender. 

In der PIC24F-GA3-Familie sind ein LCD-Treiber und viele weitere 

Peripheriefunktionen integriert. Laut Hersteller ermöglicht das 

effizientere und kostengünstigere Designs für Raumthermometer, 

Türverriegelungen und Hausautomatisierung, Industrieprodukte 

für die Sicherheitstechnik, integrierte und drahtlose Sensoren und 

Regelungen, tragbare medizintechnische Geräte und Diagnoseausstattung, 

messtechnische Produkte einschließlich E-Meter, Energieüberwachung, 

automatische Verbrauchsablesung für Gas, Wasser 

oder Wärme sowie weitere Anwendungen. 

Einige Anwendungen setzen eine Batteriebetriebsdauer voraus, 

die der Lebensdauer des Endproduktes entspricht. Mit den XLP- 

Stromsparmaßnahmen erreicht Microchip, dass die Batterie bis zu 

ihrer maximalen Entladung nutzbar ist. Damit die Echtzeituhr 

Optimiert für niedrigen Stromverbrauch: Die PIC-Mikrocontroller der 

PIC24F-GA3-Familie begnügen sich mit 150 µA/MHz. 

auch weiter tickt, sobald die Primärversorgung ausgetauscht wird, 

dient die Batteriesicherung über den V BAT -Pin mit nur 400 nA zur 

weiteren Versorgung. Der Übergang von V DD zu V BAT erfolgt automatisch, 

wenn V DD entfernt wird. Der integrierte LCD-Treiber ist 

für die direkte Ansteuerung von bis zu 480 Segmenten konzipiert. 

Die acht gemeinsamen Ansteuerungen ermöglichen die Darstellung 

von Piktogrammen und Bildlauf, sodass das Display flexibler 

und informativer nutzbar ist. 

Die MCUs sind zudem mit einer Ladezeitmesseinheit (CTMU) 

und mit einer Konstantstromquelle ausgestattet, die für die kapazitiv-sensitive 

Bedienung mTouch, Ultraschall-Durchflussmessungen 

und viele weitere Sensoren von Bedeutung sind. Auf dem Chip 

befindet sich zudem ein 12-Bit-ADC für die Schwellwerterkennung, 

der auch während der Ruhephase mit der CTMU zusammen 

als Näherungssensor arbeitet, um den Leistungsverbrauch 

weiter zu senken. (lei) n 



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Industrielle Revolution 

32-Bit-Mikrocontroller-Familie XMC4000 von Infineon 

Die Cortex-M-Familie konnte rundum die Mikrocontroller-Welt erobern. Jetzt hat 

auch Infineon eine neue MCU-Familie auf Basis des Cortex-M4 für Industrieanwendungen 

vorgestellt. Die Münchner wollen sich vor allem mit eigens entwickelter 

Peripherie von der breiten Konkurrenz abheben. Autor: Achim Leitner 

Eigentlich besitzt Infineon 

Technologies seit langem 

ARM-Lizenzen. Zum Einsatz 

kamen entsprechende 

Cores aber vor allem in den Wireless-Prozessoren 

und diesen Geschäftsbereich 

verkauften die 

Münchner kürzlich an Intel. Mikrocontroller 

für Industrie- und 

Automotive-Anwendungen entwickelt 

Infineon bisher auf Basis 

der hauseigenen Architekturen 

Tricore (32 Bit) und XE166 (16 

Bit) oder am unteren Ende der 

Leisungsskala mit 8051-kompatiblen 

Achtbittern. Zwischen Tricore 

und XE166 fand Infineon eine 

deutliche Leistungslücke, in die 

genau der ARM Cortex-M4 passen 

soll. Auf die Frage, warum man nicht den leistungsfähigeren 

Tricore etwas abgespeckt hat, entgegnet Dr. Stephan Zizala, Senior 

Director Industrial und Multimarket Mikrocontroller: „Der M4 

hat genau im Leistungsbereich um 200 MIPS seinen Sweet Spot. 

Außerdem profitieren wir so vom ARM-Ökosystem“. 

Eine Plattform, viele Märkte 

Peter Bauer, Vorstandsvorsitzender der Infineon, sieht, dass die 

XMC4000-Familie drei wesentliche Trends industrieller Anwendungen 

unterstützt: Sie erhöht die Energieeffizienz der Systeme, 

unterstützt eine Vielzahl von Kommunikationsstandards und senkt 

die Software-Komplexität bei der Entwicklung. Letzteres gilt vor 

allem dank der großen Menge an Software, die im ARM-Umfeld 

vorhanden ist. Entwickler können deutlich mehr Code wiederverwenden, 

wenn sie den Mikrocontroller tauschen. Das Argument 

zieht aber auch anders herum: Dr. Stephan Zizala betont, dass die 

XMC4000-Reihe keinesfalls die proprietären Architekturen ablösen 

soll. Mit Tricore hat Infineon einen erheblichen Anteil am 

Automotive-Markt – den wird man natürlich nicht aufgeben. 

Aufgrund unserer langjährigen 

Anwendungserfahrung bieten 

wir als Neuerung flexible Timer, 

schnelle ADCs, schnellen und robusten 

Flashspeicher sowie einen erweiterten 

Temperaturbereich bis 125 °C: 

Dr. Stephan Zizala ist Senior Director, Industrial 

und Multimarket MCU bei Infineon in Neubiberg. 

XMC steht für Cross-Market 

Microcontrollers. Infineon meint 

damit, dass sich die XMC4000- 

Familie für vielfältige Industrieanwendungen 

eignet. Der Hersteller 

hat den Chip sogar bis 125 °C freigegeben, 

um den Einsatz in widrigen 

Umgebungen zu erleichtern. 

Zum XMC4000-Portfolio gehören 

fünf Serien: XMC4100, XMC4200, 

XMC4400, XMC4500 und XMC- 

4700. Diese unterscheiden sich im 

Wesentlichen durch die Core-Frequenz 

(80...180 MHz), Speicherkapazität, 

Peripheriefunktionen 

und Anzahl der I/Os. Die CPU hat 

Infineon in Vollausstattung konfiguriert, 

also inklusive DSP-Funktionalität 

und Floating-Point-Unit. 

Für Motorsteuerungen, Inverter oder andere rechenintensive Anwendungen 

ist das auch sehr sinnvoll. Der interne Flashspeicher 

passt bei einer rasanten Lesezeit von nur 22 ns gut ins Bild. 

Zur Peripherie gehören neue Timer-Module, bis zu vier parallele 

12-Bit-AD-Wandler mit einer Abtastzeit von 70 ns und einer 

Wandlungszeit von 500 ns, außerdem bis zu zwei 12-Bit-DA- 

Wandler und bis zu vier hochauflösende PWM-Kanäle (150 ps) 

Infineon hat den ARM Cortex-M4 mit reichlich Peripherie ausgestattet. Wer 

statt der internen AD-Wandler einen externen Delta-Sigma-Wandler braucht, 

kann den dank Demodulator direkt anschließen. 



Bilder: Infineon

sowie integrierte Delta-Sigma-Demodulator-Module und Touch- 

Button-Module. Diese Komponenten hat In� neon neu entwickelt. 

Für die Kommunikation sorgen bewährte IP-Blöcke für IEEE- 

1588-kompatibles Ethernet sowie USB-2.0-, CAN- und SD/MMC- 

Schnittstellen. Die bis zu sechs seriellen Kommunikationskanäle 

lassen sich individuell per So� ware als UART, SPI, Quad-SPI, I2C, 

I2S oder LIN kon� gurieren. 

Runderneuerte Tools 

Bei der Entwicklungsumgebung setzt In� neon auf Eclipse und die 

GNU-Toolchain und kann damit eine komplette IDE anbieten 

(Dave 3). Leidgeplagte Embedded-Entwickler werden sich vor allem 

über die automatische Code-Generierung freuen: Sie können 

die Komponenten der MCU gra� sch kon� gurieren und miteinander 

verbinden – den Kon� gurationscode dazu erzeugt Dave 3 automatisch. 

Das ist besonders nützlich, da der Chip die Ein- und 

Ausgänge seiner Peripherie direkt verschalten kann, so dass Events 

ohne Mithilfe der CPU behandelt werden. Sogar einfache Rechenoperationen 

sind direkt in Hardware möglich – diese Feature gra- 

� sch zu verschalten, ist deutlich anwenderfreundlicher als reiner 

C-Code. Dritthersteller und Anwender dürfen das gra� sche Kon� - 

gurationstool sogar erweitern: Zusätzliche Dave-Apps ergänzen 

beinahe beliebige Funktionen. 

Als erster Teil der XMC4000-Familie kommt die XMC4500-Serie 

auf dem Markt mit 120-MHz-CPU, bis zu 1 MByte Embedded- 

Flashspeicher, 160 KByte RAM sowie umfangreichen Peripherie- 

und Schnittstellenfunktionen. Dazu zählen vier parallele 12-Bit- 

AD-Wandler, zwei 12-Bit DA-Wandler, vier Delta-Sigma-Demodulatoren 

und sechs Capture/Compare-Einheiten (CCU4 und 



Neuer im Bunde 

Der XMC4000 ist nicht der erste ARM Cortex-M4-Mikrocontroller. Infi - 

neon hat den Chip aber klar auf das Industrial-Segment ausgerichtet 

und mit vielen nützlichen Peripheriefunktionen für dieses Umfeld ausgestattet. 

Sogar der Temperaturbereich (bis 125 °C) sticht aus dem 

Üblichen hervor. Auch an die Software-Entwickler ist gedacht: Die IDE 

Dave 3 bringt einen grafi schen Code-Generator mit, der ihn dabei unterstützt, 

die vielen Funktionen leichter und schneller einzusetzen. 



Neue 8-bit-Mikrocontroller mit integrierter konfigurierbarer 

Logik in 6- bis 20-poligen Gehäusen 

Mit den neuen 8-bit-Mikrocontrollern PIC10F32X, PIC12F150X und PIC16F150X 

von Microchip können Sie zusätzliche Funktionalitäten in Ihre Anwendungen 

aufnehmen, die Größe reduzieren, Energie sparen und Kosten senken. Sie sind 

insbesondere für preisgünstige Anwendungen oder Einwegprodukte geeignet. 

Onboard befinden sich konfigurierbare Logikzellen (CLCs), ein komplementärer 

Funktionsgenerator (CWG) und ein numerisch gesteuerter Oszillator (NCO). 

die kombinatorische und sequentielle logik lässt sich über die konfigurierbaren logikzellen 

(clcs) per software steuern. dies hat den Vorteil, dass funktionalitäten hinzugefügt, 

externe komponenten eliminiert und codeplatz eingespart werden können. der 

komplementäre funktionsgenerator (cwg) hilft bei der Verbesserung der schalteffizienz 

zwischen den verschiedenen Peripherien, während der numerisch gesteuerte Oszillator 

(ncO) eine lineare frequenzeinstellung und höhere auflösung der anwendung ermöglicht, 

wie zum Beispiel in tongeneratoren und Vorschaltgeräten. 

zusätzlich zur Einführung dieser neuen Peripherien bieten der Pic10f/lf32X und der 

Pic12/16f/lf150X Mcus einen internen 16-Mhz-Oszillator, einen adc, bis zu vier PwMs 

sowie ein integriertes temperaturmessmodul zur preisgünstigen temperaturmessung. 

das alles ist in kompakten 6- bis 20-poligen gehäusen untergebracht. 

Erfahren Sie mehr über PIC® MCUs mit der Peripherie der 

nächsten Generation und geringer Anschlusszahl: 

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CCU8) sowie zwei Positionierungs-Interface-Module und ein Modul 

für acht Touch-Buttons. Für die Kommunikation unterstützen 

die XMC4500-Mikrocontroller Ethernet, USB sowie SD/MMC 

und bieten drei CAN-Knoten und sechs serielle Kommunikationskanäle 

sowie eine externe Busschnittstelle. Die Gehäuse-Optionen 

der XMC4500-Serie sind LQFP-144, LQFP-100 und LFBGA-144. 

Muster der XMC4500-Serie und die Entwicklungsumgebung 

Dave 3 sind ab März 2012 verfügbar. Die Serienproduktion der 

XMC4500-Produkte beginnt im Mai 2012. Im vierten Quartal 

2012 sollen Muster für die Serien XMC4400, XMC4200 und 

XMC4100 zur Verfügung stehen. Je nach XMC4000-Serie und Gehäuse 

liegt der Stückpreis für einen XMC-Mikrocontroller bei 

10.000er Stückzahlen zwischen einem und 7 Euro. (lei) ■ 

Der Autor: Achim Leitner ist Chefreakteur beim elektronikJOURNAL. 

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Die Namen und Logos Microchip, HI-TECH C, MPLAB und PIC sind eingetragene Warenzeichen der Microchip Technology Incorporated in USA und anderen Ländern. mTouch, PICDEM, PICkit und REAL ICE sind Warenzeichen der Microchip 

Technology Incorporated in den USA und anderen Ländern. Alle anderen o.g. Warenzeichen sind Eigentum der jeweiligen Unternehmen. ©2011 Microchip Technology Inc. Alle Rechte vorbehalten. DS30629A. ME296AGer/12.11 

Microcontrollers 

Digital Signal 

Controllers 

Analog 

Memory 

RF & Wireless

Peripherie 

Nur nicht auf der Leitung stehen 

Vorkonformitätstests leitungsgebundener Störungen in DC-Kreisen 

Es ist durchaus üblich, dass Entwickler von Stromversorgungen 

mit einem Schaltkreisentwickler zusammenzuarbeiten, 

um ein Systemdesign zu erstellen, das konform zu 

internationalen EMV-Vorschriften ist“, resümiert Paul Lee, 

Director of Engineering bei Murata Power Solutions. Er ergänzt: 

„Entwickler sind sich dann der Anforderungen der Stromversorgung 

bewusst, um eine saubere Gleichspannung bereitzustellen 

und die Netzwechselspannung nicht zu stören. Allerdings können 

sie nicht ahnen, welche Störungen der Zielschaltkreis möglicherweise 

in das Netz einspeist. Ebenso kann der Schaltkreisentwickler 

nicht wissen, welche Dämpfung das Netzteil verursacht.“ Murata 

Power Solutions stellt eine Testmethode für DC-Schaltkreise vor, 

um diese isoliert vom letztendlichen Netzteil zu untersuchen. Damit 

lassen sich zusätzliche Filter genau spezifizieren. Die aufgeführten 

Beispiele adressieren die folgenden EMV-Standards: FCC 

15J/SUB Teil B, VDE 0871, CISPR 16, CISPR 22, EN 55022, EC- 

Richtlinie 2004/108/EC. 

Bild fotolia: @Cybrain 

Anforderung an eine Stromversorgung: eine saubere Gleichspannung bereitstellen und dabei die Netzwechselspannung 

nicht zu stören. Allerdings ist von vornherein nicht ersichtlich, welche Störungen in das Netz eingespeist 

werden oder welche Dämpfungen das Netzteil verursacht. Murata Power Solutions stellt deshalb im 

nachfolgenden Beitrag eine Testmethode für DC-Schaltkreise vor, um diese isoliert von der Stromversorgung 

zu untersuchen. 

Vorkonformitätsgrenzen festlegen 

Für DC-Versorgungsschienen gibt es keine spezifischen EMV- 

Grenzwerte. Darum gibt es in der Regel keine speziellen Tests im 

Rahmen von EU- oder Cenelec-Bestimmungen, die sich direkt auf 

diese Situation anwenden lassen. Ein Netzteil, der DC-versorgte 

Schaltkreis und sogar Bauteile lassen sich als Subsysteme betrachten: 

darum können sie von der EU-Richtlinie befreit sein. Die 

durchgeführten Tests sind aus diesem Grund nur als Vorkonformitätstests 

zu betrachten. Es ist das Endsystem, das auf volle Konformität 

getestet werden muss, um die vollständige CE-Zertifizierung 

zu erhalten. Wird das System jedoch nach dem Technical-Construction-File-Schema 

(TCF-Schema) zertifiziert, können die einzelnen 

Vorkonformitätstests als Teil des TCF verwendet werden. 

Standard-Testverfahren für DC-versorgte Schaltkreise 

Bei fehlenden EN-Standards muss der nächstbeste entsprechende 

Teststandard bestehender EMV-Richtlinien für leitungsgebundene 



Ein LISN nach dem EMV-Standard CISPR16. Beim Testaufbau ist die Schirmung wichtig. 

Netzstörungen zum Einsatz kommen. Eingangsstörungen bei Systemen, 

die an das Wechselstromnetz angeschlossen sind, lassen sich 

beseitigen, indem ein Leitungsimpedanz-Stabilisierungsnetzwerk 

(LISN) an die stromführende und neutrale Leitung angeschlossen 

wird und die Masse der Netzspannung als Erdungsreferenz dient. 

„Bei unserer Testmethode wird dieser Ansatz für das Testen gleichstromversorgter 

Schaltkreise verwendet“, erläutert Paul Lee. „Bei 

einem entsprechenden DC-Netzteil sind die positive als auch die 

Masseleitung mit einem LISN gegen Masse ge� ltert.“ Jedes LISN ist 

nach CISPR 16 für 50 Ω / 50 μH Leitungsimpedanz aufgebaut. 

Hat der DC-versorgte Schaltkreis keine direkte Masseverbindung, 

geht der Pfad für jegliches Gleichtaktrauschen über Streukapazitäten 

direkt gegen Masse. Diese können das physikalische Gehäuse 

des Schaltkreises, externe Verdrahtungen, periphere Lasten 

oder angeschlossene Schaltkreise sein. Rauschmessungen sind in 

diesem Fall nur relativ. Es sollte eine genaue Aufzeichnung des 

Testau� aus erfolgen, um später einmal vergleichbare Messungen 

durchführen zu können. Obwohl das Gleichtaktrauschen die Zielmessung 

ist, wird selbst bei nicht vorhandener Streukapazität zwischen 

Masse und zu testendem Schaltkreis ein nach CISPR 16 abgeschlossener 

LISN ein Signal mit der Häl� e des Gegentakt- 

Rauschpegels von seinem RF-Monitor ausgeben. 

Störungsübergänge verhindern 

Der DC-versorgte Circuit Under Test (CUT), das LISN und alle 

Verbindungskabel zu Messgeräten, Lasten und Versorgungsleitungen 

sollten nach Möglichkeit abgeschirmt werden. Die Abschirmung 

verhindert einen möglichen Störungsübergang auf die Leitungen 

und den CUT von externen EMV-Quellen, beispielsweise 

andere Geräte in der Nähe oder Abstrahlungen vom Netzteil. Die 

Abschirmung ist ebenfalls auf Masse bezogen. 

Bei der Messung kleiner Schaltkreise oder einzelner Bauteile 

passt das gesamte Teil für den Test o� in ein Metallgehäuse. Alle 

Versorgungs- und Testeingänge sollten über abgeschirmte Steckverbinder 

erfolgen, vorzugsweise HF-BNC-Stecker. Das LISN sollte 

abgeschirmt sein und sich außerhalb des Gehäuses mit dem 

Testschaltkreis be� nden. 

Unsere Methode für das Testen 

von DC-Schaltkreisen setzt 

darauf, dass LISN an die stromführende 

und neutrale Leitung 

angeschlossen wird und die Masse 

der Netzspannung als Erdungsreferenz 

dient: 

Paul Lee ist Director of Engineering 

bei Murata Power Solutions . 

Peripherie 

DC-Schaltkreis im Test 

Es gibt diverse Schaltkreiskon� gurationen, die sich als Beispiel- 

Testschaltung nutzen lassen. „Für diesen Beitrag nehmen wir einen 

leiterplattentauglichen DC/DC-Wandler mit einer Widerstandslast 

am Ausgang“, beschreibt Paul Lee. „Board-Level-DC/ 

DC-Wandler sind eine gängige Komponente auf vielen PC-Boards 

sowie in Instrumentierungen und Prozesssteuerungen.“ Der Vorteil 

beim Einsatz eines DC/DC-Wandlers liegt darin, dass er eine 

bekannte, charakteristische Schaltfrequenz hat, was ein stabiles 

Rauschspektrum garantiert. 

Der DC/DC-Wandler NMS1212C von Murata Power Solution 

verfügt über einen 12-V-Eingang, einen 12-V-Dual-Ausgang und 

eine Ausgangsleistung von 2 W bei einer charakteristischen Schaltfrequenz 

von 35 kHz. Vorteil: Die Komponente weist eine Reihe 

von Leitungsspektren unterhalb des EU-Frequenzgrenzwerts für 

leitungsgebundene Emissionen von 150 kHz auf und keine Subharmonischen 

unter seiner grundlegenden Schaltfrequenz. 

Um sicherzustellen, dass in Bezug auf die EMV Worst-Case- 

Bedingungen beim CUT vorherrschen, muss die Funktion des 

Schaltkreises bekannt sein. Der CUT-Entwickler ist hier der richtige 

Ansprechpartner für die Spezi� kation. Im Fall des NMS-DC/ 

DC-Wandlers liegt der Worst Case bei Volllast mit einer Ausgangsleistung 

von 2 W und maximaler Eingangsspannung vor – obwohl 

die Eingangsspannung minimale Auswirkung innerhalb der erlaubten 

Toleranz hat. Andere Worst-Case-Bedingungen lassen sich 

aufgrund der Art der Testumgebung nur schwierig anwenden, wie 

hohe Temperatur. Sind die Schaltkreis-Lastbedingungen und deren 

Auswirkungen auf die EMV nicht bekannt, lassen sich Tests auf 

dem CUT noch vor dem Vorkompilierungstest durchführen. 

Aufl ösebandbreite betrachten 

Eines der ersten Entscheidungen sollte die Au� ösebandbreite darstellen, 

die für die Vorkompilierungstests erforderlich ist. Um mit 

den EU-Richtlinien für Netzstörungen übereinzustimmen, sollte 

eine Au� ösebandbreite von 9 kHz für leitungsgebundene Messungen 

zum Einsatz kommen. In Schaltkreisen mit niedrigen Leitungsstörungen 

ist das akzeptabel; in Schaltkreisen mit Analogver- 


Testverfahren für DC-versorgte Schaltkreise 

Ob leitungs- oder feldgebundene Störungen – Murata Power Solutions 

entwickelte eine Testmethode, um die DC-Schaltkreise und das 

Netzteil getrennt voneinander untersuchen zu können. 



www.elektronikjournal.com elektronikJOURNAL 01 / 2012 21

Peripherie 

Schaltungsbedingte Spektrallinien des NMS1212. 

NMS1212Störungen mit 9 kHz RBW. NMS1212Störungen mit 120 kHz RBW. 

arbeitung oder asynchroner Logik können allerdings breitbandige 

Spektren auftreten. Es ist auch möglich, dass sich einzelne Linienspektren 

mit den Lastbedingungen ändern – allerdings innerhalb 

eines vordefinierten Bereichs. Eine breitere RBW kann diesen Bereich 

umfassen. 

In Bezug auf das NMS-Beispiel ergeben sich bei einem Rechtecksignal-Gegentaktwandler 

zwei Antworten: eine bei der Schaltfrequenz, 

die 35 kHz beträgt und die andere bei der doppelten 

Schaltfrequenz – die Vollwellengleichrichtung. Es treten auch 

Oberwellen im gesamten Emissionsspektrum auf. Im Frequenzbereich 

zwischen 150 kHz und 30 MHz gibt es deshalb 853 einzelne 

Linienspektren, wenn diese bei 9 kHz RBW aufgelöst sind. Die Toleranzabweichung 

der Bauteile, Eingangsspannung und Last können 

die Betriebsfrequenz um bis zu 20 % verändern, das heißt 

mehr als 200 zusätzliche Linien hinzufügen oder beseitigen. 

Insgesamt scheint der Bereich relativ konstant zu bleiben, sodass 

eine Erweiterung der RBW auf 120 kHz die Bereichsfunktion ergibt 

und nicht die einzelnen Linienspektren. „Die Information ist 

nun einfacher zu verwenden und zu verstehen, und mögliche Abweichungen 

sollten durch diesen Bereich abgedeckt sein“, unterstreicht 

Paul Lee. 

Die Erweiterung der RBW sollte nur dann erfolgen, wenn Breitbandrauschen 

oder eine große Anzahl eng aufeinander bezogener 

einzelner Spektren vorliegen. Bei den meisten Schaltkreisen ist das 

nicht erforderlich. Kommt ein Spektrumanalyzer zum Einsatz, erhöht 

sich das effektive Grundrauschen, sobald die RBW erweitert 

wird. Das überlagert das Rauschen im unteren Bereich. „Wir empfehlen, 

zuerst immer die schmalste RBW zu verwenden und dann 

bei Bedarf zu erweitern“, so der Experte von Murata PS. 

Spektren-Erkennung 

Es gibt drei gängige Methoden zur Messung der Amplitude leitungsgebundener 

Spektren: 

■ Spitzenwerterkennung 

■ Durchschnittserkennung 

■Die Quasi-Spitzenwerterkennung 

Spitzenwerterkennung ist eine Momentanmessung der Signal- 

Spitzenamplitude. Diese eignet sich am besten für kontinuierliche 

Signalspektren und schnelle Momentaufnahmen von Störungen. 

Einfluss der Eingangsspannung 

auf die Schaltfrequenz 

beim NMS1212C. 

Die Durchschnittserkennung misst hingegen die durchschnittliche 

Amplitude über eine bestimmte Zeitperiode innerhalb der Messbandbreite. 

Die Quasi-Spitzenwert-Erkennung simuliert eine subjektive 

Antwort auf eine pulsartige Störung. Der Quasi-Spitzenwert gewichtet 

die Anstiegs- und Abfallzeiten der Signalpulsierung mit 

bestimmten Zeitkonstanten. Die Antwort auf ein Dauersignal wäre 

bei allen drei Nachweismethoden identisch. Eine unregelmäßig gepulste 

Störung fällt mit der Quasi-Spitzenwert-Methode niedriger 

aus und mit der Spitzenwert-Methode am höchsten. 

Störungen filtern 

Übertreffen die Störungen bestimmte Grenzen, lassen sich der 

Schaltkreis oder das PCB-Layout abändern, um das Rauschen zu 

reduzieren. „Auch zusätzliche Filter lassen sich am Eingang der 

Stromversorgung zum DC-Schaltkreis hinzufügen“, so Paul Lee. 

Filter können die kostengünstigste Option für das Bestehen von 

Vorkonformitätstests für Schaltkreise sein. Falls ein Re-Design hohe 

Investitionen in Zeit und Geld erfordert, können ein Kondensator 

und eine Induktivität in der Eingangsleitung die Störungen um 

20 dB bei der Problemfrequenz zu minimalen Kosten beseitigen. 

Alternativ sollte der Entwickler im Vorfeld wissen, dass die Versorgung 

über eine bestimmte Rauschunterdrückung verfügen soll, 

beispielsweise 20 dB für Störungen unter 1 MHz. 

Die Standard-EMV-Grenzwerte lassen sich als Richtlinie für die 

Störemissionen verwenden, um festzustellen, welche Unterdrückung 

die Versorgung erfordert. „Das ist nicht so einfach, wie es 

klingt“, erklärt Paul Lee. Er fährt fort: „Die Ausgangskondensatoren 

einer Stromversorgung und die Eingangskondensatoren des 

CUT können zu einer wesentlich höheren Unterdrückung führen, 

als das bei einfachen 50-Ω-Rauschquellen der Fall ist.“ Hier ist zu 

beachten, dass PSU und CUT eher nicht 50 Ω Impedanz oder sogar 

angepasste Impedanzen haben. Diese Tests sind nur für eine 

Vorkonformität gedacht. Weitere Tests mit der PSU und dem 

Schaltkreis im Zielsystem müssen durchgeführt werden – bevor 

das Endprodukt zertifiziert werden kann. (eck) n 

Der Beitrag basiert auf Textmaterial von Paul Lee, Director of Engineering 

bei Murata Power Solutions. 



Bilder: Murata Power Solutions

Bild: Fortec 


Peripherie 

Demonstrationsgebot 

Peripherie-Anbindung am praktischen Beispiel 

Analog Devices wird auf der Embedded 

World viele Demo-Stationen zeigen. Ein 

Avnet-Microboard mit Xilinx Spartan-6- 

FPGA LX9, Pmods von Digilent und das 

Bemicro-SDK von Arrow mit einem Altera 

Cyclone IV dienen dazu, eine Reihe von 

Schaltungsbeispielen zu präsentieren. ADI 

hat verschiedene MEMS-Sensoren und 

Datenwandler-Bausteine an die FPGA- 

Entwicklungssysteme angeschlossen. 

Eine weitere Demo zeigt, wie man einen 

Roboterarm per Touchscreen über einen 

isolierten CAN-Bus bedient. Das Controller-Board 

des Roboters basiert auf dem 

CAN-Transceiver ADM3053 mit isolierten 

Signal- und Stromversorgungsleitungen, 

der in Kombination mit dem Analog-Mikrocontroller 

ADuC7128 CAN-Telegramme 

vom Blackfin BF548-EZ-Kit empfängt. 

Der HF-Transceiver ADF7023 mit MAC 

und Packer-Routine sowie ADuCRF 101 

mit HF-Transceiver und Cortex-M3-Core 

zeigen eine vollständige Systemlösung mit 

ISM-Band-Transceiver-ICs. Der vierkanalige 

16-Bit-D/A-Wandler AD5755 mit 

An seinem Stand präsentiert ADI die Blackfin- 

und Sharc-DSP-Cores, Analog-Mikrocontroller 

und das Zusammenspiel mit FPGAs. 

4-20-mA-Schnittstelle reduziert die Verlustleistung 

und die Eigenerwärmung. Damit 

können Systeme mit mehr Kanälen 

ausgestattet werden, zumal das kleine Gehäuse 

des Bausteins den Platzbedarf verringert. 

Zudem zeigt ADI ausgewählte 

„Circuits from the Lab“, also Referenzschaltungen 

mit Schaltplänen, Gerber-Files und 

weiteren Designdateien. (lei) n 



Nimms genau 

Schaltnetzteil mit präziser Spannungsregelung 

Die Open-Frame-Ausführung der Schaltnetzteilfamilie 

CFM201S misst nur 127 x 76,2 x 36,6 mm. 

Die CFM201S-Schaltnetzteile von Cincon 

(Vertrieb: Fortec) zeichnen sich laut Hersteller 

durch hohe Spannungsgenauigkeit 

und exzellente Regeleigenschaften aus. Die 

vier Varianten der Familie unterscheiden 

sich durch die Ausgangsspannung von 12, 

24, 36 und 48 VDC. Die Netzspannungen 

darf zwischen 90 und 264 VAC sowie von 

47 bis 63 Hz schwanken. Alle Varianten regeln 

die Netzschwankungen mit 0,5 % Genauigkeit 

und Lastwechsel innerhalb 1 % 

Bandbreite. Die Brummspannung am Aus- 

gang liegt unter 150 mV. An einem separaten 

12-V-Ausgang lässt sich ein optionaler 

Lüfter anschließen. 

Die Geräte liefern zwischen 3,13 A (48 V, 

150 W, konvektionsgekühlt) und 16,67 A 

(12 V, 200 W, mit Lüfter); der Wirkungsgrad 

liegt zwischen 89 und 92 %. Lieferbar 

sind sie als Open Frame (127 x 76,2 x 36,6 

mm, Temperatur bis zu 80 °C) oder mit 

Gehäuse (136 x 88 x 49 mm für bis zu 70 

°C). Alle Varianten besitzen eine aktive 

Leistungsfaktor-Korrektur nach EN61000- 

3-2 sowie die Dämpfung der leitungsgebundenen 

EMV-Störungen gemäß CISPR/ 

FCC Class B. Zur Ausstattung gehören eine 

Fernabfrage der Ausgangsspannung sowie 

Schutz vor Überspannung, Übertemperatur 

und Kurzschluss, jeweils mit Auto-Recovery-Funktion. 

Die Isolation von Eingang 

zu Ausgang beträgt 4242 VDC und 

der Fehlerstrom maximal 3,5 mA. (lei) n 



Bild: Analog Devices 

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Peripherie 

Auf leisen Sohlen 

Lüfterlose ATX/ITX-Netzteile einsetzen 

Schnelle und energiesparende Prozessorgenerationen ermöglichen immer mehr Rechner und Steuerungen in 

lüfterloser Ausführung. Wie sich passende lüfterlose ATX/ITX-Netzteile finden lassen und was beim Design-In 

zu beachten ist, zeigt der nachfolgende Beitrag von Magic Power Technology. Autor: Frank Cubasch 

Der Leistungsbedarf von modernen Mini-ITX/ATX- 

Boards liegt heute in einem Bereich, der es mit vertretbarem 

Aufwand erlaubt, auch komplette Applikationen lüfterlos 

zu kühlen. Vorteile: eine höhere Lebensdauer durch 

den Wegfall der Lüfter, abgedichtete Gehäusedesigns (IP65 oder 

-67) oder die Einsatzmöglichkeit in explosionsgeschützten Bereichen. 

Ein weiterer Pluspunkt ist die erheblich reduzierte Verschmutzung 

des Systems. Durch einen Lüfter wird ein großer Teil 

der Staub- und Schmutzpartikel in den Systeminnenraum geblasen. 

Wenn ein 40-mm-Lüfter eine Lebensdauer von – je nach Umgebungstemperatur 

– zirka 10.000 bis 20.000 Stunden aufweist, so 

sind das auf den täglichen Einsatz hochgerechnet rund zwei Jahre. 

Schaut man sich die Verschmutzung eines typischen Bürocomputers 

nach nur wenigen Betriebsmonaten an, kann man sich leicht 

ein Bild davon machen, wie sich die Lebensdauer eines Lüfters unter 

realen industriellen Umgebungsbedingungen verändert. Ein 

24 

elektronikJOURNAL 01/2012 

weiterer Aspekt ist das Thema Geräuschreduktion für Anwendungen 

in Büro- oder Laborumgebungen, auch wenn dieser Fakt bei 

einem reinen Industrieeinsatz in einer Produktionshalle nicht an 

erster Stelle steht. 

Optimierter Wirkungsgrad 

Es ist naheliegend, dass der Schritt von einem lüftergekühlten zu 

einem konvektionsgekühlten Netzteil mehr umfasst, als nur den 

Wegfall des Lüfters. Ein typisches lüftergekühltes Computernetzteil, 

das beispielsweise im PS2-Gehäuse untergebracht ist, erreicht bei 

abgeschaltetem Lüfter vielleicht noch eine Leistung von etwa 25 bis 

50 Prozent. Es kann davon ausgegangen werden, dass auch in diesem 

Fall trotzdem noch einige Komponenten außerhalb der Spezifikation 

betrieben werden. Ein optimiertes konvektionsgekühltes 

ATX-Netzteil zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass passende 

Kühlkörper eingesetzt werden, die Abstände der Bauteile 


Bild Fotolia: @ Thomas Aumann

Bild 1, links: Der Eingangskreis des MPI-822H als Detailansicht. Dieses 

lüfterlose 1-HE-Netzteil von Magic Power Technology liefert 170 W für ATX- 

oder ITX-Boards; mit Luftstrom sind sogar 220 W möglich. Bild 1, Mitte: Das 

zueinander Wärmestauungen vermeiden und 

hochwertige Komponenten, beispielsweise 

105 °C-Elektrolytkondensatoren, zum Einsatz 

kommen. Darüber hinaus sind die Hauptwärmequellen 

o� zusätzlich an einen sogenannten 

U- oder L-Kanal thermisch angebunden, um 

die Wärmeabfuhr über die Konvektion nochmals 

zu verbessern. Außerdem ermöglicht es 

der U- oder L-Kanal, auch einen Teil der Abwärme 

direkt über das Kundengehäuse nach 

außen abzuführen. Last but not least, ist natürlich 

der Wirkungsgrad nicht zu vergessen, der 

bei einem lü� erlosen Netzteil optimiert ist. 

Zur ersten Worst-Case-Abschätzung des 

Leistungsbedarfes bietet sich die Aufsummierung 

der Einzellasten aus den Datenblättern der 

angeschlossenen Geräte, zum Beispiel Laufwerke, 

an. In der Praxis zeigt sich jedoch o� , dass 

der reelle Bedarf deutlich unterhalb der Datenblattsumme 

liegt. Aus diesem Grund sollte auf 

jeden Fall eine detaillierte Messung mit Wattmeter/Stromzangen, 

im Idealfalle mit einem 

Oszilloskop, aller Ausgänge gleichzeitig durchgeführt 

werden, um die größte, gleichzeitig 

notwendige Summenleistung sowie die maximale 

Einzelleistung eines Ausgangs zu de� nieren. 

Zur Auswahl des passenden Netzteils sind 

verschiedene Leistungsangaben des Netzteilherstellers 

zu beachten. Die so genannte Rated- 

Lload beschreibt eine vom Hersteller angenommene, 

typische Lastbedingung, auf die nahezu 

alle seine Messungen, wie EMV und Wirkungs- 


von 

Peripherie 

Netzteil MPI-706H zusammen mit einem Mini-ITX-Board, das für die EMV- 

Messung aus Bild 2 zum Einsatz kam. Bild 1, rechts: Das MPI-822H von oben. 

Am rechten Bildrand ist der Ausgangskabelsatz zu sehen. 


Das optimale lüfterlose Netzteil wählen 

Netzteile ohne eigenen Lüfter bringen diverse Vorteile mit sich. So 

sind sie beispielsweise kleiner, leiser, langlebiger und energieeffi zienter 

als ihre Pendants mit Fan. Allerdings gilt es, beim Einsatz etliche 

Punkte zu beachten. 


Bild 2: Unterschiedsmessung im Peak-Modus eines Mini-ITX- 

Boards mit Netzteil MPI-706H. Blaue Kurve: Messung mit EMVoptimierter 

Kabelführung; schwarze Kurve: Ohne Optimierung. 

grad, bezogen werden. Die maximale Leistung 

beschreibt die höchste Dauerleistung eines 

Ausgangs, während die Peak- oder Spitzenleistung 

nur kurzfristig zur Verfügung steht. Dieses 

Grundprinzip erlaubt es in der Regel, ein kleineres 

und natürlich auch kostenoptimiertes 

Netzteil einzusetzen. 

Kundenseitige Lastbedingungen 

abdecken 

Wie sieht das nun genau aus? Beispiel: das 

MPI-822H aus dem Hause Magic Power Technology. 

Dabei handelt es sich um ein 1HE lüfterloses 

170-W-ATX/ITX-Netzteil, das mit 

Lu� strom für 220 W ausgelegt ist. Durch die 

einzelnen hohen Maximalleistungen eines jeden 

Ausgangs, lassen sich diverse kundenseitige 

Lastbedingungen abdecken. Wie sich im 

Vergleich der Diagramme in Bild 3 erkennen 

lässt, ist der Anteil der Leistung des 12-V-Ausgangs 

bei Ausnutzung der Maximalleistung 

von 144 W bei 12 A mit 85 Prozent im Gegensatz 

zu den restlichen Ausgängen 3,3, 5, -12/ 

5 V recht hoch. Im Gegenzug ist dieses Netzteil 

in der Lage, bei Bedarf deutlich mehr Leistung 

auf den 3,3/5-V-Ausgängen zu liefern. 

Bei nahezu allen Geräten gibt es mit der 

Mindestlast noch eine weitere wichtige Angabe. 

Die Mindestlast sagt aus, mit welcher Leistung 

die Hauptausgänge belastet werden müssen, 

um für die Nebenausgänge eine akzeptable 

Lastausregelung zu erhalten. Im Beispiel des 

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Peripherie 

Leistung -12V&5Vstby 

Ausgang: 10W; 6% 

Leistung 3,3V&5V 


Ausgang Strom rated Leistung rated Strom max. 12V Leistung max. 

12V 

Leistungsverteilung MPI-822H bei 

maximaler 12V Dauerlast 

Leistung 12V 


Leistung 12V Ausgang 

Leistung 3,3V&5V Ausgang 

Leistung -12V&5Vstby Ausgang 

Bild 3: Das MPI-822H kann am 12-V-Ausgang 144 W erbringen (links). Genügen hier 70 W (rechts), steht an den anderen Ausgängen mehr Leistung bereit. 

MPI-822H liegt die Mindestlast bei 2,5 W, die auf dem 5- und/oder 

12-V-Ausgang entnommen werden kann. 

Die Umgebungstemperatur berücksichtigen 

Neben dem bereits angesprochenen U- oder L-Kanal ist es bei Auswahl 

und Einbau der Netzteile wichtig, die Umgebungstemperatur 

für das Netzteil sowie die Leistungsreduzierung bei höheren Temperaturen 

zu berücksichtigen. Für die lüfterlosen Netzteile von Magic 

Power Technology gilt im Allgemeinen, dass sich die Netzteile 

bis zu einer Temperatur von 70 °C einsetzen lassen, wobei ab 50 °C 

eine Reduzierung der Leistung von -2,5 % / °K kalkulatorisch einfließt. 

Sollte also zum Beispiel ein Netzteil wie das MPI-706H mit 

60 W bei 50 °C nun bei 55 °C eingesetzt werden, so ist darauf zu 

achten, dass die Dauerleistung um (55 °C - 50 °C) * 2,5 % = 12,5 % 

reduziert wird. Liegt die Dauerleistung der Anwendung bei Maximaltemperatur 

über diesem berechneten Wert, so ist entweder das 

nächststärkere Modell auszuwählen oder Rücksprache mit dem 

Hersteller zu halten. Dieser kann detaillierte Angaben zu den entsprechenden 

Arbeitspunkten des Netzteils liefern oder mit Hilfe 

einer Applikationsnachstellung das Netzteil unter diesen Bedingungen 

testen. Während bei einem lüftergekühlten Netzteil die Einbaulage 

verhältnismäßig unkritisch ist, muss der Anwender bei einem 

lüfterlosen Netzteil darauf achten, die Position zu berücksichtigen, 

um eine entsprechende Wärmeabfuhr zu gewährleisten. 

Wird das Netzteil beispielsweise über Kopf montiert, so entsteht 

ein entsprechendes Wärmepolster um die Bauteile herum, was zur 

Überhitzung führen kann. Bei seitlicher, gekippter Montage ist 

entweder das Datenblatt zu Rate zu ziehen – oder aber der Hersteller 

gibt eine entsprechende Applikationsunterstützung. Im Zuge 

dessen sollte der Anwender darauf achten, dass sich über dem 

Netzteil keine Stauwärme ergibt, zum Beispiel durch einen nahe 

montierten Deckel. Falls das jedoch unumgänglich ist, muss dieser 

Fakt mittels der Umgebungstemperaturbetrachtung entsprechend 

Leistung 3,3V&5V 


Leistungsverteilung MPI-822H bei 

maximaler 3,3V&5V Dauerlast 

Leistung 12V Ausgang 

Leistung 3,3V&5V Ausgang 

Leistung -12V&5Vstby Ausgang 

Strom max. 

3,3V/5V 

Leistung -12V&5Vstby 


Leistung max. 

3,3V/5V 

OP1 3,3 7,562 25W 1,29 4W 11 36W 

OP2 5 11 55W 2,3 12W 10,7 54W 

OP3 12 6,65 80W 12 144W 5,8 70W 

OP4 -12 0,5 6W 0,5 6W 0,5 6W 

stby 5 0,85 4W 0,85 4W 0,85 4W 

Summe 170W 170W 170W 

Leistung 12V Ausgang 80W 144W 70W 

Leistung 3,3V & 5V Ausgang 80W 16W 90W 

Leistung -12V & 5V stby Ausgang 10W 10W 10W 

Leistung 12V 


berücksichtigt werden. Magic Power Technology stellt als Service 

entsprechende wärmetechnische Betrachtungen der Kunden/ 

Lastapplikation zur Verfügung. Sämtliche Netzteilserien des Herstellers 

sind bereits nach den entsprechenden Sicherheitsvorschriften 

der EN/UL/CB 60950 beziehungsweise 60601 geprüft. Beim 

Einbau muss der Anwender darauf achten, dass – wenn ein elektrisch 

leitender Deckel nahe über dem Netzteil installiert wird – die 

Luft- und Kriechstrecken entsprechend eingehalten werden. Weil 

die Schutzerde teilweise über das Eingangskabel zum Netzteil und 

dann über das Netzteilgehäuse zum Kundengehäuse geführt wird, 

ist hier auf niedrige Übergangswiderstände zu achten. 

Funktionierende EMV 

Für eine funktionierende elektromagnetische Verträglichkeit ist es 

notwendig, dass sowohl das Netz- als auch das Ausgangskabel auf 

kurzem Weg zum Netzteil geführt werden und nicht die Elektronik 

und/oder das Netzteil mit geringem Abstand kreuzen. Auf diesem 

Wege können sonst Störungen in die Kabel eingespeist werden. Das 

kann beispielsweise bei der Emissionsmessung der leitungsgeführten 

Störspannung oder abgestrahlten Störfeldstärke oder bei Prüfungen 

im Bereich Immunität, wie Surge oder Burst, zu Problemen 

und Überschreitungen führen, wie Bild 2 zeigt. Alle Netzteile von 

Magic Power Technology wurden nach Herstelleraussagen in einem 

externen, akkreditierten Labor auf die Einhaltung der entsprechenden 

Normen aus der IT oder Medizintechnik hin getestet. Auch 

hier stellt das Unternehmen mit dem hauseigenen EMV-Labor einen 

entsprechenden Support während der Design-In-Phase zur 

Verfügung, um eine optimale Funktion der Netzteile in Zusammenarbeit 

mit der Kundenapplikation zu gewährleisten. (eck) n 

Der Autor: Frank Cubasch ist Geschäftsführer von Magic Power 

Technology in Dahn. 



Bild: Magic Power

Bilder: Atmel 

Stiften gehen 

Die Renaissance des Stylus 

Moderne User-Interfaces verwenden Multitouch-fähige 

Displays. Echte Tasten und 

die Bedienung mit einem Stift sind out – so 

die verbreitete Meinung. Inspiriert ist das 

sicher durch die Erfolge der Apple-Geräte. 

Doch nicht für jede Anwendung passt dieses 

Benutzer-Interface: Wer Notizen machen 

will oder etwas skizzieren muss, 

wünscht sich intuitiv einen Stift, so wie in 

älteren PDAs oder Grafik-Tablets. Atmel 

bringt mit dem Maxstylus nun beide Welten 

zusammen: Um auf kapazitiven Touchscreens 

zu funktionieren, ist der Stylus aktiv 

ausgeführt. Der mXTS100 erlaubt es 

sogar, gleichzeitig mit den Fingern zu tippen 

und mit dem Stift zu schreiben. 

Die Spitze des Stifts ist nur 1 mm groß 

und arbeitet auf ±0,25 mm genau. Dank 


der Auswerte-Rate 

von 140 Hz kann 

der Benutzer recht 

schnell schreiben. 

Schon länger hat 

Atmel eine Funktion, 

die versehentliche 

Berührungen 

von absichtlichen 

unterscheidet. Das 

Keine Kompromisse 

Power-System-on-Chip-Lösungen 

Enpirion präsentiert 

auf der Embedded 

World sein Portfolio 

an DC/DC-Wandlern. 

Die schlüsselfertigen 

Lösungen 

reduzieren laut Hersteller 

die Komplexität 

der Entwicklung 

von Embedded- und 

Industrie-Hardware. 

Eine neue Produktfamilie 

von Power- 

Bild: Enpirion 

SoCs mit hoher Leistungsdichte zeigt Enpirion 

sprichwörtlich unter einem Mikroskop. 

Besucher können damit das Innenleben 

einschließlich eines Mini-Induktors, 

Hochfrequenz-FETs sowie Packaging-Methoden 

genau betrachten. 

Zu den Vorteilen der eigenen Produkte 

für industrielle Embedded-Anwendungen 

zählt Empirion die hohe Leistungsdichte. 

Damit stehen mehr Ressourcen für Rechenleistung 

und Schnittstellen bereit. Ein 

vereinfachter Design-Flow bedeutet kürze- 

DC/DC-Wandler im Detail: Nicht nur von außen, 

sondern das Innenleben können Messebesucher 

bei Enpirion unter dem Mikroskop betrachten. 

Peripherie 

Verbindet Stylus mit 

Touchscreens: Binay 

Bajaj, Director Product 

Marketing bei Atmel in 

San Jose, Kalifornien. 

wird hier um so wichtiger: Für natürliches 

Schreiben muss man die Hand auf das Display 

legen können. Laut Atmel ist ganau 

das möglich, die Maxtouch-E-Controller 

unterscheiden zuverlässig zwischen Handballen, 

Finger und Stift-Spitze. (lei) n 



Kleiner Stift für mehr Benutzerfreundlichkeit: 

Dank aktiver Technik reagieren auch kapazitive 

Multitouch-Oberflächen auf seine Spitze. 

re Entwicklungszeit 

und mehr Projekte. 

Dabei sinken die Gesamtkosten. 

Die hohe Effizienz 

der Bausteine senkt 

den Energieverbrauch 

des Systems 

und die Zuverlässigkeit 

verbessert die 

Qualität des Endprodukts. 

„Der Embedded-Markt 

ist ein 

sehr wichtiger Bereich für Enpirion. Durch 

unser Know-how bei HF-Halbleitern, magnetischen 

Technologien, den umfassenden 

DC/DC-Entwicklungen und unser integriertes 

Lead-Frame-Packaging können 

wir die besonderen Designanforderungen 

unserer Kunden optimal erfüllen“, betont 

Mark Cieri, Director of Marketing & Business 

Development von Enpirion. (lei) n 



Schalter Sensoren Gehäuse 

Sensortechnik 

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Peripherie 

Eyecatcher 

Formschöne Gehäuse mit optimalem Kühlkonzept 

Hohe Anforderungen werden nicht nur im Bereich der Embedded-Systeme 

an die Software gestellt – auch die Hardware muss einiges abkönnen. Das 

Wärmemanagement der im Gehäuse verbauten elektronischen Komponenten 

und Prozessoren sowie eine sichere und funktionelle Umhausung spielen 

hierbei eine wichtige Rolle, wie der nachfolgende Beitrag von Fischer Elektronik 

zeigt. Autor: Jürgen Harpain 

Erhebliche Anforderungen werden 

nicht nur im Bereich der Embedded 

Systeme an die Software gestellt – 

auch die Hardware muss einiges abkönnen. 

Moderne Leistungsbauelemente haben 

beispielsweise eine hohe Verlustwärme, 

die während des Betriebes anfällt und abgeleitet 

werden muss. Hierzu sind Konzepte einer 

leistungsfähigen Entwärmung dringend 

erforderlich. Bei idealer Konfiguration des 

Gehäuses wird das Endprodukt nicht nur 

funktionell und anwenderfreundlich in der 

Handhabung, sondern auch ästhetisch und 

hochwertig von der Optik. Neben diversen 

Standardprodukten aus der Entwärmungs- 

und Gehäusetechnik stellt Fischer Elektronik 

die Möglichkeit zur Verfügung, aus den Standards 

spezielle, kundenspezifisch bearbeitete 

Lösungen generieren zu können, die in punkto 

Stückzahl, Qualität und Preis den hohen 

Anwenderanforderungen genügen. 

Kühlkörper mit Kupferinlays einsetzen 

Wärmetechnisch optimierte Lösungen zur 

Entwärmung hochwertiger Elektronik erfordern 

in der Regel Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit. 

Insbesondere für transiente 

Wärmeeinträge und kleine Wärmeeintragsflächen 

ist es zur effektiven Kühlung der elek- 

Bild 1: Hoch wärmeleitende Kupferflächen 

in Verbindung mit Kühlkörpern. 

tronischen Komponenten notwendig, die 

entstehende Wärme schnell vom Bauteil oder 

Prozessor aufzunehmen und diese, zum Beispiel 

an einen Kühlkörper, weiterzuleiten. 

Hierfür hat der Lüdenscheider Hersteller ein 

spezielles Bearbeitungsverfahren im Programm, 

mit dem sich Kontaktflächen aus 

Kupfer (= 380 W/m•k), formschlüssig mit 

dem Kühlkörper verbinden lassen, wie Bild 1 

verdeutlicht. Materialstärke, Anzahl, Geometrie 

und Position der Kupferfläche wird nach 

kundenspezifischen Vorgaben realisiert. Eine 

planebene Fläche mit besonderer Güte in 

Hinsicht auf Ebenheit und Rauheit, zur Montage 

der Halbleiterbauteile oder als Auflage, 

lässt sich durch eine frästechnische Bearbeitung 

realisieren. 

Schön kühl 

Die große Vielfalt elektronischer Bauteile 

und deren hohe Integrationsdichte stellen 

immer wieder neue Anforderungen an deren 

Kühlung. Die Entwärmung elektronischer 

Komponenten, die auf Leiterkarten montiert, 

dann in Gehäuse eingeschoben oder eingebaut 

werden sollen, wird durch das Fehlen 

geeigneter Gehäusesysteme oft deutlich erschwert. 

Prädestiniert für diesen Anwendungsfall 

sind die sogenannten Wärmeableit- 

Bild 2: Kühlrippengehäuse auch nach 

kundenspezifischen Vorgaben. 



Bild Fotolia: @ Subbotina Anna


Peripherie 

Zuverlässige 

Produkte erwünscht? 

Dann dürfen unsere Board-to-Board 

und Board-to-FPC Steckverbinder beim 

Design-In nicht fehlen. Die Vorteile: 

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bis 14 mm und variabler Kontaktanzahl, 

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Peripherie 

Bild 3: Funktionelles 

Gehäusesystem mit 

integrierten 

Führungsnuten. 

gehäuse (Bild 2). Sie sind e� zient einzusetzen und beinhalten neben 

einer guten Entwärmung und funktionaler Handhabung auch 

ein ansprechendes Design. 

Elektronische Bauelemente, auf der Leiterkarte im Gehäuse aufgenommen, 

können zu deren Kühlung mit Hilfe einer Schraubbefestigung, 

doppelseitig klebender Wärmeleitfolie oder spezieller 

Haltefedern direkt an das Kühlelement (die Gehäusewand) befestigt 

werden. Pro� lgehäuse mit außen liegenden Kühlrippen, Kühlkörperpro� 

le als Halbschalensystem zur Gestaltung verschiedener 

Gehäusevarianten oder besondere Seitenwandpro� le, die mit unterschiedlichen 

Standardstrangkühlkörpern kombinierbar sind, 

bilden mit den dazugehörigen Deckelplatten robuste und e� ektive 

Wärmeableitgehäuse. Etliche Gehäuselinien liefern einen erheblichen 

Nutzen für den Anwender, weil auch in der Gehäusetechnik 

das thermische Management der integrierten Elektronik zu beachten 

ist. 

Der Einsatz der genannten Gehäusesysteme in elektronischen 

Funktionsbereichen, in denen beispielsweise EMV- und IP-Schutz 

eine wichtige Rolle spielen, ist gleichermaßen sinnvoll. Elektrisch 

leitfähige, RoHS-konforme und Chrom-VI-freie Ober� ächen im 

Zusammenspiel mit zusätzlich elektrisch leitfähigen Flachdichtungen 

und Dichtungsschnüren gewährleisten eine sichere und EMVgerechte 

Abschirmung mit gleichzeitigem IP-Schutz. 

Gehäuse mit einschiebbarem Deckblech 

O� mals ist es problematisch, Elektronikkomponenten oder Leiterplatten, 

die zum Beispiel mit Steckverbindern, Displays oder Schaltern 

bestückt sind, in ein geschlossenes Gehäuse zu integrieren. 

Für diesen Anwendungsfall hat Fischer Elektronik die moderne 

Gehäuseserie GD entwickelt. Vorteil: Die Baureihe ist durch ein 

montagefreundliches Design mit funktionellen Eigenscha� en gekennzeichnet. 

Die einseitig o� enen, U-förmigen Gehäusepro� le 

verfügen über integrierte Führungsnuten zur Aufnahme von Elektronikkomponenten 

oder Leiterplatten sowie eines einschiebbaren 

Deckbleches, das in seiner Materialstärke variiert werden kann. 

Durch eine mechanische Bearbeitung der Deckbleche lassen sich 

diverse Bauteile wie LCDs oder Steckverbinder problemlos anbringen 

und anschließend gemeinsam in das U-Pro� l einschieben. Die 

Fixierung des Deckbleches oder Kühlkörpers erfolgt durch front- 

und rückseitige Abdeckungen. 

Die auf Bild 3 abgebildete Gehäusefamilie steht standardmäßig 

in vier Größen, sechs Längen (100, 120, 160, 200, 220, 234 mm), 

sowie in zwei Ober� ächenausführungen zur Verfügung. Durch die 

Geometrie des Aluminiumpro� ls kann der Anwender Folientastaturen 

oder Frontfolien einsetzen. Neben den Standardausführun- 

Bild 4: Robuste 

Designgehäuse 

nach Kundenwünschen. 

Bilder: Fischer Elektronik 

gen können die Gehäuse auf Kundenwunsch mechanisch bearbeitet, 

ober� ächenbehandelt und bedruckt werden. 

Mit Kundenmehrwert überzeugen 

Kundenspezi� sche Gehäuselösungen (Bild 4), zum Beispiel aus 

Gründen der Corporate Identity, liegen im Trend, weil die Anforderungen 

an deren Einsatzmöglichkeiten und die im Gehäuse zu 

integrierenden elektronischen Baugruppen immer komplexer werden. 

Perfekte Qualität und Passgenauigkeit durch präzise Fräs- und 

Stanzbearbeitungen jeglicher Art für Anschlüsse, Anzeige- und 

Bedienelemente wie Frontfolien oder Folientastaturen, sind die 

Schnittstelle zur Funktion der eingebauten Elektronik. Nur durch 

den Einsatz modernster CNC-Bearbeitungszentren und Automaten 

lassen sich diese Anforderungen umsetzen, so der Hersteller. 

Je nach den optischen oder haptischen Erfordernissen des Anwenders 

gehören zusätzliche mechanische Ober� ächenbearbeitungen 

wie Schleifen, Polieren und Strahlen, auch nach speziellen 

Strukturbildern, zum Beispiel Korngrößen und Arten, zum Service. 

Das dekorative Ober� ächen� nish erfolgt durch Eloxieren, 

Pulverbeschichten oder Lackieren, wobei die farbliche Gestaltung 

dem Kunden obliegt. Ein Beispiel für eine matte, elastische, kratz- 

und abriebfeste Ober� äche ist Nextel. 

Die visuelle Identi� kation der jeweiligen Einbauelemente, zum 

Beispiel der Regler-, Taster oder Leuchtanzeigen, erfolgt durch unterschiedliche 

Beschri� ungsverfahren mit Sieb-, Tampon- und digitalem 

Eloxaldruck, Gravuren oder YAG-Laser. Alle Methoden 

vermitteln eine hohe Bearbeitungsqualität und die Information 

zur im Gehäuse eingebauten Elektronik. Eine umfangreiche Beratung 

soll geeignete Lösungen und Fertigungsmachbarkeiten gewährleisten. 

(eck) ■ 

Der Autor: Jürgen Harpain ist in der Entwicklung bei Fischer Elektronik in 

Lüdenscheid tätig. 


Bauelemente einhausen und entwärmen 

Nicht nur für die Sicherheit eines elektronischen Bauelements soll 

das Gehäuse sorgen. In das Bauelement selbst werden immer mehr 

Funktionen integriert: Eine Herausforderung an das Wärmemanagement. 

Hier spielen optimale Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit 

eine wichtige Rolle. 


➤ Halle 4A, Stand 408 

30 elektronikJOURNAL 01 / 2012 


Bild: Insys Icom 

Bild: Ixxat 

Einfach geschützt 

VPN-Netze ohne viel Aufwand 

VPN-Konfiguration leicht gemacht: 

Eine zentrale Web-Anwendung 

vereinfacht die Verwaltung der 

verbundenen Geräte. 


Peripherie 

Mit ihrem Connectivity-Service 

bietet Insys Icom eine Kommunikationslösung, 

die das Einrichten 

und Betreiben von sicheren 

VPN-Netzwerken erheblich erleichtern 

soll. Der Anwender legt 

in einem Internet-Portal seine 

Geräte an und konfiguriert das 

VPN. Das System erstellt dann 

Zertifikate und lädt sie automatisch 

herunter. Bei Insys-Industrie 

routern des Typs Moros werden 

die Zertifikate automatisch 

konfiguriert; alternativ ist auch 

der Einsatz von Fremdgeräten 

möglich. Das System erlaubt auch 

den Zugriff auf Endgeräte, etwa für Fernkonfiguration und Fernwartung. 

Nutzer können im Portal Gruppen bilden und Geräte 

diesen Gruppen zuordnen. Anschließend können sie bestimmen, 

ob Verbindungen innerhalb einer Gruppe oder ein-/ausgehende 

Verbindungen zwischen Gruppen zulässig sind. (lei) n 



Yes we CAN 

CAN-Bus per Bluetooth verbinden 

Das CAN-Blue II/Generic bringt 

Bluetooth an den CAN-Bus. Das 

eignet sich für den drahtlosen 

Zugang zum CAN-Netzwerk, oder 

um CAN-Strecken per Funk zu 

koppeln. 

Mit CAN-Blue II/Generic bietet Ixxat ein CAN/Bluetooth-Modul 

für den Bridge- und Gateway-Betrieb an. Embedded-Entwickler 

sparen sich mit diesem externen Modul die aufwändige HF-Integration 

und Zertifizierung. Die Verbindung gelingt drahtlos mittels 

Notebook oder Handheld-Service-Gerät. Die Bluetooth-Kommunikation 

erfolgt über simple ASCII-Befehle und optimierte CAN- 

Binary-Nachrichten, wodurch der Zugriff auch über Nicht-Windows-Systeme 

oder Embedded-Plattformen möglich ist. 

Durch die Kopplung mehrerer CAN-Blue-II/Generic-Geräte 

können Anlagenteile drahtlos vernetzt werden. Der Nachrichtenaustausch 

erfolgt hierbei transparent, wodurch der Einsatz sowohl 

in CAN-Open- und Devicenet-Systemen, als auch in Systemen mit 

kundenspezifischen Protokollen ermöglicht wird. Das Gerät verfügt 

über eine interne Antenne und Montage-Befestigungslöcher, 

benötigt 9 bis 30 VDC mit galvanischer Entkopplung und arbeitet 

im erweiterten Temperaturbereich von -40 bis +70 °C. (lei) n 



Effizienz 

ist Trumpf. 

Unsere neueste Lüftergeneration i-maxx steckt herkömmliche AC-Lüfter locker in die 

Tasche – und das in allen Punkten: enorme Energieeinsparungen bei deutlich besserer 

Luftleistung, dabei nur halb so laut, und mit nur 2 Varianten weltweit bei 50 und 60 Hertz 

in jedem Wechselstromnetz verwendbar. Sie sehen: Der i-maxx spielt alle Stärken der 

ebm-papst GreenTech EC-Technologie voll aus. Und weil wir die intelligente Elektronik 

direkt in den Motor integriert haben, sind die Abmessungen zudem exakt identisch und 

der 1:1-Austausch von AC zu EC völlig problemlos. Übrigens: In seiner Kompaktheit ist 

der i-maxx als energie sparender EC-Lüfter einzigartig am Markt. Es kann eben nur einen 

Supertrumpf geben! www.ebmpapst.com/i-maxx 

® 

Die Wahl der Ingenieure

Die Premiere des Jahres: 

Themenpark „Power Electronics and 

Manufacturing for E-Mobility“ 

Besuchen Sie den Themenpark „Power Electronics and Manufacturing for 

E-Mobility“ auf der PCIM und SMT/Hybrid/Packaging �� in Nürnberg 

Das Thema Elektromobilität stellt die Unternehmen vor 

viele neue Herausforderungen. Im Bereich der Elektronikfertigung, 

in der Leistungselektronik, dem Energiemanagement 

und der Antriebstechnik sind neue, innovative 

Lösungen gefragt. 

Im Rahmen der in diesem Jahr zeitgleich stattfindenden 

Messen PCIM und SMT/Hybrid/Packaging in Nürnberg 

(vom ��.��.�� bis ��.��.��), wird der Hüthig-Verlag in 

Kooperation mit dem Messeveranstalter Mesago erstmals 

einen Themenpark unter dem Motto „Power Electronics 

and Manufacturing for E-Mobility“ veranstalten.

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Ca. �� Aussteller erwarten Sie mit neuen Trends rund 

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Tel. +49 (0) 6221 489-0 

Fax +49 (0) 6221 489-481 

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Module 

Neue Konkurrenz 

Der Markt für Embedded-Module kommt in Bewegung 

Waren ARM-Cores bisher eher im unteren Leistungsbereich angesiedelt und auf ASICs und Mikrocontrollern 

zu finden, so dringen Cortex-A8 und -A9 zusehends in die Welt der x86-Prozessoren vor und wirbeln hier das 

Geschäft mit Embedded-Modulen auf. Ein Überblick. Autor: Wolfgang Heinz-Fischer 

Intel freut sich über ein Rekordjahr 2011: Der Branchenprimus 

konnte das schon sehr gute 2010 nochmals deutlich übertreffen. 

Doch in jüngster Zeit werfen einige negative Entwicklungen 

bei Intel-Chips ihre Schatten auf die Bilanz. So blieben die 

Umsätze mit Atom-Prozessoren hinter den Ergebnissen des Vorjahres 

zurück. Analysten haben prompt einen Trend ausgemacht: 

Die Kunden wenden sich vom Netbook ab und kaufen Tablet-PCs. 

In diesen rechnet in der Mehrheit aber ein ARM-Prozessor. 

Auch in anderen Applikationen drängen ARM-CPUs Schritt für 

Schritt in angestammte Intel-Märkte vor. Der Trend ist selbst im 

Embedded-Sektor spürbar. Die etablierten x86-Embedded-Modul-Anbieter 

stellen sich der Herausforderung und präsentieren 

Modullösungen mit ARM-Prozessoren. Die Idee ist nicht neu und 

es wurde schon mehrmals ohne Erfolg versucht, sie umzusetzen – 

die neuen Ansätze scheinen jedoch erfolgversprechender, stehen 

doch hinter den Ideen nicht einzelne Firmen, sondern ganze Interessengruppen. 

Bisher waren ARM-Prozessoren, wie ARM9 oder 

ARM11 in der Leistung und in den Schnittstellen 

weit weg von der x86-Welt. Jeder Chiphersteller 

brachte sein spezielles Derivat für spe zielle Applikationen 

auf den Markt. In den Stückzahlen 

ist der Low-End-ARM-Prozessormarkt auch entsprechend 

weit weg von den Stückzahlen von x86-Anwendungen, 

speziell in der Industrie. Auf der Modulanbieterseite 

finden sich entsprechend viele Anbieter, die spezielle Märkte 

adressieren und nie zu einem Standard gefunden haben. 

Da sich ARM-Prozessoren deutlich untereinander und von x86- 

Prozessoren unterscheiden, ist eine Standardisierung kaum möglich 

oder sinnvoll. Alle Ansätze einzelner Anbieter führen letztendlich zu 

erheblichen funktionalen Einschränkungen auf dem Modul. Versuche, 

ARM9- oder ARM11-Prozessoren auf eine x86-Modulplattform 

zu bringen, haben entweder die x86-Standardvorgaben erheblich 

verletzt oder den Platz- und Stromverbrauchsvorteil 

des ARM-Prozessors verspielt, weil Zusatzchips nötig waren. 

Es gibt viele Gründe für die etablierten x86-Modulanbieter, 

diesen Marktbereich zu ignorieren. 

Aufholjagd 

Mit der Vorstellung der Cortex-A8- und Cortex- 

A9-Prozessoren ändert sich das Bild jetzt erheblich. 

So haben die ARM Cortex-A8-Prozessoren 

mit den bekanntesten Vertretern Texas 

Bild fotolia: @ imageteam 




Module 

Instruments OMAP35xx und Freescale i.MX5x eine deutlich 

verbesserte Gra� k: Au� ösung und Anzahl der Gra� kschnittstellen 

nähern sich der x86-Welt. Die typischen x86- 

Schnittstellen wie USB-OTG und -Host, Fast Ethernet und 

MMC/SD sind selbstverständlich. Cortex-A8-Prozessoren sind 

damit schon erheblich näher an Low-End-x86-CPUs und werden 

für typische x86-Anwendungen interessant. Praktischerweise besitzen 

sie weiterhin die klassischen Industrieschnittstellen wie 

CAN, UART, I2C und GPIO. Das vereinfacht den Einsatz in Industrie-Applikationen. 

Die Annäherung an die x86-Welt hat die ersten x86-Modulanbieter 

auf den Plan gerufen. Die ersten Qseven-Module mit ARM- 

Cortex-A8-Prozessoren sind am Markt erhältlich. Auch wenn die 

ursprünglichen Qseven-Spezi� kationen unter anderem mit PCI 

Express und Gigabit-Ethernet nicht eingehalten werden, ist dies 

ein erster Standardisierungsversuch in der ARM-Prozessorwelt. 

Die Qseven-Spezi� kationen wurden in der Version 1.2 auf die 

ARM-Anforderungen angepasst. 


ARM gegen Atom 

Mit den leistungsfähigen Prozessoren Cortex-A8 und -A9 eignet sich 

ARM-Architektur zusehends für Aufgaben, die bisher den x86-CPUs 

vorbehalten waren. Prompt gibt es zwei aussichtsreiche Vorschläge 

für Standard-Module: Qseven und Kontron ARM Architecture. 



CAN wird wireless 

Das neue 

CANblue II/Generic 

Ideal für den mobilen CAN- 

Zugang und die drahtlose Kopplung 

von Komponenten und Systemen 

Kompakte und robuste Bauform 

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Datendurchsatz bei 1 MBit/s 

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Service-Bereich ermöglicht es den einfachen Zugang 

zu CAN-Netzwerken über eine drahtlose Verbindung 

mittels Notebook oder Hand-held Service-Gerät. 

Durch die Kopplung von mehreren CANblue II/Generic 

Geräten können Anlagenteile auf einfache Art 

drahtlos vernetzt werden. Dies ist besonders interessant 

in Systemen mit mobilen Komponenten oder 

rotierenden Teilen. 

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Module 

Der Modulmarkt für Cortex-A8 im Überblick: Ein TQ-Modul mit dem Freescale 

i.MX32 (dunkelgrün), Qseven (weiß) und die beiden Varianten der Kontron 

ARM Architecture Platform (blau). Die aus dem x86-Umfeld stammenden 

Standard-Formate sind sichtbar größer als bisherige ARM-Module. 

Gleichstand mit Atom 

Spätestens mit den kommenden Cortex-A9-Prozessoren haben die 

ARM-CPUs mit Low-End-x86-Prozessoren in der Leistung gleichgezogen, 

wenn nicht gar überflügelt. Ein wesentlicher Entscheidungspunkt 

für den Anwender sind außerdem die deutlich geringere 

Verlustleistung und der kleinere Platzbedarf für die Ein-Chip- 

ARM-Lösung. Es ist jedoch zu erwarten, dass Intel alle Anstrengungen 

unternimmt, um hier zu kontern. 

Die beiden angekündigten Vertreter der führenden ARM-Prozessoranbieter 

sind Texas Instruments OMAP44xx und Freescale 

i.MX 6. Zu deren wesentlichen Entwicklungsfortschritten gehören 

eine deutlich verbesserten Grafik bis zu Full HD, HDMI-Schnittstellen, 

Unterstützung von bis zu vier unterschiedlichen Displays, 

Gigabit-Ethernet und PCI Express. Die Standard-x86-Schnittstellen 

sind somit auch in der ARM-Welt präsent. Auch Multi-Core ist 

kein Fremdwort mehr bei ARM-Prozessoren. War bei den Low- 

End-ARM-Prozessoren nur ein geringer Teil der Schnittstellen 

gleich bei unterschiedlichen Anbietern, ist im Cortex-A9-Angebot 

eine Ähnlichkeit unverkennbar. 

Standard-Module mit ARM 

Die hohe Performance und die von x86 bekannten Schnittstellen 

ermöglichen den Einsatz von ARM in Applikationen, die bisher 

typischerweise von x86-Systemen besetzt waren. Das ruft die etablierten 

x86-Modulanbieter auf den Plan. Aus den Erfahrungen und 

dem Erfolg im x86-Markt mit ETX, XTX, COM Express und Qseven, 

die etablierten Standards oder De-facto-Standards, liegt es 

nahe, auch im ARM-Modulmarkt nach Standards zu suchen. Wie 

nicht anders zu erwarten, sind die treibenden Kräfte hinter den 

x86-Standards auch die treibenden Kräfte hinter den Vorschlägen 

für den ARM-Modulmarkt. Zwei Ansätze sind im Markt sichtbar: 

Qseven und Kontron ARM Architecture. 

Vergleicht man beide De-facto-Standards, sind einige wesentliche 

Unterschiede auf den ersten Blick sichtbar. Ein entscheidendes 

Merkmal ist sicher die Board-Größe. Hier liegt das Kontron-System 

mit 82 x 50 mm (4100 mm²) vor dem Qseven-Format mit 

70 x 70 mm (4900 mm²). Die größere Kontron-Variante mit 

82 x 80 mm (6560 mm²) ist vorgesehen für künftige leistungsstär- 

Der Größenvergleich eines klassischen ARM9-Moduls (TQMa28 mit Freescale 

i.MX28 von TQ) mit der kleinen Ausprägung der Kontron ARM Architecture 

zeigt, wie viel mehr Platz auf der Standard-Platine verfügbar ist. Entsprechend 

mehr Signale sind per Steckverbinder verfügbar. 

kere Prozessoren, deren Abwärme über das kleinere Format gar 

nicht mehr sinnvoll abzuführen wäre. 

Stecker-Frage 

Entscheidend ist auch das Stecksystem. Das bei Qseven eingesetzte 

MXM hat 230 Pins bei einem Pin-Abstand von 0,5 mm. Bei der 

Frage, ob sich dieses System für eine raue Industrieumgebung eignet, 

gehen die Meinungen weit auseinander. Der Kontron-Vorschlag 

setzt auf einen MXM3.0-Stecker mit 314 Pins und einem 

Pin-Abstand von 0,5 mm. Dieses System ist in einer besonders 

Schock- und vibrationsfesten Version verfügbar sowie in einer besonders 

flachen Bauform lieferbar. Damit kommt es auch für sehr 

kompakte Geräte in Frage, die wie ein iPad aussehen könnten. 

Bei der Pinzahl ist klar, dass ein Kontron-System mehr Signale 

zur Verfügung stellen kann als ein entsprechendes Qseven-Modul. 

TI oder Freescale Cortex-A9-Prozessor könnten in der Applikation 

bis zu 300 oder 320 Signale bereitstellen. Weder das Qseven- 

noch das Kontron-System haben dazu ausreichend viele Pins. Es 

bleiben immer einige Signale übrig, die nicht über das Steckersystem 

verfügbar sind. Die Kunst der finalen Definition wird also darin 

liegen, die richtigen und wichtigen Signale im De-facto-Standard 

festzulegen. Hoffentlich berücksichtigt die Definition auch 

zukünftige Schnittstellen der nächsten Prozessorgeneration. 

Spannende Entwicklungen 

TQ ist schon lange im ARM-Modulmarkt tätig und wird die Entwicklungen 

und Standardisierungsbestrebungen sorgfältig beobachten. 

Der Weg zu einem universellem TQ-ARM-Modul, das alle 

Signale zur Verfügung stellt und optimiert auf die Baugröße entwickelt 

wird, die höchstmögliche Integration mit höchstem Speicherausbau 

realisiert, absolut robust und damit auch für anspruchsvolle 

Industrieanwendungen geeignet ist und für 10 bis 15 Jahre lieferbar 

ist, bleibt aber weiterhin offen. Die endgültige Richtung wird 

der Markt zeigen. (lei) n 

Der Autor: Wolfgang Heinz-Fischer ist Leiter Marketing und PR 

bei der TQ-Group in Seefeld nahe München. 



Bilder: TQ

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Module 

Neue Typen braucht das Land 

Die COM-Express-Spezifikation 2.0 enthält neue Interfaces 

Die Welt entwickelt sich und mit ihr die Elektronik. Heute gibt es Technologie, die es bei der ersten Veröffentlichung 

der COM-Express-Spezifikation noch gar nicht gab. Zeit also, nach sechs Jahren Version 2.0 freizugeben. 

Unser Beitrag fokussiert die wichtigsten Neuerungen. Autor: Robert Söldenwagner 

Bild 1: Das COM- 

Express-Konzept besteht 

aus einem Computermodul 

und einem Carrier-Board. 

Die PICMG, ein Konsortium mit mehr als 200 Technologieunternehmen, 

pflegt unter anderem die COM-Express-Spezifikation. 

Die große Mitgliederzahl sorgt für 

hohe Stabilität – nach sechs Jahren wurde die Spezifikation 

jetzt erstmals verändert. Grund dafür sind neue Technologien, 

die bei der ursprünglichen Veröffentlichung noch nicht verfügbar 

waren. Die neue Version soll diese neuen Technologien zukunftssicher 

auf ein Modulkonzept bringen, ohne die Rückwärtskompatibilität 

aufzugeben. 

Neben den bisherigen Pinout-Typen 1 bis 5 spezifiziert COM 

Express 2.0 die beiden neuen mit den Nummern 6 und 10. Sie basieren 

auf den Typen 1 und 2, sind aber absichtlich neu definiert, 

um die Kompatibilität mit alten Designs zu wahren. Der Typ 10 

ergänzt Typ 1 mit einem DDI (Digital Display Interface) für 

HDMI/Displayport. Dafür mussten im Vergleich zum Typ 1 der 

halbe LVDS-Port (nur noch einmal 24 Bit) und der VGA-Ausgang 

entfallen. Außerdem stehen nur noch vier PCI-Express-Lanes und 

zwei SATA-Ports zur Verfügung. Typ-10-Module können nicht auf 

einem Typ-1-Carrier-Board verwendet werden. 

Viele neue Interfaces 

Der neue Typ 6 baut auf dem erfolgreichen Typ 2 auf und wird 

diesen auf lange Sicht ersetzen. An der AB-Steckerreihe hat es 

kaum Veränderungen gegeben, es sind lediglich ein paar bisher reservierte 

Pins mit neuen Signalen für UART, FAN, Lid, Sleep und 

TPM belegt worden. An den Signalbelegungen des CD-Steckers 

wurden zahlreiche grundlegende Änderungen vorgenommen. So 

wurden die alten, parallelen Interfaces wie PCI-Bus und IDE ersetzt 

durch zahlreiche neue Schnittstellen: 

■ Vier USB-3.0-Interfaces. 

Drei DDI (Digital Display Interface). 

■ Zwei zusätzliche PCIe-2.0-Lanes. 

■ 

Bild 2: Das Conga-TS67 

COM.0R2.0 Typ-6-Modul basiert 

auf der zweiten Generation der 

Intel Core-i7-Prozessoren. 

Mit den DDIs stehen Videosignale als serielle, differenzielle Signale 

bereit. Der neue Typ 6 unterstützt bis zu drei DDIs: Der erste 

kann wahlweise als SDVO, Displayport oder TMDS dienen, die 

beiden weiteren lassen sich nur als TMDS oder Displayport konfigurieren. 

Damit ist es zum ersten Mal möglich, drei identische 

Display-Interfaces von einem COM-Express-Modul zu speisen. Je 

nach verwendetem Stecker wird der TMDS zu einem HDMI- oder 

einem DVI-Port. Damit ist der bisherige TV-Out-Anschluss hinfällig 

und wird in Spezifikation 2.0 auch nicht mehr unterstützt. 

Schon beim Typ 2 konnten die DDIs genutzt werden, ohne die 

COM-Express-Spezifikation 1.0 zu verletzen. Wenn der PEG-Port 

(PCIe Graphics) im Grafik-Modus für SDVO-Ausgabe geschaltet 

ist, werden an den in diesem Modus freien Pins automatisch durch 

den Chipsatz bedingt DDI-Signale ausgegeben. Typ-6-Module, 

wie das Conga-TS67, haben dedizierte Pins für die DDIs und können 

damit parallel auch den PEG-Port nutzen. 

Baugrößen und Stecker 

Die Revision 1.0 definiert zwei unterschiedliche Größen für Module: 

Basic (125 x 95 mm) und Extended (155 x 110 mm). Die sehr 

selten angebotenen Extended-Module eignen sich für sehr stromhungrige 

Module, zum Beispiel mit Server-Chipsätzen. Die weit 

verbreitete Basic-Variante wird hingegen für stromsparende Embedded-Prozessoren 

verwendet. Kurz nach der Veröffentlichung 

der Revision 1.0 haben zahlreiche Hersteller, darunter auch Congatec, 

eine mechanisch kleinere Version entwickelt, den so genannten 

Compact mit nur 95 x 95 mm. Dieser außerhalb des 

PICMG entstandene Formfaktor wurde jetzt offiziell in die Spezifikation 

2.0 aufgenommen. Der Compact vereinfacht die Integration 

stromsparender Module bei klein bauenden Systemen. 

Mit der neuen Revision werden zwei weitere COM-Express-Lanes 

unterstützt. Alle acht PCI-Lanes sowie die 16 Lanes des PEG- 



Bild: Congatec

Ports können jetzt auch als PCI Express 

2.0 verwendet werden. Die 

Bandbreite pro Lane hat sich damit 

auf 500 MByte/s verdoppelt. Zusätzliche 

Signale sind nicht notwendig, aber 

beim Design des Carrier-Boards ist 

durch die Verdoppelung der Signalfrequenz möglicherweise eine 

Anpassung notwendig. Die Firmware (BIOS oder UEFI) kann optional 

auch vom Carrier-Board geladen werden. Bisher war das 

nur per LPC-Bus möglich – neu ist die Einführung des SPI-Busses 

(Serial Peripheral Interface). SPI-Flash-Bausteine sind preisgünstiger 

und in höheren Kapazitäten erhältlich. 

Obwohl USB 3.0 schon 2008 de� niert wurde, beginnt die breite 

Umsetzung erst jetzt. USB 3.0 braucht zusätzliche Signale, um eine 

Erhöhung der Bandbreite auf 5 GBit/s zu erreichen. Pro Port werden 

zwei zusätzliche di� erenzielle Paare benötigt: Superspeed-TX 

und -RX. Statt bisher maximal 500 mA dürfen externe Geräte bei 

USB 3.0 bis zu 800 mA Strom ziehen. Beim Typ 6 können bis zu 

vier der acht USB-Ports als USB 3.0 ausgeführt werden. Zusätzliche 

Ports können auf dem Carrier-Board mit zusätzlichen Controllern 

realisiert werden. 

EAPI: Embedded Application Programming Interface 

Neben der reinen Hardware beschreibt die neue COM-Express- 

Spezi� kation auch ein So� wareinterface für spezielle industrielle 

Interfaces. Bei Verwendung des EAPI (Embedded Application 

Programming Interface) wird die Austauschbarkeit zwischen Modulen 

unterschiedlicher Hersteller weiter verbessert, da die Anwendungsso� 

ware nicht auf unterschiedliche So� ware-Interfaces 

angepasst werden muss. Folgende Funktionen umfasst das EAPI: 

■ Systeminformation 

■ Watchdog-Timer 

I 

■ 2 C-Bus 

■ Flatpanel-Helligkeit 

PCIM_2012_ANZ_D_210x105 ■ User Storage im 06.10.11 Firmware-Flash 18:22 Seite 1 

GPIO 

■ 

Bild 3: Der Größenvergleich Basic und 

Compact (mit Bohrungslöchern) zeigt, wie 

viel Platz dieser Formfaktor spart. 


Leistungsstark? …dann sind Sie hier richtig! 

Module 

Das EAPI kann neben COM-Express auch für zahlreiche andere 

Formfaktoren verwendet werden, zum Beispiel Qseven, ETX und 

XTX. Neben der Spezi� kation wurde innerhalb der PICMG auch 

ein Design Guide entwickelt. Dieses 160 Seiten starke Dokument 

beschreibt alle COM-Express-Interfaces und zeigt zahlreiche erprobte 

Schaltungsbeispiele. Damit können kundenspezi� sche Carrier-Boards 

in deutlich kürzerer Zeit entwickelt werden. Der Design 

Guide ist kostenlos auf der Website der PICMG erhältich. 

Was bringt die Zukunft? 

Computertechnologien entwickeln sich rasend schnell und die 

COM-Express-Spezi� kation passt sich an, ohne ihre Stabilität einzubüßen. 

Noch im ersten Halbjahr 2012 wird ein weiteres Update 

der Spezi� kation auf Revision 2.1. erwartet. Dabei handelt es sich 

nur um kleinere Änderungen und Korrekturen. Dieses Release 

wird auf das sich abzeichnende Ende der VGA- und LVDS-Schnittstellen 

reagieren und noch kleinere Module ermöglichen. 

Die neuen Typen 6 und 10 bieten modernen Display-Support. 

Typ 6 punktet darüber hinaus mit bis zu vier USB-3.0-Ports, PEG- 

Port und PCIe x8 in der schnellen 5-GHz-Version. Die Typen 1 bis 

5 wurden nur minimal angepasst und sind auch weiterhin rückwärtskompatibel. 

Die o� zielle Aufnahme des Compact-Formfaktors 

in die Spezi� kation ist eine logische Konsequenz der Marktgegebenheiten 

und kommt genau zum richtigen Zeitpunkt. (lei) ■ 

Der Autor: Robert Söldenwagner ist Hardwareentwickler 

für COM-Express Typ 6 bei Congatec in Deggendorf. 

Modernisierung 

Heute braucht kaum jemand einen S-Video-Ausgang, dafür sind DVI, 

HDMI und Displayport gefragt sowie Multi-Display-Fähigkeit. Im Kommen 

ist außerdem USB 3.0 und viele Anwendungen brauchen zusätzliche 

PCI-Lanes. All das rüstet COM-Express 2.0 in neuen Typen nach 

und bietet zudem einen Standard für Software-Schnittstellen. 

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Module 

Mit offenen ARMen 

ARM-Implementierungen mit Standards aus der x86-Welt 

Kontron kennt man als Board- und Systemhersteller für x86er-Technologie. Jetzt will die Firma auch ARM- 

Prozessoren von Nvidia oder TI unterstützen. Der Clou: Durch Standardisierung sollen Anwender ihre vorhandenen 

Entwicklungen auch mit ARM nutzen können. Kontron unterstützt sie mit Custom-Design-Services 

und Integrationssupport für Software. 

ARM-CPUs sind seit Jahren für Set-Top-Boxen, Receiver, 

Switches oder weiße Ware etabliert. Entsprechend verbreitet 

sind passende Boards und Systeme. Deren Hersteller 

bieten in der Regel Evaluierungsboards als Einstiegsplattformen 

an und für die spezi� sche Umsetzung des Designs 

dann weitere Entwicklungsdienstleistungen. O� geht es dabei um 

ein Full-Custom-Design, denn viele dieser Lösungen werden in 

besonders großen Stückzahlen abgesetzt. Das Ökosystem funktioniert 

wunderbar. Allerdings verschmelzen derzeit die Technologien 

für Consumer Electronics (CE) und Informationstechnologien 

(IT): Die im CE-Bereich verbreiteten ARM-Prozessoren nähern 

sich der Leistungsfähigkeit eines PCs und bieten sogar eine ähnlich 

ansprechende Gra� k. Der Funktionsumfang mag zwar kleiner 

sein, dafür brauchen sie auch nur 1 bis 3 W. Der enorme Absatz 

von Tablet-PCs belegt diesen Trend. 

Auf dem Weg in die PC-Klasse dringt ARM auch in das Segment 

der langzeitverfügbaren, robusten Embedded-Lösungen vor. Hier 

hat sich für x86er-Systeme längst ein eigenes Ökosystem gebildet 

mit standardisierten Formfaktoren, die eine Wiederbescha� ung 

sicherstellen sowie Langzeitverfügbarkeit, Skalierbarkeit und Herstellerunabhängigkeit 

bieten. Exakt diese Vorteile will Kontron 

auch Kunden gewähren, die auf ARM setzen. 

Bild fotolia: @ Yuri Arcurs 

40 elektronikJOURNAL 01 / 2012 

Standardisierte Formfaktoren 

Bereits angekündigt hat Kontron Mini-ITX- und Pico-ITX-Motherboards 

(Bild 1) mit neuester ARM-Prozessortechnologie. Außerdem 

präsentiert der Embedded-Spezialist einen neuen Module-Standard, 

der speziell auf mobile Ultra-Low-Power-ARM- und 

SoC-Implementierungen abzielt (Bild 2). 

Klar ist, dass ARM und Intel unterschiedliche So� ware voraussetzen. 

Ein einheitliches Betriebssystem auf beiden Plattformen 

kann, zusammen mit vereinheitlichten Boards, diese Unterschiede 

aber auf ein simples Re-Compilieren der Applikationen reduzieren. 

OEM-Kunden, die ein Standardsystem skalieren wollen, ange- 


Alte Tugenden zählen 

Kontron will beim Einstieg in die ARM-Welt die Tugenden der x86- 

Embedded-Systeme weiterführen. Dazu hat der Hersteller einen eigenen 

Standard entwickelt, der es erlaubt, Systeme vom stromsparenden 

ARM bis zum leistungsfähigen Intel Core i7 zu skalieren. 




Bilder: Kontron 

fangen bei extrem stromsparenden ARM-CPUs bis hin zu leistungsstarken 

Intel Core-i7-Prozessoren, könnten beispielsweise 

mit Mini-ITX die passende Standard-Hardware-Basis erhalten. Ihre 

Steuerungsrechner oder Panel-PCs könnten sie dann je nach 

Anforderung jeweils mit einem Standardboard in der passenden 

Leistungsklasse bestücken. 

Genau auf solche Applikationen zielt das Standardisierungsprogramm 

ab. Damit das auch in der Realität klappt, muss der Hardware-Hersteller 

Treiber und Hardwareabstraktionen in den Betriebssystemen 

liefern und einen standardisierten So� ware-Zugri� 

auf die Hardware bereitstellen. Die zugrundeliegende Hardware- 

Technologie rückt dann zunehmend in den Hintergrund. 

Reduzierte Entwicklungsaufwendungen 

Wer auf einen einzigen Lieferanten für alle Plattformen setzt, erhält 

quasi als Nebene� ekt standardisierte Entwicklungsumgebungen 

und Werkzeuge - auch bei einem heterogenen Produktportfolio. 

Das Angebot aus einem Haus ist zumeist standardisiert. Das 

erleichtert die Arbeit beim OEM, spart Kosten und minimiert Entwicklungsrisiken. 

Entwickler des einen Systems können rasch auch 

in den Au� au eines anderen Systems einsteigen, so dass sich die 

hausinternen Ressourcen besser ausbalancieren lassen. 

Dennoch wird es auch kün� ig noch Unterschiede geben, denn 

wäre x86er-Technologie 1:1 mit ARM Technologie vergleichbar, 

dann wäre der Markt sowohl von dem Prozessorangebot wie auch 

vom Service-Portfolio längst verschmolzen und vereinheitlicht. 

ARM wird immer auch ein eigenständiger Markt für (Full-)Cus- 

Infokasten 


Module 

Bild 1: Norbert Hauser , 

Executive Vice President 

Marketing bei Kontron in 

Eching freut sich auf künftige 

Prozessor-Module: „Die 

ARM-Angebote von Kontron 

werden die x86er-Technologie 

erfolgreich ergänzen. 

Zielapplikationen sehen wir 

im mobilen Bereich sowie in 

Ultra-Low-Power-Applikationen 

mit ansprechender 

Grafi k.“ 

ARM an Board 

Das passiv gekühlte Pico-ITX-Board mit Nvidia Tegra 2 (Bild 3) braucht nur 3 W. Neben 10/100 MBit Ethernet 

befi nden sich drei USB-2.0-Ports und 16 frei konfi gurierbare GPIO auf dem Mini-Board. Dazu kommen 

ein Steckplatz für Micro-SD-Karten sowie 512 MByte oder 1 GByte 32-Bit-DDR2-Arbeitsspeicher. Die integrierte 

Ultra-Low-Power-GPU Nvidia Geforce liefert ihre Grafi kperformance für mobile Devices in hochwertiger 

Spielkonsolen-Qualität und gibt bis zu zwei HD-Videostreams (1080 p) gleichzeitig aus. Displays fi nden 

Anschluss über DVI-I für analoge und digitale Signalübermittlung sowie über DSI und einen 24-Bit- 

LVDS-Konverter. Für Backlight-Support stehen 5 V intern oder 12 V extern zur Auswahl. Audio wird mit 

SPDIF, Stereo-Line-in und Line-out sowie MIC unterstützt. Umfassende Hardwarebeschleuniger für Flash 

und Video-Audio-Codecs sorgen für fl üssige Wiedergabe von Multimedia- und Webinhalten. 

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Module 

Bild 2: Mit dem neuen ARM-Modulstandard mit flachem Edge-Card-Connector 

für „Low-power Embedded Architecture Platforms“ hat Kontron die 

technologische Basis für individuelle Carrierboard-Designs geschaffen. 

tom-Designs bleiben: Es wird weiterhin sehr dedizierte Prozessoren 

geben. Außerdem sind Full-Custom-Designs auch für viele 

Systeme nötig, die PC-nahe Funktionalität erhalten sollen. 

Standardisierung und Custom-Design-Kompetenz 

Die Position von Kontron im ARM-Umfeld umreißt Norbert Hauser, 

Executive Vice President Marketing bei Kontron: „Rund um 

diese neuen Prozessorgenerationen steht nun mit Kontron ein 

weltweit führender Anbieter im Markt, der die Schlagkraft eines 

Unternehmens mit sich bringt, das über 570 Millionen Euro Umsatz 

mit Embedded-Computern erzielt. Dies erwirtschaften wir 

mit Großkundenprojekten sowie mit standardisierten Baugruppen 

und Systemen. Und auf Basis dieses Angebots, das beispielsweise 

Module umfasst, die über Carrierboards ihre spezifische Erweiterung 

erlangen, sowie Full-Custom-Designs auf Board und Systemlevel, 

will Kontron den ARM-Markt verändern. Vorteilhaft ist für 

OEM-Kunden dabei, dass bei den serienreifen Produkten bereits 

eine enorme Vorarbeit geleistet wurde, sodass die Gesamtlösung 

deutlich über dem Niveau generischer, R&D-tauglicher Evaluation-Boards 

zur Funktionsvalidierung hinausreicht.“ 

Entsprechende Ressourcen stellt Kontron längst im Bereich 

Boards & More für Computer-on-Module-Designs mit Carrierboards 

zur Verfügung, genau so wie in allen Unternehmensbereichen, 

die kundenspezifische Designs von Standard-Produkten anbieten. 

Norbert Hauser betont: „Module und Motherboards werden 

übrigens an den gleichen Standorten entwickelt, an denen 

auch die x86er-Lösungen entstehen. Insofern können OEM-Kunden 

von exakt dieser langjährigen Expertise auch bei ihren ARM- 

Designs profitieren.“ 

Software gewinnt an Bedeutung 

Um Entwicklern den Einstieg in die PC-nahe ARM-Technologie 

zu erleichtern, bietet Kontron auch umfassende Softwareservices 

an. Für Norbert Hauser ist das auch nötig: „Der Aufwand ist, beispielsweise 

in Hinblick auf die Betriebssystemintegration, mitunter 

beachtlich.“ Als Beispiel nennt er Android, das plattformübergreifend 

ein einheitliches Look & Feel liefert. Für jeden ARM-Prozessor 

müssen dazu aber einige Voraussetzungen geschaffen werden. 

Ein ARM-optimierter Linux-Kernel braucht beispielsweise 

Treiber für die gewünschte Peripherie sowie diverse verschiedene 

Patches für den Betrieb von Android. 

Bild 3: Kontron entwickelt derzeit ein kompaktes Pico-ITX-Board (Small 

Form Factor, 100 mm x 72 mm) mit dem 1 GHz schnellen Dual-Core- 

Prozessor Nvidia Tegra 2. 

Auf dieser Basis wird das Anwendungsframework von Android 

aufgesetzt. Dieses bietet über verschiedene Geräte hinweg ein einheitliches 

Look and Feel. Das erreicht Android, indem es einen 

Hardware Abstraction Layer (HAL) integriert, welcher dem Anwendungsframework 

die Schnittstellen zur Hardware in Form von 

abstrahierten Modulen präsentiert. Voraussetzung hierfür ist jedoch, 

dass die Hersteller der ARM-basierten Hardware gewährleisten, 

dass alle Komponenten jeweils als HAL-Module für die 

Software-Ebene verfügbar gemacht und im Anwendungsframework 

verankert werden. ARM-Hardwareplattform werden deshalb 

bei Kontron nicht mehr als Barebone, sondern zunehmend mit 

dem passenden Software-Support und bei Bedarf inklusive Lizenzen 

ausgeliefert. 

Auf die Gesamtleistung kommt es an 

„Viele dieser Angebote werden auch etablierte Designhäuser aufweisen 

können“, orakelt Norbert Hauser, und ergänzt: „Letztlich ist 

jedoch die Gesamtleistung des Lieferanten für den Kunden entscheidend. 

Kontron positioniert sich in diesem Bereich zwischen 

den Designhäusern, die OEM-Kunden keine Produktionsleistungen 

und kaum Lifecycle-Management-Lösungen anbieten können, 

und den asiatischen ODM-Anbietern, die Designs als Einstieg für 

die Produktion sehen und durch Massenfertigungen ihr Geld verdienen.“ 

Kontron setzt bei ARM also auf das gleiche Angebot wie 

in der x86er-Technologie. Hier geht es um Stückzahlen, die so groß 

sind, dass sie beispielsweise eine Fertigung in Asien rechtfertigen 

(Kontron unterhält eine solche in Malaysia), aber noch lange keine 

Massenware darstellen, die einmal aufgelegt, über wenige Monate 

produziert und dann wieder ad acta gelegt wird. 

Vom Einstieg in die ARM-Welt verspricht sich Norbert Hauser 

viel: „Gerade weil das Produkt- und Service-Angebot optimal zusammenpassen 

und Full-Custom-Design-Kompetenz sowie ein 

umfassendes Projekt- und Product-Lifecycle-Management beinhalten, 

erwartet Kontron, bei ARM-basierenden Embedded-Lösungen 

sehr schnell Fuß fassen zu können und sich als einer der 

führenden Plattformanbieter etablieren zu können. Die technologische 

Basis haben wir bereits durch die zur Embedded World zu 

erwartenden Produktdesigns geschaffen.“ (lei) n 

Der Beitrag basiert auf Textvorlagen von Norbert Hauser, Executive Vice 

President Marketing bei Kontron in Eching. 



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Bild: LVDESIGN/fotolia.com

Safety 

Nur keine Unfälle 

Embedded-Software konform zu Safety-Normen entwickeln 

Sensoren, Aktoren und Mikrocontroller ersetzen ehemals elektromechanisch gelöste Sicherheitsfunktionen. 

Hier kümmert sich Embedded-Software um die Abstimmung und Steuerung. Klar, dass sich die Programmierer an 

Normen und Sicherheitsstandards halten müssen. Dazu brauchen sie passende Prozesse und Tools: Helbling 

Technik beschreibt, mit welchen Werkzeugen ihre Entwickler arbeiten. Autor: Martin Eisenmann 

Egal ob im Auto, in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik, 

Automatisierung, Robotik oder der Bahntechnik: 

Immer mehr Anwendungen nutzen Embedded-Software 

für sicherheitskritische Funktionen. Die hohe Flexibilität, 

einfache Änderbarkeit sowie die Update-Möglichkeit im Feld 

macht diese attraktiv, birgt aber auch Risiken. Hastige Änderungen 

und komplexe Software-Module können zu schwer erkennbaren 

Fehlern führen. 

Auch Bedienungsfehler, ausgefallene Bauteile oder den Betrieb 

jenseits gültiger Umgebungsbedingungen müssen die Software- 

Entwickler berücksichtigen. Undefinierte Abstürze gilt es zu verhindern: 

Das System muss immer in einen für den Betroffenen sicheren 

Zustand münden. 

Um diese Sicherheit zu gewährleisten, stellen einschlägige Normen 

hohe Anforderungen an die Qualität der Entwicklungsprozesse 

und Dokumentation. Es genügt nicht, sorgfältig zu implementieren 

und umfassend zu testen. Vielmehr müssen im Qualitätsmanagement 

die kompletten Softwareentwicklungs- und Änderungsprozesse 

klar definiert und durchgeführt werden. 

Bild fotolia: @blas 

Normative Anforderungen 

Mit der IEC 61508 wurde bereits 1998 eine grundlegende Norm 

für die Entwicklung sicherheitskritischer, programmierbarer elektronischer 

Systeme geschaffen. Sie erstreckt sich über den kompletten 

Lebenszyklus: von der Konzeption über die Entwicklung, Inbetriebnahme 

und Modifikation bis hin zur Außerbetriebnahme. 

Um herauszufinden, welche Maßnahmen erforderlich sind, wird 

im Rahmen einer Risikoanalyse die Sicherheitsanforderungsstufe 

ermittelt (Safety Integrity Level, SIL1 bis SIL4). 

Teil 3 der Norm IEC 61508 beschreibt den Software-Lebenszyklus 

und schlägt Techniken und Verfahren vor, wie sicherheitsrelevante 

Softwaremodule entworfen und dokumentiert sein sollten. 

Alle Tätigkeiten und Ergebnisse müssen dokumentiert werden. 

Zahlreiche Normen für spezielle Anwendungsbereiche ergänzen 

diese anwendungsunabhängige Basisnorm (siehe Infokasten „Ergänzende 

Normen“). Zusätzlich existieren länderspezifische Regelwerke, 

etwa die „Guidance for the Content of Premarket Submissions 

for Software Contained in Medical Devices“ der US-amerikanischen 

Food and Drug Administration (FDA). Diese Regelungen 





Safety 

Bild 1: Beim V-Modell steht jeder Designphase (links) eine entsprechende Testphase gegenüber (rechts). 

Bild 2: Helbling Technik setzt auf eine verzahnte Tool-Kette. Zum Beispiel kann das Bug-Tracking-Tool 

Trac auch auf die Versionsverwaltung SVN zugreifen, etwa beim Beheben eines Fehlers oder beim Umsetzen 

einer Anforderung direkt das Change-Set verlinken. 

Infokasten 

Ergänzende Normen 

IEC 61511: Funktionale Sicherheit. Sicherheitstechnische Systeme für die Prozessindustrie. 

Teil 1: Allgemeines, Begriffe, Anforderungen an Systeme, Software und Hardware. 

IEC 62061: Sicherheit von Maschinen. Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektrischer, 

elektronischer und programmierbarer elektronischer Steuerungssysteme. 

IEC 60601: Medizinische elektrische Geräte. Allgemeine Festlegungen für die Sicherheit. 

EN 60601-1-4: Medizinische elektrische Geräte. Teil 1-4: Allgemeine Festlegungen für die Sicherheit; 

Ergänzungsnorm: Programmierbare elektrische medizinische Systeme. 

DIN EN 62304: Medizingeräte-Software. Software-Lebenszyklus-Prozesse. 

FDIS 26262: Road Vehicles. Functional Safety (löst die IEC 61508 für die Automobilindustrie ab). 

Die passenden Werkzeuge 

Ein sinnvoll und gut gefüllter Werkzeugkasten gehört nicht nur zu jedem Handwerker, auch in 

der Softwareentwicklung entscheidet die Wahl der passenden Tools über die Effi zienz. Gerade 

bei sicherheitskritischen Applikationen sollten alle Beteiligten diesem Punkt ausreichendes Gewicht 

geben. Der Beitrag zeigt, wie die Firma Helbling Technik erfolgreich vorgeht. 

infoDIREKT www.all-electronics.de 515ejl0112

Bilder: Helbling Technik 

Safety 

gelten für die Zulassung in den jeweiligen Märkten. Begleitend 

werden beispielsweise in der Medizintechnik auch ein Qualitäts- 

sowie ein Risikomanagementprozess gefordert (DIN EN 13485, 

DIN EN 14971). 

Software-Entwicklungsprozesse 

In vielen Unternehmen hat sich das V-Modell (Bild 1) etabliert. Bei 

diesem phasenorientierten Vorgehensmodell steht jeder Designphase 

eine entsprechende Testphase gegenüber. Die Anforderungen 

an das System / die Software müssen vor Beginn der Umsetzung 

möglichst vollständig und widerspruchsfrei definiert sein. 

Außerdem muss eine Architektur entworfen sein, bevor das Team 

mit der Implementierung beginnt. Parallel zu den Anforderungen 

sollten bereits die entsprechenden Testfälle spezifiziert werden. 

Dabei ist die Rückverfolgbarkeit von der Anforderung über die 

Implementierung zum Test für sicherheitsrelevante Softwaremodule 

in der Dokumentation elementar. 

Das V-Modell hat aber auch Nachteile: Die Testaktivitäten beginnen 

recht spät und die Anforderungen müssen bereits zu Beginn 

sehr ausführlich dokumentiert werden – zu diesem Zeitpunkt 

sind oft noch nicht alle Implikationen im Detail bekannt. Als Ausweg 

kann man zum Beispiel einige Praktiken aus der agilen Software-Entwicklung 

in das V-Modell übernehmen, etwa die Testgetriebene 

Entwicklung sowie die wichtigsten Anforderungen zuerst 

zu realisieren und die Anforderungen dann im Lauf der Zeit 

weiter zu verfeinern. 

Planung 

Der Software-Entwicklungsplan beginnt mit der Definition der 

einzelnen Phasen und deren jeweiligem In- und Output. Die beteiligten 

Personen und ihre Rollen werden ebenso festgehalten wie 

der geplante Dokumentationsumfang. 

■ Der Konfigurationsmanagementplan beschreibt, wie die Elemente 

einer Softwareentwicklung verwaltet und kontrolliert werden, 

etwa Sourcecode, Compiler, Tools, projektspezifische Einstellungen 

sowie die entwicklungsbegleitende Dokumentation. 

Bild 3: Das Ablaufdiagramm der Software-Erstellung zeigt, welche 

Schritte in welcher Reihenfolge nötig sind, um sicherheitskritische 

Programme und Systeme zu erstellen. 

■ Im Risikomanagementplan werden die Maßnahmen zur Risikoanalyse, 

Risikobewertung und Risikominimierung definiert. 

Hier gilt es, systematisch die potenziellen Gefährdungen zu ermitteln, 

sie nach ihrer Auftretenswahrscheinlichkeit und dem Schadensausmaß 

zu bewerten und bei Bedarf Risikominimierungsmaßnahmen 

zu definieren. 

■ Der Testplan definiert schließlich, welche Testaktivitäten und 

Tools eingesetzt werden um die Software zu verifizieren. Dazu gehören 

sowohl statische Codeanalysen als auch dynamische Tests. 

Requirements Engineering 

Der Entwicklungsprozess beginnt damit, Anforderungen an die 

Embedded-Software aus den Systemanforderungen abzuleiten. Sie 

werden im Laufe der Entwicklung ergänzt und verfeinert, zum 

Beispiel durch Anforderungen aus dem Risikomanagement oder 

von der Elektronik. 

Viele Softwarefehler haben ihren Ursprung bereits in der Analyse- 

und Spezifikationsphase. Um Spezifikationsmängel zu vermeiden 

ist es unerlässlich, die Software-Anforderungen umfassend 

und eindeutig zu definieren. Dabei sollte man die Testbarkeit der 

Anforderung im Auge behalten: Statt dem allgemeinen „der RAM- 

Test darf eine kurze Zeit dauern“ ist „der RAM-Test muss weniger 

als 0,3 Sekunden dauern“ viel klarer und eindeutiger. Wichtig ist 

weiterhin, alle Anforderungen durch eine eindeutige ID zu kennzeichnen: 

Sie ermöglicht es überhaupt erst, Anforderung sinnvoll 

nachzuverfolgen – vom Design und der Implementierung bis hin 

zum Test. Mit der ID lässt sich auch ein Bezug herstellen zu übergeordneten 

Anforderungsdokumenten wie den Systemanforderungen 

und der Risikoanalyse. 

Von der Architektur zur Implementierung 

Vor der Implementierung steht die Softwarearchitektur. Sie beschreibt 

die Schnittstellen zwischen den Software-Schichten sowie 

zwischen Soft- und Hardware. Die Architektur beinhaltet die nötigen 

Programmmodule und erlaubt – soweit möglich – eine Eingrenzung 

der sicherheitsrelevanten Softwarefunktionen. Im Embedded-Bereich 

hat sich seit langem C als Quasistandard durchgesetzt. 

Die vielfältigen Möglichkeiten dieser Hardware-nahen Programmiersprache 

sind jedoch eine Risikoquelle, da die Compiler 

viele Programmierfehler kaum oder gar nicht erkennen können. 

Daher werden in vielen Firmen und Projekten Konventionen definiert, 

um die Programmiermöglichkeiten auf ein vernünftiges Maß 

einzuschränken und zusätzliche Sicherheit zu gewinnen. 

Software-Module von Drittanbietern (SOUP, Software of Unknown 

Provenance), zum Beispiel ein Echtzeit-Betriebssystem, 

brauchen bei sicherheitskritischen Anwendungen besondere Beachtung. 

Für SOUP-Komponenten sind laut IEC 62304 Funktions- 

und Leistungsanforderungen festzulegen und die Schnittstelle zur 

System-Software zu definieren. Bekannte Anomalien sind hinsichtlich 

ihres Einflusses zu evaluieren. 

Testing 

Die einschlägigen Sicherheitsnormen schreiben vor, dass die Testaktivitäten 

von Beginn der Entwicklung an geplant werden. Die 

Testfälle und ihre erwarteten Ergebnissen sind parallel zu den Anforderungen 

zu definieren. Nebenbei können die Testergebnisse 



mit geeigneten Metriken auch als Software-Qualitätsmaß dienen. 

Statische Analysen wie PC-Lint, die Misra-C-Regeln und Code- 

Reviews sollten schon während der Entwicklung stattfinden, um 

Fehler früh zu finden. Die Testergebnisse sind so zu dokumentieren, 

dass eine Rückverfolgbarkeit der Ergebnisse gewährleistet ist. 

Bei dynamischen Tests werden Programmteile mit definierten 

Eingangsgrößen ausgeführt und die Ergebnisse mit den Erwartungswerten 

verglichen. Ziel ist es, eine möglichst große Testabdeckung 

bei vertretbarem Aufwand zu erreichen. Dabei helfen verschiedene 

Testmethoden sowie unterstützende automatische Testwerkzeuge. 

Ein komplett durchgeführter und bestandener Testdurchlauf 

ist die Voraussetzung für die Freigabe der Software. 

Änderungen 

Der formale Änderungsaufwand hängt vom erreichten Reifegrad 

ab. Spätestens nach Freigabe einer ersten Version braucht jede Anpassung 

einen definierten Änderungsprozess. Die Softwaremodifikation 

beginnt dann mit einem Änderungsantrag. Der enthält eine 

eindeutige ID, die geforderte Änderung sowie eine Einschätzung, 

inwieweit diese Modifikation andere Systemfunktionen beeinflusst. 

Bei Fehlerkorrekturen (Bugfixes) sollte eine Problemrecherche 

durchgeführt werden, um Ursachen und Gegenmaßnahmen 

zu identifizieren. 

Der Änderungsvorgang lehnt sich an den Entwicklungsprozess 

an: Er führt von der Planung über die eventuell notwendigen Anpassungen 

von Spezifikationen und Testfällen zur Implementierung 

und einer erneuten Verifizierung. Die Änderungsdokumentation 

umfasst alle Änderungen sowie Testergebnisse, die die 

Funktionalität der modifizierten Software nachweisen. 

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Safety 

Umsetzung im Unternehmen 

Im Software-Entwicklungsprozesses für sicherheitskritische Funktionen 

kommen in der Regel viele Tools zum Einsatz. Helbling 

Technik stützt sich beim iterativen V-Modell auf eine Mischung 

ineinander greifender Tools (Bild 2). So kann das für Änderungs- 

und Problemmanagement eingesetzte Trac direkt auf die Elemente 

des zum Konfigurations- und Versionsmanagement genutzte Subversion 

(SVN) zugreifen: Zum Beispiel kann jeder Bug-Kommentar 

auf die Dokumentation oder ein SVN-Changeset verweisen. 

Requirements verwalten, Traceability-Daten führen und Architektur 

sowie Design erstellen: Für diese Schritte gibt es das Modellierungswerkzeug 

Enterprise Architect (EA). Requirements und 

Traceability werden je nach Projekt auch mit dem Anforderungsmanagement-Tool 

Doors umgesetzt. Als Entwicklungsplattform 

kommt Eclipse zum Einsatz. In dieser IDE lassen sich alle Tools als 

Erweiterungen integrieren. Beim Testing unterstützt Helbling 

Technik viele Tools; die wichtigsten sind QA-C, Codeanalyser, 

Cantata und Klokwork. 

Immer das passende Werkzeug 

Sicherheitskritische Software entsteht im Hause Helbling heute, 

indem die Mitarbeiter die grundlegenden Prozesse abbilden und 

mit einem optimierten Toolansatz kombinieren. So sehr die Werkzeuge 

sie hierbei unterstützen: Wissen und Erfahrung sind bei sicherheitskritischen 

Projekten immer nötig. (lei) n 

Der Autor: Martin Eisenmann ist Teamleiter Embedded Software 

bei Helbling Technik in München. 

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Safety 

Sind wir schon am Ziel? 

Grad der Standard-Konformität mit Werkzeug-Unterstützung bewerten 

Um ein sicherheitskritisches Produkt in den Markt zu bringen, muss es dem Stand der Technik entsprechen. 

Dazu zählen Normen wie IEC 61508, DIN EN 50128 und ISO 26262. Doch nicht jede denkbare Maßnahme ist 

auch nötig – und gleich aufwändige Maßnahmen können sich sehr unterschiedlich auswirken. Den goldenen 

Mittelweg weist eine fortlaufende Prüfung während der Entwicklung. Frank Büchner und Dr. Günter Glöe 

Wie konform zu einem Standard ist mein Produkt? Die 

Antwort fällt leicht, wenn die Entwickler alle geplanten 

Maßnahmen vollständig durchführen konnten. Leider 

ist das selten der Fall. Deshalb gilt es zu bewerten, ob 

vielleicht mehrere unwichtigere Maßnahmen, die vollständig durchgeführt 

sind, eine wichtige Maßnahme, die kaum erfüllt ist, ausgleichen 

können. Es wäre auch gar nicht sinnvoll, ein Zerti� kat nur dann 

zu erteilen, wenn alle Maßnahmen zu 100 % erfüllt sind: Sogar die 

Nicht-Erteilung eines Zerti� kats hat manchmal negative Konsequenzen, 

wenn Anwender auf Produkte ausweichen, die wesentlich weniger 

leisten, aber keine Zerti� zierung benötigen. Bei der Bewertung 

gibt es also nicht nur schwarz und weiß, sondern viele Graustufen. 

Objektiv und nachvollziehbar 

Bisher bewerten Menschen allein mit Hilfe ihres Sachverstands 

und ihrer Erfahrung. Das kostet viel Zeit und selbst wenn sie die 

Einschätzung mit größtmöglicher Objektivität vornehmen, werden 

sich die Ergebnisse verschiedener Bewerter immer unterscheiden. 

Seine Erfahrungen und sein Vorwissen kann der Bewertende 

nicht einfach ausblenden. 

48 


Grad der Konformität 

Wie sehr ein Produkt mit einer Norm übereinstimmt, ist keine simple 

Frage. Entwickler und Projektleiter sollten aber wissen, wo sie stehen 

und welche Maßnahmen sich am besten eignen, um die Konformität 

zu verbessen. Qualicat hilft, diese Bewertung selbst zu ermitteln. 



elektronikJOURNAL 01 / 2012 

Mit Qualicat steht aber ein Werkzeug zur Verfügung, um das 

Maß der Konformität zu einem Standard (oder einem Teil davon) 

zu bewerten: Der Anwender erfasst den Erfüllungsgrad der einzelnen 

Maßnahmen und das Werkzeug errechnet daraus die Gesamtbewertung. 

Den Erfüllungsgrad einer einzelnen Maßnahme kann 

der Anwender meist relativ leicht und zutre� end ermitteln. Die 

schwierigere Aufgabe, daraus die Gesamtbewertung zu bestimmen, 

übernimmt das Werkzeug. Insgesamt ergibt sich eine nachvollziehbarere, 

objektivere Bewertung als bisher. 

Von Riskcat zu Qualicat 

Vor der Arbeit mit Qualicat muss der Anwender die Maßnahmen 

zusammenstellen, die bei der Entwicklung erfüllt werden sollen 

(Bild 1). Dazu dient das Werkzeug Riskcat: Mit ihm selektiert der 

Anwender komfortabel Maßnahmen eines Standards, beispielsweise 

IEC 61508. Im Extremfall sind dies alle Maßnahmen eines 

Standards, üblicherweise genügt aber die Untermenge, die sich ein 

Team tatsächlich vorgenommen hat. Mit Riskcat kann man beispielsweise 

alle Maßnahmen aus dem Teil 6 (SW-Entwicklung) der 

ISO 26262 selektieren, die mit Unit-Test zu tun haben und die auf 

Bild fotolia: @ pressmaster 


ASIL-C „highly recommended" sind. Neben Standards können geplante 

Maßnahmen auch aus der Firmenkultur resultieren. 

Die Menge der selektierten Maßnahmen exportiert Riskcat in 

eine Datei, die Qualicat wiederum importiert. Mit den Maßnahmen 

wird auch ihre Wichtigkeit transferiert. Diese Wichtigkeit 

kann von der Kritikalität des Endprodukts abhängen. Sie wird üblicherweise 

in den Standards durch drei bis fünf Stufen angegeben, 

etwa durch den Safety Integrity Level (SIL) in IEC 61508 oder die 

Automotive Safety Integrity Level (ASIL) in ISO 26262. Beispielsweise 

ist in IEC 61508 die Maßnahme „Computer-aided design 

tools" (IEC 61508, Teil 3, Tabelle A.4.2) auf SIL 1 (niedrigere Sicherheitsanforderung) 

nur „recommended", jedoch auf SIL 3 (höhere 

Sicherheitsanforderung) „highly recommended". Die vollständige 

Erfüllung der Maßnahme „Computer-aided design tools" 

trägt bei der Zerti� zierung eines Produkts nach SIL 1 also weniger 

zur Gesamtbewertung bei als bei der Zerti� zierung nach SIL 3. 

Baumstruktur der Maßnahmen 

Die Maßnahmen kann man sich in Qualicat als Baum vorstellen, 

der nach unten wächst. Die Wurzel liegt oben und repräsentiert die 

Gesamtheit der zu bewertenden Maßnahmen. Die einzelnen Maßnahmen 

bilden die Blätter des Baums. Dazwischen liegen mehrere 

Ebenen von Knoten, entsprechend den Kapiteln oder Teilen eines 

Standards. Die Wichtigkeit einer Maßnahme ergibt sich aus der 

Bewertung der Kante zu dieser Maßnahme. 

Bild 2 zeigt die interne Baumstruktur an einem Beispiel aus ISO 

26262. Die Knotenebene unterhalb der Wurzel wird von den Teilen 

der ISO 26262 gebildet; die Knotenebene darunter bilden die Kapitel 

des jeweiligen Teils. Aus der Kapitel-Ebene ist im Bild 2 nur der 

Knoten „Design & Coding Guidelines" gezeigt, zu dem die drei 

Maßnahmen Defensive Implementation, Style Guides und Naming 

Conventions gehören. Diese Maßnahmen bilden Blätter des Baums 

und können vom Anwender in Qualicat bewertet werden. Die 

Buchstaben an den Kanten zu den Blättern geben die Dringlichkeit 

der Maßnahme für ASIL A an und bedeuten: 

■ P, Possible: Keine Empfehlung für oder gegen die Maßnahme. 

R, Recommended: Empfohlene Maßnahme. 

■ HR, Highly Recommended: Dringend empfohlen. 

■ 

TQMa28 TQMa53 


Bild 1: Die in Riskcat 

zusammengestellten 

Maßnahmen bewertet der 

Anwender in Qualicat 

einzeln. Qualicat 

errechnet daraus eine 

Gesamtbewertung. 

Safety 

Bild 2: Die Baumstruktur 

in Qualicat gruppiert und 

gewichtet die einzelnen 

Maßnahmen. Grafi ken: Hitex 

Nach dem Import berechnet Qualicat aus der Kritikalität der Anwendung 

und der Dringlichkeit der Maßnahmen, wie wichtig die 

Teile, Kapitel und Maßnahmen sind. Die Wichtigkeiten sind Zielwerte 

für die Qualität beziehungsweise Sicherheit und dienen im 

Weiteren für den Vergleich mit der erreichten Qualität/Sicherheit. 

Bewertung 

Anschließend geht es ans Bewerten der Maßnahmen. Qualicat erlaubt 

zu jeder Maßnahme (den Blättern des Baums), eine der folgenden 

Bewertungen zuzuordnen (Bild 5): Not Ful� lled (nicht erfüllt, 

numerischer Wert 0), Major De� ciencies (kaum erfüllt, numerischer 

Wert 0,3), Satisfactorily Ful� lled (zufriedenstellend erfüllt, 

numerischer Wert 0,7) und Completely Ful� lled (vollständig 

erfüllt, numerischer Wert 1). Darüber hinaus gibt es noch den initialen 

Zustand „nicht bewertet". Da der Anwender jeweils eine einzelne 

Maßnahme isoliert bewertet, ist die Bewertung nicht allzu 

schwer („teile und herrsche"). Qualicat zwingt den Anwender übrigens 

zu einer Tendenz: halb erfüllt, also unentschieden, ist in der 

Bewertungsskala nicht vorgesehen. 

Zu jeder Maßnahme kann der Bewertende eine Notiz hinterlegen 

(Bild 5: „by clicking here, you can edit a note") und damit beispielsweise 

eine Begründung für die getro� ene Bewertung dokumentieren, 

auf die betre� enden Arbeitsprodukte verweisen oder 

ähnliche relevante Information ablegen. Somit bleibt die Bewertung 

nachvollziehbar. 

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Infokasten 

Venus 

Das Forschungs- und Entwicklungsprojekt Venus wurde vom Bundesministerium 

für Wirtschaft und Technologie gefördert. Das Akronym 

steht für „Vorgehen zum effi zienten Nachweis der Benutzbarkeit und 

Sicherheit rechnergestützter Leittechniksysteme“. Venus umfasste 

verschiedene Forschungs- und Entwicklungspakete. Für Qualicat relevant 

war das Paket „Systematik und Nachvollziehbarkeit der Beurteilung 

von Prüfergebnissen verbessern“. Sechs Partner aus Wissenschaft, 

Forschung und Privatwirtschaft waren an Venus beteiligt. 

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elektronikJOURNAL 01 / 2012 

49

Safety 

Bild 3: Der gleiche Erfüllungsgrad kann zu unterschiedlichen Gesamtbewertungen 

führen, wie diese drei Maßnahmen aus ISO 26262 bei ASIL A zeigen. 

Qualicat berechnet von unten nach oben die Bewertung der 

Knoten der Zwischenebenen im Baum bis hinauf zur Wurzel, die 

der Gesamtbewertung aller Maßnahmen entspricht. Falls die Gesamtbewertung 

die Konformität eines Produkts zu einem Standard 

darstellt, ergibt sich das Gesamtergebnis durch den Vergleich des 

errechneten Werts mit einem vorgegebenen Ziel. Der Zielwert 

hängt von der Kritikalität des Produkts ab, also von der zu erreichenden 

Sicherheitsstufe (SIL). Er liegt zwischen 0 und 1; bei IEC 

61508 beispielsweise verlangt Qualicat für SIL 2 den Zielwert 0,7. 

Das Werkzeug zeigt errechnete Bewertungen und zugehörige 

Zielwerte an (Bild 5). Beispielsweise gilt für die Maßnahme „Use of 

naming conventions" der Zielwert 0,42; die erreichte Bewertung 

liegt wegen „major deficiencies" bei 0,3. Trotzdem ist die errechnete 

Gesamtbewertung für alle drei Maßnahmen mit dem Wert 0,81 

besser als der vorgegebene Zielwert von 0,6. Dies liegt an den guten 

Bewertungen der anderen beiden Maßnahmen. 

Kein Teufelskreis 

Die Bewertung der Maßnahmen und Maßnahmenmengen präsentiert 

Qualicat zudem als farbiges Kreisdiagramm (Bild 4). Im äußersten 

Ring sind die Maßnahmen und ihre Bewertung aufgeführt, 

die inneren Ringe stehen für gebündelte Maßnahmen (also die 

Knoten der Zwischenebenen des Baums), der Kreis in der Mitte 

symbolisiert die Gesamtbewertung. Die verwendeten Farbschattierungen 

reichen von rot (nicht erfüllt, Bewertung kleiner als Zielwert) 

über orange und gelb (Bewertung entspricht Zielwert) nach 

grün (erfüllt, Bewertung größer als Zielwert). Grau bedeutet 

(noch) nicht bewertet. Die Farbsymbolik zeigt auf einen Blick den 

Zustand des Gesamtprojekts und hebt Problemstellen hervor. 

Bild 4: Das farbige Kreisdiagramm schlüsselt die Bewertung eines Projekts 

(hier: nach ISO 26262) in Maßnahmengruppen und einzelne Maßnahmen 

(äußerster Ring) auf. 

Das Beispiel in Bild 3 zeigt, wie sich Änderungen an den drei 

Maßnahmen aus Bild 2 auswirken: Gleiche Erfüllungsrade bei unterschiedlichen 

Maßnahmen führen zu unterschiedlichen Gesamtbewertungen. 

Wie in Bild 2 bezieht sich das Beispiel auf ISO 26262, 

ASIL A. Qualicat setzt den Zielwert der Gesamtbewertung auf 0,6. 

Zunächst sind alle Maßnahmen mit „kaum erfüllt" (Major Deficiencies) 

bewertet, woraus Qualicat die Gesamtbewertung 0,6 errechnet 

(oberer linker Teil von Bild 5). Die rechte Spalte in Bild 3 

zeigt die graphische Bewertung: Der äußere Ring des Kreises ist in 

drei Segmente unterteilt, welche den drei Maßnahmen entsprechen 

(links oben Defensive Implementation in grün; rechts oben 

Naming Conventions in orange; unten Style Guides in gelb). 

Gleiche Ursache, unterschiedliche Folge 

Obwohl alle drei Maßnahmen gleich schlecht erfüllt sind, unterscheiden 

sich ihre Farben: Das resultiert aus der unterschiedlichen 

Verbindlichkeit (Possible, Recommended, Highly Recommended) 

auf ASIL A. Die inneren Ringe des Kreisdiagramms sind nicht segmentiert, 

da im Beispiel nur die Maßnahmen des Knotens „Design 

& Coding Guidelines" betrachtet werden. Die Farbe der inneren 

Bild 5: Der 

Anwender 

bewertet den 

Erfüllungsgrad 

einzelner 

Maßnahmen in 

Qualicat isoliert 

voneinander. 

Das Beispiel 

hier zeigt 

einen Teil der 

ISO 26262. 



Ringe und des Kreises in der Mitte ist gelb, da die errechnete Gesamtbewertung 

mit dem Ziel 0,6 übereinstimmt. 

Die mittlere Zeile von Bild 3 zeigt die Situation, in der die Bewertung 

von Defensive Implementation von „kaum erfüllt" auf 

„zufriedenstellend erfüllt" geändert ist. Dies sorgt zwar für eine 

Farbänderung der Maßnahme selbst von hellgrün auf dunkelgrün, 

bewirkt aber keine Änderung der Gesamtbewertung! Ein Unterschied 

ergibt sich allerdings, wenn man stattdessen die Bewertung 

der Maßnahme Style Guides von „kaum erfüllt" auf „zufriedenstellend 

erfüllt" ändert (Bild 3, untere Zeile). Dadurch erhält zunächst 

die Maßnahme selbst eine höhere Bewertung (0,7) als der betreffende 

Zielwert (0,3) und wird deshalb grün dargestellt. Weiterhin 

berechnet Qualicat die Gesamtbewertung 0,81, also besser als der 

(Gesamt-) Zielwert von 0,6. Alle inneren Ringe und der innere 

Kreis im Diagramm sind daher ebenfalls grün. Das Beispiel zeigt, 

dass für das Gesamtergebnis die Maßnahme Style Guides wichtiger 

ist als die Maßnahme Defensive 

Implementation. Das ist nicht ohne 

Weiteres vorauszusehen, selbst bei 

diesem überaus simplen Beispiel. 

Man könnte zudem den Erfüllungsgrad 

der dritten Maßnahme 

(Naming Conventions) sowie den 

ASIL variieren. Bei modifiziertem 

ASIL würden sich auch der Gesamtzielwert 

sowie die Zielwerte 

der einzelnen Maßnahmen ändern, 

weil sich deren Verbindlichkeiten 

je nach ASIL unterscheiden. Realistische 

Anwendungen umfassen 

mehrere hundert Maßnahmen; ohne 

Werkzeug wäre es kaum möglich, 

die Auswirkung der Änderung 

des Erfüllungsgrades einer einzelnen 

Maßnahme auszurechnen. 

Rechen-Künstler 

Im Algorithmus, der die Bewertung 

von unten nach oben berechnet, 

liegt der Kernnutzen von Qualicat. 

Die Grundlage dazu entstand 

im Forschungs- und Entwicklungsprojekt 

Venus. Die Forscher hatten 

einen Prototyp erstellt, gegen den 

Qualicat im Back-to-Back-Test 

qualifiziert wurde. Die Ergebnisse 

von Qualicat wurden auch mit den 

Bewertungen von (menschlichen) 

Prüfern für reale Projekte verglichen 

und Algorithmus sowie die 

genutzen Koeffizienten angepasst. 

Man kann davon ausgehen, dass 

die von Qualicat ermittelten Bewertungen 

ziemlich nahe bei den 

Bewertungen liegen, die erfahrene 

menschliche Prüfer bei der Zertifizierung 

von sicherheitskritischen 

Produkten ermitteln, wenngleich 

es diese nie zu 100 % treffen kann. 

Qualicat ermöglicht es, die Konformität 

zu verschiedenen Stan- 


Projekt3 25.01.2012 9:50 Uhr Seite 1 

Safety 

dards systematisch und nachvollziehbar zu beziffern. Hierbei bewertet 

und bündelt das Tool je nach Projekt hunderte von Maßnahmen, 

die mehr oder weniger vollständig erfüllt sind. Qualicat 

eignet sich nicht nur am Ende eines Projekts zu einer Eigenbewertung 

(Self-Assessment) vor der offiziellen Zertifizierung, sondern 

auch für projektbegleitende Eigenbewertungen. Dadurch lässt sich 

das Projekt besser steuern: Das Tool hilft, herauszufinden wie man 

seine Ressourcen sinnvoll einsetzt und Maßnahmen mit einem guten 

Kosten-Nutzen-Verhältnis findet. Weiterhin kann Qualicat 

zum Qualitätsvergleich zwischen verschiedenen eigenen Projekten 

oder Produkten dienen. (lei) n 

Die Autoren: Frank Büchner ist Senior Test Engineer 

bei Hitex Development Tools in Karlsruhe und Dr. 

Günter Glöe ist Geschäftsführer der CATS Software 

Tools in Hamburg.

Safety 

Kräftemessen 

Safety oder Security? Kriterien für das richtige Echtzeitbetriebssystem 

Gefahren gehen von Embedded-Systemen immer dann aus, wenn sie nicht sicher funktionieren. Dabei sind der 

Schutz vor absichtlichen Angriffen und vor zufälligen Fehlern sehr unterschiedliche Aufgaben, die sich durch das 

komplette Systemdesign ziehen. Entsprechend wichtig ist es, das passende OS einzusetzen. Autor: Robert Day 

Bei der Sicherheit eines Embedded-Systems geht es in erster 

Linie darum, menschliches Leben zu schützen. Die 

Entwickler trennen sehr deutlich zwischen Safety (Betriebssicherheit, 

Schutz vor zufälligen Fehlern und Ereignissen) 

und Security (Angriffssicherheit, Schutz vor absichtlicher 

Manipulation). Obwohl beide Disziplinen sehr kritische Eigenschaften 

eines Systems bestimmen, existieren sie in sehr verschiedenen 

Welten. Unterschiedliche Umweltfaktoren, Problemzonen 

und gesetzliche Rechtsvorschriften führen zu ganz eigenen Erfordernissen, 

wenn es darum geht, grundlegende Technologien wie 

das Plattform-Betriebssystem zu wählen. 

Betriebssicherheit und Angriffssicherheit widersprechen sich 

nicht zwangsläufig. Für die Entwicklung eines kritischen Systems 

ist es aber unerlässlich, das richtige Werkzeug für den jeweiligen 

Job zu haben. Für beide Bereiche gibt es keine einheitliche Pauschallösung, 

ohne den einen oder anderen speziellen Sicherheitsaspekt 

zu opfern. Folglich bietet zum Beispiel Lynuxworks zwei unabhängige 

Echtzeitbetriebssysteme (RTOS): Lynx-OS-178 für betriebssichere 

und Lynx-Secure für angriffssichere Plattformen. 

Safety mit Lynx-OS-178 

Betriebssichere Systeme müssen den Betrieb aufrechterhalten. In 

Avionik-, Medizin-, Fahrzeug- und SCADA-Geräten kann der 

kleinste Fehler einen Systemausfall hervorrufen und Menschenleben 

kosten. Obwohl die Robustheit im Vordergrund steht, werden 

diese Geräte für immer höhere Funktionalität, kleinere Abmessungen 

und geringere Betriebskosten weiterentwickelt. Das führt zu 

immer mehr und immer komplexerer Software, was wiederum die 

Robustheit gefährdet. 

In einem Flugzeug beispielsweise befinden sich unterschiedlich 

kritische Funktionen auf der gleichen Plattform, um Wartungskosten 

für separate Plattformen zu sparen. So kann die Kabinenunterhaltung 

auf demselben Betriebssystem gehostet werden wie die 

Flugsteuerung. Beschädigt das Entertainmentsystem jetzt den Datenspeicher 

der Flugsteuerung, kann dies zum verhängnisvollen 

Totalausfall der Querruder führen. 

Partitionierung 

Um dieser Gefahr zu begegnen, wurde eine neue Betriebssystemklasse 

erschaffen: so genannte partitionierende RTOS. Ein p-RTOS 

erzeugt isolierte Rechenzonen oder Partitionen für die Software. 

Alle Programme, die in einer dieser Partitionen laufen, können 

sich weder auf das Verhalten, noch auf die Leistung einer anderen 

Partition auswirken. Lynx-OS-178 (Bild 1) ist so aufgebaut. Mit 

ihm können unterschiedlich sicherheitskritische Funktionen 

gleichzeitig auf derselben Plattform ablaufen, ohne dass eine Funktion 

grundlegende Plattformressourcen beschädigen oder andere 

Timing-kritische Funktionen aushungern könnte. 

Lynx-OS-178 erzielt dieses Partitionierungsframework durch 

Zeit-, Raum- und Ressourcen-Partitionen: 



Bild fotolia: @ typomaniac

Bilder: Lynuxworks 

Bild 1: Das p-RTOS Lynx-OS-178 sorgt für Betriebssicherheit. Es trennt mehrere Partitionen, 

in denen durchaus sehr komplexe Betriebssysteme laufen können, ohne sich gegenseitig die 

Ressourcen streitig zu machen. 


■ Zeit-Partitionierung teilt jeder Partition ein striktes Budget an 

CPU-Rechenzeit zu. Mit diesen CPU-Budgets, einem Systemzeitgeber, 

Timer-Interrupt und einem Ablaufplan steuert Lynx-OS-178 

die Reihenfolge, in der eine Partition auf der CPU startet und die 

CPU-Zeit, die der So� ware in jeder Partition zusteht. Versucht eine 

Funktion, ihre Budgets zu überschreiten, wird ein Timer-Interrupt 

ausgelöst. Lynx-OS-178 übernimmt darau� in die Steuerung 

der CPU, kommt der fehlerha� en Instruktion zuvor und erlaubt 

die Ausführung anderer Funktionen innerhalb der nachfolgenden 

Partition. 

■ Raum-Partitionierung teilt jeder Partition ein eigenes Speicherkontingent 

zu (etwa RAM und Stack). Lynx-OS-178 nutzt hierfür 

die Memory Management Unit (MMU) der CPU. 

■ Ressourcen-Partitionierung teilt jeder Partition einen eindeutigen 

Zugri� smodus (lesen/schreiben, nur schreiben, nur lesen, gar 

keine) auf die Ressourcen zu (Interrupts und Ein-/Ausgänge). 

Lynx-OS-178 erzwingt die Einhaltung dieser Zugangssteuerung. 

Zertifi zierung 

Lynx-OS-178 ist nach den Richtlinien zur So� wareentwicklung im 

sicherheitskritischen Bereich der Lu� fahrt DO-178B benannt. Für 

So� warekomponenten de� niert DO-178B so genannte Design Assurance 

Levels (DAL) in den Stufen A (höchstes) bis E. Die Komponenten 

werden zur Sicherheitslevel-Bewertung einer Prozess- 

und Gefahrenanalyse unterzogen. Je höher der Level, desto stren- 


Safety 

Rundum geschützt 

Safety und Security klingen zwar sehr ähnlich und wollen letztlich Menschen schützen, sie 

brauchen aber sehr unterschiedliche Maßnahmen, um dieses Ziel zu erreichen. Lynuxworks hat 

daher auch zwei unabhängige RTOS entwickelt: Lynx-OS-178 und Lynx-Secure. Dank der Virtualisierung 

in beiden Betriebssystemen können sie aber auf einer gemeinsamen Hardware laufen 

und sowohl Betriebs- als auch Angriffssicherheit gewähren. 

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Safety 

ger wird die Software-Korrektheit verifiziert, was Kosten und Zeitaufwand 

erheblich in die Höhe treibt. 

Mit der Partitionierungsplattform Lynx-OS-178 können verschieden 

kritische Bestandteile einer Software einzeln in isolierte 

Partitionen platziert sein. Dies erhöht die Systemzuverlässigkeit, 

vereinfacht die Systemarchitektur und reduziert letztendlich die 

Kosten für Systementwicklung und Zertifizierung. 

Security mit Lynx-Secure 

Angriffssichere Systeme sorgen dafür, dass nur autorisierte Zugriffe 

auf Systeminformation möglich sind. Die kleinste Schwachstelle 

in sicherheitsspezifischen Funktionen stellt eine ernste Bedrohung 

dar. Bislang haben zum Beispiel Regierungen ihre sensiblen Informationen 

in vollständig isolierten Infrastrukturen geschützt. Da 

sich Regierungsorganisationen ständig wandeln, sind die Zugriffsregeln 

aber entsprechend komplex und bei verschiedenen Sicherheitsstufen 

wären getrennte Infrastrukturen nötig. 

Auf diese Anforderung hin entwickelten in den USA Regierung, 

Wirtschaft und die akademische Welt die Spezifikation Multiple 

Independent Levels of Security: MILS sieht vor, dass ein einzelnes 

Informationssystem gleichzeitig Daten verschiedener sicherheitsrelevanter 

Bereiche verarbeiten darf, während die Domänen isoliert 

bleiben. Eines der ersten MILS-Demosysteme war ein Anwender-PC, 

der als Host mehrerer verschieden sicherheitskritischer 

Betriebssysteme fungierte. Damit war der Zugang zu unterschiedlich 

sicherheitskritischen Daten von einem einzigen Gerät aus 

möglich, statt wie bisher mehrere Maschinen zu benötigen. 

Sauber getrennt 

Grundlage der MILS-Architektur ist ein Separation-Kernel: Dieses 

RTOS steuert die Plattformressourcen. Es erschafft isolierte Rechenpartitionen, 

um sicherzustellen, dass alle Informationen, die 

innerhalb einer Partition verarbeitet werden, auch in dieser bleiben 

und nicht irrtümlich durch Seitenkanäle aussickern. Der 

MILS-Separation-Kernel Lynx-Secure (Bild 2) beherrscht Para- 

und Voll-Virtualisierung von Betriebssystemen. Dies macht ihn 

gleichzeitig auch zum Separation-Kernel und Hypervisor. Der Administrator 

zieht schützende Grenzen um die sicherheitskritischen 

Komponenten, die den Informationsfluss zwischen diesen Grenzen 

kontrollieren. Innerhalb der geschützten Eingrenzung kann 

Software laufen, die so einfach ist wie ein Message-Guard oder so 

komplex wie eine voll virtualisierte Variante von Microsoft Windows 

7. Das Sicherheitsgerüst bleibt in beiden Fällen gleich. 

Bild 2: Der Separation Kernel und 

Hypervisor Lynx-Secure folgt dem 

MILS-Ansatz. Er sorgt dafür, dass 

keine Informationen zwischen 

den Sicherheitsdomänen 

durchsickern. 

Ähnlichkeiten von Safety und Security 

Die Separation bei Lynx-Secure erfolgt ähnlich wie bei Lynx- 

OS-178 durch Zeit-, Raum- und Ressourcen-Partitionierung zwischen 

sicherheitsrelevanten Bereichen. Dennoch stehen beide 

Echtzeitbetriebssysteme nicht in Beziehung zueinander: Nach dem 

Prinzip, dass Sicherheit von Grund auf eingeplant werden muss, 

hat Lynuxworks das sicherheitskritische System Lynx-Secure von 

Grund auf neu konstruiert. Dessen Architektur geht davon aus, in 

schädlichen Umgebungen zu operieren. Spezielle Mechanismen 

schützen daher aktiv die Integrität der sicherheitswahrenden 

Funktionen. 

Lynx-Secure stellt sicher, dass jeder Code mit privilegiertem Zugriff 

auf Plattformressourcen auch tatsächlich ausreichend und 

wirklich notwendig ist, um Gastpartitionen zu hosten, die Separation 

aufrechtzuerhalten und den Informationsfluss zu steuern. 

Dies unterscheidet sich erheblich von der Bauweise des Lynx- 

OS-178 mit privilegierten Funktionalitäten wie Netzwerkstack, 

Gerätetreiber und Echtzeit-Multithreading-API. Dadurch, dass 

nur der reine Separation-Kernel und die Virtualisierungslogik implementiert 

werden, schränkt Lynx-Secure die Angriffsoberfläche 

drastisch ein. 

Lynx-Secure wurde entwickelt, um die Zertifizierung für das 

strengste Common Criteria Evaluation Assurance Level, EAL 7, zu 

erhalten. Das bedeutet, dass die sicherheitsspezifischen Komponenten 

gemäß den im Separation Kernel Protection Profile (SKPP) 

definierten Sicherheitsanforderungen nachweislich korrekt sind. 

Für die EAL-7-Einstufung wurde Lynx-Secure so kompakt und 

einfach wie möglich konstruiert, um eine mathematisch-formale 

Verifikation zu ermöglichen. 

Kein Widerspruch 

Angriffssicherheit gewinnt für betriebssicherheitskritische Systeme 

an Bedeutung. Je höher integriert die Systeme sind und je mehr 

Fernsteuerung es gibt, desto gefährdeter sind sie. Informationssicherheit 

wird zur Notwendigkeit. In dieser Situation kann man 

Lynx-Secure und Lynx-OS kombinieren: Lynx-Secure als Basis errichtet 

Schutzgrenzen um vollständige betriebssicherheitskritische 

Systeme und hostet mehrere Instanzen von Lynx-OS-178. Damit 

sind Safety und Security gleichermaßen erfüllbar. (lei) n 

Der Autor: Robert Day ist Vice President Marketing bei 

Lynuxworks in San José, Kalifornien. 



Im grünen Bereich 

Auf Safety und Security getrimmtes RTOS in neuer Version 

Green Hills Software hat sein Integrity- 

Echtzeit-Betriebssystem auf Version 11 aktualisiert. 

Der Anbieter fokussiert mit dem 

Update die Leistungsfähigkeit, Kommunikationsfunktionen 

und einfache Anwendbarkeit 

seines Betriebssystems. In der Variante 

Integrity-178B ist dieses System nach 

RTCA/DO-178B Level A Safety-zertifiziert 

sowie nach Common Criteria EAL6+ High 

Robustness für Sicherheit zertifiziert. 

Zu den wesentlichen Erweiterungen in 

Integrity 11 gehört ein neuer, hochoptimierter 

Kommunikationsmechanismus, 

genannt GIPC (Green Hills IPC). Laut 

Herstelleraussage arbeitet dieser Mechanismus 

fünf Mal schneller als AF_LOCAL- 

Sockets unter Linux. Native Integrity- und 

Linux-Prozesse, die in virtuellen Maschinen 

ablaufen, können das schnelle GIPC 

nutzen. Zusammen mit der Unterstützung 

für Posix-APIs und Higher-Level-Middleware 

wie DDS und Corba, bietet das Echtzeitbetriebssystem 

eine Vielzahl leistungsfähiger 

Kommunikationsmechanismen. 

Der neue Netzwerk-Stack unterstützt auch 

Sein Integrity-178B hat Green Hills auf Safety und 

Security getrimmt. Ein Fehler in einem Programm 

(rechts oben) kann keinen Schaden anrichten. 

zusätzliche RFCs und Funktionen wie 

ECMP-Routing (Equal Cost Multi-Path). 

Bei der Integration in die hauseigene 

Entwicklungsumgebung Multi 6 und den 

Green-Hills-Compiler erreicht Integrity 11 

schnellere Build-Geschwindigkeiten sowie 

Verbesserungen in der Code-Größe und 

-Geschwindigkeit. Version 11 enthält außerdem 

eine neue Ressourcenmanagement-Middleware, 

mit der Entwickler Systemressourcen 

über Sicherheitsdomänen 

Safety 

hinweg partitionieren können, während 

gleichzeitig eine flexible API für die dynamische 

Zuweisung dieser Ressourcen innerhalb 

jeder Domäne bereitsteht. Ressourcenmanager 

lassen sich in einfachen 

Gruppen oder hierarchisch instanziieren. 

Weitere Verbesserungen betreffen die Benutzerfreundlichkeit, 

einschließlich einer 

optimierten Verzeichnisstruktur der Distribution 

und einer einfacheren Konfiguration 

von BSPs (Board-Support-Packages) 

und Gerätetreibern. 

„Integrity hat in den letzten zehn Jahren 

den größten Zuwachs beim Marktanteil 

von Echtzeit-Betriebssystemen verzeichnet“, 

freut sich Dan O’Dowd, Gründer und 

Chief Executive Officer von Green Hills 

Software, und ergänzt „Dieser Erfolg stützt 

sich auf den erfolgreichen Einsatz unseres 

RTOS durch die Entwickler in den verschiedensten 

Industriezweigen.“ Version 

11 steht ab sofort zur Verfügung. (lei) n 



Embedded Linux Lösungen nach Maß 

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Bei Ginzinger electronic systems 

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gemeinsam mit unseren Kunden komplexe, 

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Richtig reagieren 

Leistungsgrenzen von Mikrocontrollern überwinden 

Entwickler müssen heute neue Funktionen integrieren, ohne die Latenz ihres Embedded-Designs zu erhöhen oder 

das Timing zu stören. Das klappt nur mit modernen MCU-Architekturen: Das autarke Event-Handling von Atmel 

senkt nicht nur die CPU-Last, es macht das System auch deterministischer. Autor: Kristian Saether 

Heutige Mikrocontroller müssen beispielsweise Echtzeit- 

Steuerungsalgorithmen verwalten, Highspeed-Kommunikationsprotokolle 

decodieren und hochfrequente Sensor-Signale 

verarbeiten. Herkömmliches Polling reicht 

dabei nicht mehr: Wenn die CPU in einer Endlosschleife die 

Schnittstellen abfragt, um nachzusehen ob neue Daten angekommen 

sind, bleiben CPU-Ressourcen unnötig blockiert und Reaktionszeiten 

steigen, um jeden I/O-Kanal und jede Peripherie zuverlässig 

zu bedienen. Jede neu aktivierte Peripheriefunktion erhöht 

die Reaktionsdauer und ändert das Applikations-Timing, da die 

CPU-Schleife, welche die Peripherieblöcke abfragt und verwaltet, 

immer länger und länger wird. Irgendwann geraten das Applikations-Timing 

und das Echtzeitverhalten aus dem Tritt. 

Schritt 1: Interrupt statt Polling 

Um das zu vermeiden, verwenden die meisten Embedded-Entwickler 

inzwischen Interrupts. Sie erfüllen die Echtzeit-Anforderungen 

damit einfacher und können immer mehr Peripherie verwalten. 

Interrupts können jedoch nur bestimmen, wann ein Echtzeit-Ereignis 

aufgetreten ist. Zur Reaktion ist die CPU weiter nötig, 

um I/Os und Peripherie zu lesen und Daten zu verarbeiten. Eine 

Interrupt-Serviceroutine unterbricht schlimmstenfalls andere latenzsensitive 

Aufgaben und ihr Kontextwechsel bringt einen Over- 

Bild Fotolia: @ Pete Saloutos 

head mit sich. Der Entwickler muss mit zusätzlichen Latenzen 

rechnen, wenn mehrere Interrupts gleichzeitig auftreten. Das System 

ist damit schwerer berechenbar und die Effizienz leidet. Je 

mehr Funktionen ein Mikrocontroller erfüllen muss, desto schlimmer 

wird die Lage. Multi-Chip-Lösungen, die das Echtzeit-Verhalten 

leichter garantieren können, sind meist zu teuer. 

Damit ein Mikrocontroller die hohen Datenraten und Frequenzen 

von Echtzeit-I/Os und Peripherieblöcken handhaben kann, 

sollte er seine umfangreiche Peripherie unabhängig von der CPU 

verwalten können. Eine Möglichkeit ist es, die Datenverarbeitung, 

den Datentransfer und die Datensignalisierungsaufgaben innerhalb 

der MCU voneinander zu trennen. Der Entwickler kann dann 

die Parameter für die CPU-Last, die Datentransferraten oder Interrupt-Frequenz 

ändern, ohne das Gesamtsystemverhalten oder andere 

Aufgaben zu beeinträchtigen. DMA-Controller (Direct Memory 

Access) erleichtern die Datenübertragung, und integriertes 

Event-Routing zwischen den Subsystemen entlasten die CPU um 

das I/O- und Peripherie-Management. Die CPU hat dann mehr 

Zeit für ihre Hauptaufgabe: die Datenverarbeitung. 

Schritt 2: Daten ohne die CPU übertragen 

Integrierte Coprozessoren sind in Embedded-Mikrocontrollern 

weit verbreitet. Sie übernehmen ganze Aufgaben, unterstützen re- 



chenintensive Teile von Algorithmen und erhöhen somit die Rechenleistung 

der MCU. DMA- und Event-Systeme sind Embedded- 

Entwicklern weniger vertraut und werden deshalb nicht o� verwendet. 

Doch genau diese Systeme haben deutliche Vorteile, wenn 

es um den Determinismus des Systems geht. Die meisten Embedded-Anwendungen 

sind nicht sehr CPU-lastig, sondern primär mit 

der Peripherie und dem Echtzeit-Verhalten beschä� igt. 

DMA-Controller übernehmen Datentransferaufgaben. Sie verschieben 

zum Beispiel Peripherie-Registerdaten in das SRAM. Ein 

Entwickler kann den DMA-Controller so kon� gurieren, dass er 

sämtliche Daten von einer peripheren Einheit wie einem A/D- 

Wandler oder USART in das SRAM schreibt, damit die Daten für 

die CPU zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung stehen. Da Polling- 

oder Interrupt-gesteuerte Datentransfers entfallen, ist die 

CPU-Last Null bis tatsächlich eine Datenverarbeitung anfällt. Die 

Datenraten sind hoch und gut vorhersehbar, da die CPU-Last für 

den Datentransfer niedrig gehalten bleibt (Tabelle 1). 

DMA-Controller können beim Datentransfer die CPU also erheblich 

entlasten. Embedded-Entwickler haben damit bis zu 30 

oder 50 % mehr CPU-Zyklen zur Verfügung. Wenn sich in dieser 

Konstellation die CPU-Last ändert, besteht viel weniger Risiko für 

den System-Determinismus. Die Datenverarbeitungs- und Datentransferaufgaben 

sind getrennt und unabhängiger voneinander. 

Schritt 3: Autonom auf Events reagieren 

Noch weniger Entwickler sind mit Event-Systemen vertraut, die 

zusammen mit dem DMA-Controller arbeiten und die Datensignalisierung 

allein verwalten. Ein Event-System ist ein Bus, der interne 

Signale von einer Peripherie zu einer anderen innerhalb der 

MCU verbindet. Tritt in einem Peripherieblock eine Bedingung 

auf, kann das Aktionen in einem anderen Block auslösen, ohne die 

CPU einzubinden – bei Atmel-Bausteinen binnen zwei Zyklen. 

Das System ähnelt menschlichen Re� exen. Wir ziehen die Hand 

aus dem Feuer, ohne vorher das Gehirn zu bemühen. Traditionellerweise 

muss die Peripherie die CPU unterbrechen, um eine beliebige 

Aktion durchzuführen – auch beim Lesen der Peripherie. 

Durch das direkte Weiterleiten von Events zwischen der Peripherie, 

entlastet das Event-System die CPU von diesen Interrupts (siehe 

Bild 1). Entwickler haben die Flexibilität, Peripherie so zu kon- 

� gurieren, dass sie verschiedenen Event-Kanälen folgt. Damit de� - 

nieren sie die passende Event-Verteilung für ihre Applikation. 

Zum Beispiel könnte das Event-System bei jedem Umschalten 

des analogen Komparators (AC) 

■ eine A/D-Wandlung starten, 

Timer/Counter-PWM-Zyklen abschalten oder neu starten, 

■ I/O-Pins schalten, um externe Hardware zu synchronisieren, 

■ einen Timer-Counter erhöhen und 

■ einen Zeitstempel erfassen. 

■Da keine Interrupts oder CPU-Zyklen erforderlich sind, kann die 

Signalfrequenz zwischen den Peripherieblöcken wechseln, ohne den 

Bilder: Atmel 

Tabelle 1: 

DMA-Controller 

können einen Großteil 

der Kommunikationsperipherie 

verwalten. 

Sie übertragen Daten 

ohne Mithilfe der CPU. 



Determinismus des Gesamtsystems zu gefährden oder Echtzeitaufgaben 

zu beeinträchtigen. Die CPU-Last kann sich ebenfalls ändern, 

ohne die Peripherie-interne Signalisierung zu beein� ussen. 

Datentransfer und Signalisierung besser ohne CPU 

Die Kombination aus DMA-Controller und Event-System übernehmen 

Aufgaben von der CPU, die eine CPU bei weitem nicht so 

e� zient erledigen kann. Dennoch gehören sie zu den Kernaufgaben 

in Embedded-Designs: Der DMA-Controller verwaltet den 

Datentransfer, während das Event-System festlegt, wann diese 

Transfers statt� nden – mit geringer Latenz und hoher Genauigkeit. 

Das Event-System stellt also sicher, dass die vom DMA verwalteten 

Werte abgetastet oder mit der richtigen Zeit/Frequenz ausgegeben 

werden. Der Großteil der CPU-Auslastung für Interrupts, Kontextwechsel 

und andere Funktion ist damit abgedeckt. 

Für die CPU bleibt mehr Zeit zur Datenverarbeitung. Änderungen 

an Datenverarbeitung, Datentransfers und Datensignalrate 

beein� ussen sich kaum noch gegenseitig. Damit lassen sich komplexere 

Systeme leichter beherrschen und mehr MCU-Funktionen 

nutzen, ohne den System-Determinismus zu gefährden. 

DMA-Controller und Event-Systeme besitzen mehrere Kanäle. 

Entwickler können damit eine Schaltung kon� gurieren, die parallel 

zur Haupt-CPU arbeitet und mehrere Echtzeit-Aufgaben 

gleichzeitig in deterministischer Weise koordiniert. Der Grad an 

Parallelismus steigt deutlich, ohne eine leistungshungrigen CPU 

mit hoher Taktzahl und komplexem Echtzeit-Betriebssystem zu 

benötigen. 

Rechen-Exempel 

Ein simple Rechnung verdeutlicht die Vorteile des Event-Systems: 

Für jeden Interrupt braucht ein Mikrocontroller mindestens 50 

Zyklen. Selbst einfachste Interrupts benötigen so lange, bis der 

Prozessor den Kontext für einige Register speichert, auf eine Peripherie 

zugrei� , die Daten speichert, den Kontext wiederherstellt 

und einen Pipeline-Flush durchführt. 

Einzelne Interrupts stellen keine Herausforderungen dar. Echtzeit-Fristen 

einzuhalten wird dann schwierig, wenn verschiedene 

Interrupts gleichzeitig au� reten. Tritt zum Beispiel ein Interrupt 

mit höherer Priorität auf, der 75 Zyklen CPU-Zeit braucht, dann 

steigt die Latenz eines niedrigerprioren Interrupts, wenn die Aufgabe 

mit höherer Priorität ihren Ablauf unterbricht. Die Latenz für 

die Task mit geringerer Priorität steigt von 50 auf 125 Zyklen. 

Mit jedem zusätzlichen Interrupt steigt die Worst-Case-Latenz 

für Interrupts mit niedrigerer Priorität und der Determinismus 

sinkt. Eine Task mit 50 Zyklen kann mehrere Male unterbrochen 

werden und dann Hunderte bis Tausende von Zyklen benötigen. 

Um hier den Durchblick zu behalten, ist eine genaue Rechnung 

Lastenausgleich 

Um moderne Embedded-Mikrocontroller effi zient auszunutzen, sind 

architektonische Neuerungen notwendig. Datentransfer und Datensignalisierung 

von der CPU in eigenständige Hardware auszulagern, 

verbessert den Determinismus des Systems, senkt Latenzen und erhöht 

die Konsistenz, die Vorhersagbarkeit und die Systemzuverlässigkeit. 

Nebenbei wird das Entwickeln der Software einfacher. 





Bild 1: Der Event-System-Controller reagiert auf Ereignisse und leitet 

sie an andere periphere Einheiten weiter, ohne dabei die CPU zu belasten. 

Der Programmierer muss den Mechanismus nur passend konfigurieren. 

und/oder Simulation nötig. Weiß ein Entwickler, dass die Latenz 

50 Zyklen beträgt, kann er dies während der Datenverarbeitung 

berücksichtigen. Variiert sie jedoch zwischen 50 und 500 Zyklen, 

wird es heikel. Der Entwickler könnte eine Latenz von 200 Zyklen 

annehmen und jede Variation als Fehler ausweisen. Die Worst- 

Case-Latenz kann Echtzeit-Fristeinschränkungen hervorrufen und 

die Systemzuverlässigkeit beeinträchtigen. Softwareänderungen 

werden dann zu einer Herausforderung. 

Bild 2 zeigt in einem Blockdiagramm, wie Event-System und 

DMA zusammenarbeiten. Der A/D-Wandler ist hier mit einem 

Sensor verbunden und tastet diesen ab, um Daten zu sammeln. Ein 

interner Zähler ist auf die Abtastfrequenz eingestellt, um regelmäßige 

und genaue Abtastintervalle zu erhalten – ohne CPU-Unterstützung. 

Hat der A/D-Wandler seine Abtastung beendet und die 

Wandlung abgeschlossen, löst er den DMA aus, um den Wert über 

das Event-System zu speichern. 

Weitere Vorzüge 

Für Aufgaben mit höheren Frequenzen ermöglichen ein Event- 

System und ein DMA-Controller etliche Sonderfunktionen: 

■ Genaue Zeitstempel: Mit Zeitstempel-Samples lassen sich Signale 

zu externen Ereignissen besser synchronisieren. Bei einer Latenz 

von zwei Zyklen sind diese Zeitstempel wesentlich genauer als 

jene, die eine Interrupt-Serviceroutine markiert. Diese kann mehrere 

Hundert Zyklen aufweisen. 

■ Kleinerer Stack: Je weniger Interrupts gleichzeitig zur CPU gelangen, 

desto kleiner kann der Stack sein. Jede Interrupt-Serviceroutine 

muss den Kontext speichern und möglicherweise Dutzende 

Register in den Stack verschieben. Die Abschaffung mehrerer 

Kontextebenen kann die nötige Stack-Größe erheblich senken und 

damit RAM sparen. 

■ Mehr Sicherheit bei der Skalierung: Selbst wenn man bei der 

gleichen MCU-Familie bleibt, hat ein höherwertiges System mit 

mehr Funktionen auch mehr Interrupts, was den Gesamt-Determinismus 

verschlechtert. Der Übergang eines Designs zu einer 

höher integrierten MCU kann daher die Signallatenz beeinträchtigen 

und damit auch der Genauigkeit schaden – bei der Abtastung 

sowie bei der Ausgabe. 

■ Einfache Software-Änderungen: Da das Event-Handling ohne 

CPU-Intervention auskommt, lässt sich die Software ändern, ohne 

das Echtzeitverhalten zu verändern. Selbst wenn mehr CPU-Zeit 

erforderlich ist, um zusätzliche Funktionen zu verarbeiten, bleiben 

das Event-Handling und die Reaktionszeit identisch. 

Bild 2: Der Event-System-Controller besitzt acht Kanäle, auf denen 

die Peripherie, DMA und PWM sowie Timer und Zähler kommunizieren. 

Weil die CPU nicht eingreifen muss, reagiert das System viel schneller. 

Block-Denken in der Software 

Um Software für die beschriebene Mikrocontroller-Architekturen 

effizient zu entwickeln, ist mehr als nur eine neue Toolchain nötig. 

Peripherietreiber, Low-Level-Routinen, Scheduler und/oder Betriebssysteme 

zu schreiben ist zu zeitaufwändig und komplex, um 

es für jedes neue Projekt durchzuführen. Die meisten MCU-Hersteller 

bieten nicht nur Mikrocontroller, sondern auch zahlreiche 

Code-Beispiele, Bibliotheken und Peripherie-Treiber an. Einige 

liefern eine komplette und standardisierte API für ihre Mikrocontroller. 

Damit erübrigen sich das Cut & Paste, das Importieren und 

Anpassen von Code aus verschieden Quellen wie Datei-Downloads, 

Applikationsschriften oder älteren Projekten. 

Die Software-API besteht als Teil der Toolchain, und der Entwickler 

kann sofort mit dem Schreiben seines eigenen Codes beginnen. 

Einfache, vordefinierte Funktionen dienen zum Zugriff 

auf und zur Konfiguration sämtlicher Peripherie – ohne eigene 

Low-Level-Treiber schreiben zu müssen. 

Die Software-API von Atmel nutzt auch den DMA-Controller 

und das Event-System. Die Module sind wie Peripherie konfiguriert; 

daher konfigurieren ein paar Zeilen Initialisierungscode das Event- 

System – und definieren, welche Periphere-Bedingungen Aktionen 

und Tasks in anderen Peripherieblöcken initiieren. Nach der Konfiguration 

arbeitet das Event-System genau und zuverlässig. Timing 

und Verhalten ändern sich nicht, solange der Entwickler nicht bewusst 

die Modulkonfiguration anpasst. Damit ist es einfacher, die 

Anwendung zu entwickeln und zu testen. Das Event-System-Timing 

bleibt zuverlässig zwischen Software-Änderungen und Revisionen, 

selbst wenn diese die CPU-Last erhöhen oder verringern. 

Win-Win-Situation 

Dank der Kombination aus DMA- und Event-System reagieren 

auch komplexe Embededd-Systeme zuverlässig und vorhersehbar 

auf Ereignisse. Normalerweise wären dazu ein komplexes Echtzeit- 

Betriebssystem nötig sowie eine Worst-Case-Betrachtung, welche 

Ereignisse wann auftreten. Da DMA- und Event-System unabhängig 

von der CPU arbeiten und die Ereignisse parallel verarbeiten, 

reduziert sich dieser Aufwand. Zusätzlich bleiben mehr CPU-Ressourcen 

frei: Sie kann komplexere Aufgaben erledigen oder länger 

im Schlafmodus bleiben. (lei) n 

Der Autor: Kristian Saether ist Senior Product Marketing 

Manager AVR bei Atmel in Trondheim, Norwegen. 



Bild: Lauterbach 

Dicht auf der Spur 

Trace 32 unterstützt die lizenzfreien BA22-Mikroprozessoren 

Mit der BA22-Familie hat Beyond Semiconductor 

eine schnelle, kompakte und 

energiesparende 32-Bit-Risc-Architektur 

implementiert. Die konfigurierbare IP der 

Prozessorfamilie deckt sowohl Deeply- 

Embedded-CPUs für anspruchsvolle energiesparende 

SoC-Designs als auch hochperformante 

Applikations-Prozessoren ab, 

auf denen auch komplexe Betriebssysteme 

wie Linux ablaufen. Das sehr gute Verhältnis 

von Rechenleistung zu Stromaufnahme 

The PCB 

Design Revolution 

sowie von Rechenleistung zu Fläche ergibt 

zusammen mit der Konfigurierbarkeit des 

BA22 einen exzellenten Ersatz für die betagten 

8-Bit-8051-CPUs. Gleichzeitig stehen 

den Entwicklern viele Erweiterungsmöglichkeiten 

zur Verfügung. 

Der Hersteller von Entwicklungswerkzeugen, 

Lauterbach, hat sein Trace 32 nun 

an die BA22-Familie angepasst. Die Trace- 

32-Tools bieten einen schnellen und effizienten 

Debug-Zugriff über ein Standard- 

CR-8000 


Liefert leistungsfähiges Debugging für die 

BA22-Prozessoren: Trace 32 von Lauterbach. 

Jtag-Interface. Die Leistungen umfassen 

den gesamten Debug-Vorgang: schnelles 

Laden von Code und Daten, Flashprogrammierung 

und Debuggen im Sourcecode. 

Um das Tool mit einem Windows- oder 

mit einem Linux-Hostrechner zu verbinden, 

kann der Anwender wahlweise USB2.0 

oder eine Ethernet-Schnittstelle mit 

10/100/1000 MBit nutzen. Die mitgelieferte 

Powerview-Software bietet einen effizienten 

und benutzerfreundlichen Hochsprachendebugger 

(HLL), der sowohl C/ 

C++ als auch Linux unterstützt. 

Ebenfalls neu ist der Support für die Tricore-Multicore-Architektur 

von Infineon. 

Der Lauterbach Trace-32-Debugger gewährt 

Zugriff auf alle Onchip-Features sowie 

auch auf den Onchip-Trace und ist 

auch voll in die MCDS (Multicore Debug 

Solution) mit seinen Trigger- und Filtermöglichkeiten 

eingebunden. Der Onchip- 

Trace zeichnet sowohl den Programmfluss 

als auch die dazu gehörigen Daten auf, wobei 

jedes Sample mit einem Timestamp 

versehen werden kann. Damit ist eine statistische 

Auswertung der Programmlaufzeiten 

ohne Instrumentalisierung des 

Codes möglich. Weiterhin unterstützt Trace 

32 das Debugging des in den Tricore- 

Chip integrierten HSM (Hardware Security 

Module). (lei) n 



Die weltweit erste Multiboard PCB-Design-Lösung auf Systemebene 

Three dimensions Two hands One environment 

Für weitere Informationen besuchen Sie uns unter: zuken.com/cr8000-elektronik 

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the video


Energiespar-Rechner 

Optimierter Code senkt Stromverbrauch in Low-Power-Anwendungen 

Klar, der Mikrocontroller beeinflusst den Stromverbrauch einer Embedded-Anwendung entscheidend. Doch wie 

wichtig ist seine Programmierung? Wie lässt die sich stromsparend optimieren? Für eine exakte Antwort braucht 

man den Zusammenhang zwischen Energieverbrauch und Applikationscode. Autor: Rasmus Christian Larsen 

Software galt nie als Energieverbraucher. Energie wird aber 

bei jedem Taktzyklus verbraucht: Der Code verdient also 

mehr Aufmerksamkeit, vor allem in energiesensitiven Anwendungen. 

Es reicht bei weitem nicht, den Mikrocontroller 

möglichst lange in den Sleep-Modus zu schicken oder den 

Code zu verkleinern, um die Speicherauslastung zu verringern. 

Wie stark sich vermeintliche Programmierdetails auswirken 

können, zeigt der Unterschied zwischen einer While-Schleife (Polling) 

und einer Interrupt-Serviceroutine. Bei ersterer muss der 

Prozessor im Aktivzustand verbleiben, statt in einen Sleep-Modus 

überzugehen. Werden diese Art von Energieverbrauchsfehler in 

Feld- oder Burn-in-Tests festgestellt, ist es meist zu spät oder zu 

teuer, um sie zu beseitigen. Die Embedded-System-Entwicklung 

sollte heute aus drei Phasen bestehen: 

■ Hardware-Debugging 

■ Software-Funktionsdebugging 

■Volle Software-Energieverbrauchsdebugging 

Kontrolle der Hardwareumgebung des Mikrocontrollers und 

der Gesamtsoftware- und Peripherienutzung sind entscheidende 

Faktoren bei der Verringerung des Gesamtstromverbrauchs und 

bei der Maximierung der Batterielebensdauer. 

Bild 1: Die Mikrocontroller-Familie 

EFM32 Gecko hat Energy Micro 

speziell für stromsparende 

Anwendungen optimiert. 

Bild 2: Das EFM32-Gecko-MCU-Entwicklungskit 

enthält das Advanced 

Energy Monitoring System (AEM), 

um den Stromverbrauch exakt zu 

bestimmen. 

Gewissheit durch Messungen 

Für einfache Messungen eines Hardwareaufbaus genügen ein Oszilloskop 

oder Multimeter. Der Entwickler muss die Werte in eine 

Tabelle eintragen und extrapolieren, um eine vernünftige Abschätzung 

der Batterielebensdauer seines Systems zu erhalten. Es fehlt 

aber die Beziehung zwischen Stromverbrauch und Programmablauf. 

Selbst ein Logik-Analyzer als Code-Betrachtungswerkzeug 

stellt diesen Zusammenhang nicht her. 

Energy Micro ist davon überzeugt, dass für energieoptimierte 

MCU-Designs neben dem richtigen Mikrocontroller auch Entwicklungskits 

nötig sind, die den Stromverbrauch eines Prototypen 

zuverlässig messen sowie unterstützende Softwaretools, die 

den klaren Zusammenhang zwischen dem verbrauchten Strom 

und dem laufenden Code herstellen. 

Passende Hardware 

Den ARM-Cortex-M3-basierten EFM32 Gecko (Bild 1) hat Energy 

Micro speziell für stromsparende Anwendungen entwickelt. 

Der Hersteller hat auf geringe aktive Leistungsaufnahme und niedrigen 

Standby-Strom geachtet sowie für schnelle Aufwach- und 

Befehlsausführungszeiten gesorgt. Die MCU ist zudem mit strom- 



Bilder: Energy Micro

sparender Peripherie ausgestattet, die autonom – also unabhängig 

vom Prozessor-Core – arbeiten kann, was eine längere Verweildauer 

des Prozessors im Sleep-Zustand ermöglicht. Weiterhin stehen 

verschiedene Stromsparmodi zur Verfügung: vom Shut-o� -Modus 

EM4 mit 20 nA bis zum Run-Modus mit 160 µA/MHz. 

Das AEM-System (Advanced Energy Monitoring, Bild 2) des 

EFM32-Entwicklungskits bietet einen Überblick über den Stromverbrauch 

der Anwendung in Echtzeit. Dazu dient das integrierte 

LCD. Das AEM-System tastet den Strom� uss durch die MCU-Versorgungsschiene 

ab und stellt diesen sofort zusammen mit der Spannung 

und den Zeitdaten auf dem Display dar. Der Energieverbrauch 

entspricht der Fläche unterhalb der Stromkurve. 

Der Dynamikbereich des integrierten AEM-Systems reicht von 

100 nA bis 50 mA, womit sich Änderungen beim Stromverbrauch 

selbst in äußerst energiesparenden Anwendungen erkennen lassen. 

Dabei wird nicht nur der von der MCU verbrauchte Strom 

gemessen, sondern auch der Verbrauch anderer Prototypen-Systemkomponenten, 

solange diese über eine AEM-überwachte 

Schiene versorgt werden. 

Software-Tools zum Stromsparen 

Der EFM32 kann Programmzähler-Muster über den Standard- 

SWO-Anschluss (Serial Wire Output) des ARM-Cores ausgeben. 

Diese Information kann man zusammen mit den Strom-, Spannungs- 

und Timing-Daten des AEM-Systems über USB an ein 

Windows-So� waretool namens Energy-Aware-Pro� ler senden 

(Bild 3). Zusammen mit der Code-Objektdatei (*.out) verfügt die 

Pro� ler-So� ware über alle Informationen, die den direkten Zusammenhang 

zwischen Energieverbrauch und Code herstellen. 

Damit steht ein Energie-Debugging zur Verfügung. 

Das Tool verfügt über drei wesentliche Fenster: die Code-Au� istung, 

die Funktionsliste und eine Stromverbrauchsgra� k. Klickt 

der Anwender auf einen beliebigen Punkt der Stromgra� k, hebt 

das Tool den Code-Abschnitt hervor, der für diesen Stromverbrauch 

verantwortlich ist. Die Stromgra� k wird standardmäßig 

logarithmisch dargestellt, der Pro� ler kann die Gra� k aber für 

mehr Detailtreue auch linear wiedergeben. Die Funktionsliste 



Bild 3: Der Energy- 

Aware-Profi ler zeigt 

den Zusammenhang 

zwischen Stromverbrauch, 

C-Code und 

der verbrauchten 

Energie des jeweiligen 

Code-Abschnitts. 

Durch Klicken auf eine 

Stromspitze wird der 

dazugehörige Code 

markiert. 

schließlich beschreibt den summierten Energieverbrauch jeder 

Funktion und den jeweiligen Prozentsatz der verbrauchten Gesamtenergie. 

Mehr Details 

Neben der Darstellung des Code-Abschnitts und des dazugehörigen 

Stromverbrauchs zu einem bestimmten Zeitpunkt, zeigt die 

Code-Au� istung noch weitere Daten: die jeweils ablaufende Funktion, 

das letzte Programmzähler-Muster, den Strom, die Spannung 

und den Zeitpunkt der Code-Ausführung. Der Durchschnittsstrom 

lässt sich ebenfalls berechnen. Es ist auch möglich, IRQ- 

Pinpointing (Interrupt Request) zu aktivieren, was eine Au� istung 

verschiedener IRQs in unterschiedlichen Farben zur einfacheren 

Identi� kation ermöglicht. 

Bisher war der genaue Energieverbrauch eines Produkts bis zum 

Ende des Entwicklungszyklus ungewiss. Zu diesem Zeitpunkt ist 

jedoch die zeitliche Optimierung des Codes für mehr Energiee� - 

zienz kaum noch möglich. Im Gegenzug mussten Entwickler Batterien 

überdimensionieren, was die Produktgröße, Kosten und 

Komplexität erhöhte. Mit Energie-Debugging lassen sich Stromfresser 

früh und genau aufdecken, ohne die Entwicklungsdauer zu 

verlängern. (lei) ■ 

Der Autor: Rasmus Christian Larsen ist Support- und 

Training-Manager bei Energy Micro in Oslo, Norwegen. 

Das Ziel immer im Blick 

Wer optimieren will, braucht Messwerte. Energy Micro stellt mit dem 

Energy-Aware-Profi ler und der dazugehörenden Hardware passende 

Tools bereit: Sie zeigen nicht nur, wie viel Strom das System braucht, 

sondern auch welche Code-Stelle zu wie viel Energieverbrauch führt. 


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Alle meine Kerne 

Multicore-Kontrolle und -Debugging auf Systemebene 

Neue Funktionen für effiziente Multicore- 

Kontrolle, Visualisierung der inneren Abläufe 

auf Systemebene und die dedizierte 

Unterstützung einer Vielzahl aktueller 

32-Bit-SoCs unterschiedlicher Hersteller: 

Das sind laut PLS die wichtigsten Neuerungen 

der Universal Debug Engine UDE 

3.2. Ein Multicore-Program-Loader steuert 

das Laden der Applikation auf mehrere 

Cores und der Multicore-Run-Control- 

Manager kümmert sich um die synchrone 

Laufzeitkontrolle. Dadurch können die 

durch On-Chip-Trace (MCDS) oder extern 

(Nexus oder Coresight) aufgezeichneten 

Daten visualisiert werden und Code-Coverage, 

Profiling und andere Auswertungen 

ermöglichen. 

In der UDE 3.2.1 hat PLS auch die neuen 

XMC4000-Mikrocontroller von Infineon 

(siehe Seite 18) aufgenommen. Den Echtzeit-Eigenschaften 

der XMC4000-Familie 

kommen insbesondere die grafischen Darstellungsmöglichkeiten 

zugute: UDE zeigt 

Variablen und ihre Verknüpfungen zu physikalischen 

Größen innerhalb der Universal 

Debug Engine. Während eines laufenden 

Programms ist ein Lesen und Schreiben 

des gesamten Hauptspeichers durch 

den Debugger ohne Einschränkung des 

Echtzeitverhaltens möglich. Das erlaubt 

die Animation von Variablen, Registern 

und Speicherinhalten zur Laufzeit. Zudem 

ermöglicht die periodische Aufzeichnung 

des Befehlszählers ein Profiling, das den 

Bild: PLS 

Die neue Universal Multicore Workbench von 

PLS vereinfacht die Multicore-Kontrolle und das 

Debuggen auf Systemebene. Sie unterstützt 

viele 32-Bit-Mikrocontroller-Architekturen. 

prozentualen Anteil von Funktionen an 

der Laufzeit der Applikation ermittelt. 

Zu den weiteren von der UDE 3.2 unterstützten 

Mikrocontrollern zählen Infineons 

auf Tricore 1.6 basierende Audomax- 

Bausteine TC1791/TC1793/TC1798. Die 

speziell für Fehlersuche und Kalibrierung 

entwickelten Emulation-Devices dieser 

High-End-MCU-Familie erweitern die 

Diagnose möglichkeiten. Dedizierten Support 

verspricht PLS auch für die Power- 

Architecture-basierten SPC56x-Bausteine 

von ST Microelectronics und die Qorivva- 

Serie MPC56xx von Freescale. So lassen 

sich mit der UDE 3.2 beispielsweise Derivate 

mit zwei e200-Cores sowohl im sicherheitsrelevanten 

Lockstep- als auch im DP- 

Modus (Decoupled Parallel) auf der gleichen 

Oberfläche debuggen. 

IBH Link S7++ 

Der IBH Link S7++ verfügt über die gleichen Merkmale wie der 

IBH Link S7 und der IBH Link S7 plus und bietet zusätzlich 

folgende Vorteile: 

• 16 gleichzeitige PC-Verbindungen 

• 32 gleichzeitige MPI ® -Verbindungen 

• Automatische Baudrate-Erkennung 

• DHCP fähig 

• RFC1006 

• Diagnose LEDs 


Erweitert wurde zudem der Support für 

die Cortex-M3-basierte STM32F2-Famile 

von ST Microelectronics, die LPC178x-Familie 

von NXP und die Cortex-M4-basierte 

Kinetis-Serie von Freescale. Der Debugger 

kann alle Coresight-Technologien nutzen, 

etwa Serial-Wire-Debug (SWD), Serial-Wire-Viewer 

(SWV), Instrumentation 

Trace Macrocell (ITM) und Enhanced Trace 

Macrocell (ETM). Erstmals unterstützt 

werden außerdem die Kommunikationsprozessoren 

Net-X-50/100/500 und deren 

Echtzeitbetriebssystem RCX von Hilscher. 

Das RCX-Add-on der UDE 3.2 ermöglicht 

eine vollständige Darstellung der Betriebssystemobjekte. 

Eigene Views zeigen die 

Applikationsinstanzen von Tasks, Queues, 

Mutexes, Semaphoren, Timern, Interrupts 

und UARTs mit ihren Eigenschaften und 

aktuellem Status, wobei die aktive Task und 

die Stackauslastung aller Tasks jeweils mit 

einem Blick erkennbar sind. 

Die UDE 3.2 ist für alle 32- und 64-Bit- 

Versionen von Windows XP bis Windows 

7 verfügbar und lässt sich in Eclipse integrieren. 

Zugang zum Target gewähren die 

Universal Access Devices UAD2 oder 

UAD3+; letztere mit Multi-Target-Support, 

Debug-Clock-Raten bis 100 MHz, bis zu 

4 GByte Trace-Speicher und Aufzeichnung 

von Trace-Signalen bis 500 MHz. (lei) n 



• PG-Buchse 

• RJ45-Buchse 

• Spannungsversorgung direkt aus der 

MPI ® /DP-Schnittstelle 

• Anschluss auch an passive Teilnehmer 

über integrierte 24V-Anschlussbuchse 

Turmstraße 77 | D-64743 Beerfelden | Hotline (06068) 3001 | Verkauf (06068) 3002 | Fax (06068) 3074 | info@IBHsoftec.de | www.IBHsoftec.de


Freie Wahl 

Das passende Linux für unterschiedliche Embedded-Designs 

Embedded-Systeme ohne OS zu programmieren ist out. Heute greifen Entwickler selbst in simplen Projekten zu 

einem Betriebssystem. Embedded-Linux hat hier viel zu bieten, vor allem wenn ein Mikrocontroller-Anbieter wie 

Toshiba dieses System unterstützt. Autoren: Roland Gehrmann und Nils Faerber 

Heute erwarten Kunden, dass sie ihre Embedded-Geräte 

einfach vernetzen und per attraktiver Benutzerschnittstelle 

bedienen können. Dieser Trend gilt für Consumer- 

Geräte ebenso wie für industrielle und medizintechnische 

Einrichtungen. Um ein zuverlässiges Design in kurzer Zeit zu erhalten, 

greifen immer mehr Entwickler auf Betriebssysteme zurück. 

Das OS soll komplexe, aber grundlegende Aufgaben integrieren, 

etwa die Kommunikation über Ethernet oder USB. Das und 

viel mehr leistet Linux: Dieses anerkannte, modulare, skalierbare 

und konfigurierbare OS belegt nur wenig Speicherplatz und eignet 

sich somit auch für Embedded-Anwendungen. Es ist lizenzfrei und 

bietet als Open-Source-OS vollen Zugriff auf den Quellcode und 

die dazugehörigen Tools. 

Komplexe Aufgaben leicht gemacht 

Embedded-Profis haben die Applikationsentwicklung rund um 

ein OS oft als unnötig und sogar unerwünscht betrachtet, da ihre 

Designs Prozessor-Zyklen und Speicherkapazität mit großer Sorgfalt 

verwalten. Features wie das Decodieren von Media-Dateien, 

Sicherheitsfunktionen, industrielle Netzwerke, USB, Ethernet, Datenlogger, 

M2M-Kommunikation, Web-Clients und -Server und 

einfallsreich entwickelte Benutzerschnittstellen In-House zu entwickeln, 

wäre jedoch enorm aufwändig. 

Vermeintlich einfache Vorgänge wie das Lesen von Ports fordern 

in Wahrheit komplexe Code-Sequenzen. Diesen Code neu zu schreiben, 

ist fehlerträchtig und langwierig. Trotzdem führt das Ergebnis 

kaum zu einem Aha-Effekt beim Endprodukt. Bestehenden 

Code wiederzuverwenden ist die naheliegende Antwort. Wurde 

der Code jedoch für eine andere CPU/MCU entwickelt, muss ihn 

der Entwickler für den Einsatz im neuen Design modifizieren. Updates 

und Code-Pflege geraten damit zum Problem. 

Ein Embedded-OS übernimmt solche grundlegenden, aber 

komplexe Aufgaben. Auf dieser Basis kann der Entwickler schnelle, 

bequeme und weit verbreitete Schnittstellen implementieren, 

genauso wie fortschrittliche Grafik, um die Optik und Usability zu 

verbessern. Darüber hinaus lassen sich solche Funktionen effizient 

einbinden – in Sachen Zeitaufwand und Entwicklungsressourcen. 

Das Entwicklerteam erhält mehr Spielraum, um wirklich differenzierende 

Merkmale zu implementieren. 

Linux wird als OS für Embedded-Anwendungen immer beliebter. 

Sein quelloffener Kernel-Code bietet Entwicklern hohe Flexibilität 

und das OS ist modular sowie skalierbar mit geringer 

ARM9-Mikrocontroller für 

High-End-Grafik. 



Bilder: Toshiba

Bild 1: Mit einem eigenen Tool 

erstellen die Entwickler das 

Root-Dateisystem für ihr 

Zielsystem. In diesem Dateisystem 

sind schon alle nötigen 

Strukturen und Komponenten 

hinterlegt. 

Bild 2: Für dieses TMPA9xbasierte 

Embedded-System bieten 

Toshiba und die Partner-Firma 

Kernel Concepts ein passendes 

BSP mit allen Tools und Treibern. 

Speicherbelegung, was die Anforderungen an die Systemressourcen 

minimiert. Darüber hinaus ist Linux bekannt für seine zuverlässigen 

Netzwerk-, Internet- und USB-Funktionen zu handhaben, 

die in einem Embedded-Design ohne OS nur schwer zu verwalten 

wären. Komponenten wie ein Web-Server und USB-Host/Device- 

Treiber sind kostenlos erhältlich. Das Lesen einer Schnittstelle, etwa 

eines I2C-Ports, verläu� ebenfalls e� zient. Dank Hardwareunabhängiger 

APIs bleibt einmal geschriebener Code auch in späteren 

Design-Änderungen verwendbar. 

Umfangreiche Unterstützung bei der Entwicklung funktionsreicher 

gra� scher Benutzerober� ächen (GUIs) liegt ebenfalls vor, 

einschließlich Open-Source-Gra� kbibliotheken wie GTK und Qt, 

High-Level-Funktionen wie OpenGL und Zugri� auf eine Vielzahl 

handelsüblicher Tools zum Erstellen der GUI und Rendering- 

Fonts. Erfordert die Anwendung ein Dateisystem, um beispielsweise 

die NTFS-Partition eines USB-Sticks zu lesen, lässt sich dies 

leichter mit Linux bewerkstelligen als mit einem anderen Embedded-OS 

– und das ohne Programmieraufwand. Linux ist auf eine 

Vielzahl von Prozessoren portiert worden, einschließlich den verbreiteten 

ARM-Architekturen. 

Die Kehrseite der Flexibilität ist, dass das Zusammenstellen aller 

notwendigen Informationen und So� ware-Komponenten eventuell 

viel Zeit kostet. Treiber für Mikrocontroller-Peripherie oder 

Touchscreen-Controller zu � nden, kann sich als besondere Herausforderung 

erweisen. 

Open-Source-Plus 

Toshiba Electronics Europe hat sich mit dem So� warespezialisten 

Kernel Concepts zusammengeschlossen, um die Embedded-Linux-Entwicklung 

auf Basis der ARM9-Mikrocontroller-Familie 

TMPA9xx voranzutreiben (Bild 2). Beide Unternehmen bieten ein 

komplettes BSP (Board Support Package) mit Bootloader, Treiber 

für die integrierte Peripherie der TMPA9xx-MCU, inklusive LCD-, 

Touchscreen- und SD-Host-Controller, sowie alle erforderlichen 

Komponenten zur Verwaltung der MCU-Schnittstellen, wie I2C, 

USB-Device- und Host-Controller, UART und GPIOs. 

Das BSP basiert auf der Linux-Distribution µCross von Kernel 

Concepts. Hinzu kommen eine Cross-Development-Toolchain 

(GCC), ein Root-Dateisystem mit Paketmanagement und Quellcode 

für vorkompilierte Pakete, sowie ein SDK, das GUI-Entwicklungstools 

wie GTK+, Qt oder Qt/Embedded unterstützt. Der 

Bootloader des BSP ermöglicht das Hochladen von So� ware auf 

das Board oder die serielle Peripherie der MCU und unterstützt 

die NAND-Flash-Optimierung, einschließlich Wear-Levelling, 

Bad-Page-Handling und Organisation in mehrere Partitionen. 

Im Vergleich zu einer unabhängigen Bootloader-Entwicklung 

kann dies zwei bis drei Wochen an Arbeit einsparen. Um die Entwicklung 

weiter zu vereinfachen und zu beschleunigen, wurde die 



Lösung so optimiert, dass sich die So� ware auf dem Host-PC fast 

identisch wie auf der Zielhardware verhält. Das komplette Root- 

Dateisystem (Bild 1) ist im Entwicklungssystem auf einem NFS- 

Laufwerk gehostet. Änderungen sind daher im lokalen System sehr 

einfach, bevor man in ein binäres Format wechselt, das als Dateisystem-Image 

zum Export auf das Target-Board dient. 

Damit lassen sich kleine Änderungen lokal vornehmen – ohne 

jedes Mal das gesamte System auf das Board herunterladen zu 

müssen. Dies beschleunigt den Projektabschluss. Das Entwicklerteam 

kann sich auf einen reibungslosen Übergang der Applikation 

vom Host auf das Target verlassen; unangenehme Überraschungen 

im späteren Projektverlauf werden vermieden und bei der Hardware-Integration 

kann man sich auf die Behebung kleinerer Fehler 

konzentrieren. Dies ist vor allem in Projekten mit vielen Hardware- 

Abhängigkeiten vorteilha� . 

Das Beste aus beiden Welten 

Im Geiste der Open-Source-Entwicklung ist die Embedded-Linux- 

Lösung für Toshibas TMPA9x-Reihe ö� entlich verfügbar – mittels 

GIT-Server, um den Zugri� auf verschiedene Kernel-Versionen zu 

garantieren. Entwickler können damit frei entscheiden, was einen 

sicheren Zugri� auf bekannt sichere ebenso wie neueste Versionen 

ermöglicht. Fehlerbehebungen und Patches, einschließlich jener, 

die Entwickler des Kunden beisteuern, sind ebenfalls über den 

GIT-Server erhältlich. 

Dieser Ansatz kombiniert die Flexibilität von Open-Source-Projekten 

mit der Sicherheit, dass professionell unterstützte So� ware 

zur Verfügung steht. Das Ergebnis sichert Wahlfreiheit, beseitigt 

Designrisiken und vermindert die Gefahr von Verzögerungen. 

Entwickler erzielen somit kostene� ziente Ergebnisse und erhalten 

klar di� erenzierte Produkte innerhalb der geforderten Markteinführungszeiten. 

(lei) ■ 

Die Autoren: Roland Gehrmann (im Bild) ist MCU Marketing 

Manager bei Toshiba Electronics Europe in Düsseldorf. 

Nils Faerber hat die Firma Kernel Concepts mitgegründet 

und ist heute Gesellschafter. 

Ein gutes Gespann 

Moderne Embedded-Designs profi tieren von einem OS wie Linux. Wer 

Toshiba-Mikrocontroller einsetzt und das passende BSP verwendet, 

spart obendrein bei der Suche und Auswahl der passenden Komponenten, 

Treiber, Bibliotheken und Cross-Development-Werkzeuge. 


➤ Halle 4A, Stand 314 


Verzeichnisse/Impressum 

Inserenten 

Altera Titelseite 

Bernstein 27 

Beta LAYOUT 37 

Bicker 23 

CONTRINEX 4. US 

Deutsche Messe 47 

Digi-Key Titelseite, 2. US 

Distrelec Schuricht 5 

Unternehmen 

ADL Embedded Solutions 6 

Altera 8, 23 

Analog Devices 23 

ARM 34 

Arrow 23 

Atmel 27, 56 

Avnet 23 

Beyond Semiconductor 59 

CATS Software Tools 48 

Cincon 23 

Congatec 38 

Personen 

Bajaj, Binay 27 

Brüning, Guido 6 

Büchner, Frank 48 

Cieri, Mark 27 

Cubasch, Frank 24 

Day, Robert 52 

Einwich, Karsten 6 

Impressum 

REDAKTION 

Chefredaktion: Dr. Achim Leitner (lei) (v.i.S.d.P.) 

Tel.: +49 (0) 8191 125-403, E-Mail: achim.leitner@huethig.de 

Redaktion: Stefanie Eckardt (eck) 

Tel.: +49 (0) 8191 125-494, E-Mail: stefanie.eckardt@huethig.de 

Ina Susanne Rao (rao) 

Tel.: +49 (0) 8191 125-494, E-Mail: ina.rao@huethig.de 

Jürg Fehlbaum (feh), freier Mitarbeiter 

Tel.: +41 (0) 56 610 55 55, E-Mail: info@easytext.ch 

Redaktion all-electronics: 

Hilmar Beine (hb), Tel.: +49 (0) 6221 489-360, 

Siegfried W. Best (sb), Tel.: +49 (0) 6221 489-240 

Melanie Feldmann (mf), Tel.: +49 (0) 6221 489-463 

Hans Jaschinski (jj), Tel.: +49 (0) 6221 489-260 

Alfred Vollmer (av), Tel.: +49 (0) 89 606 685 79 

Harald Wollstadt (hw), Tel.: +49 (0) 6221 489-308 

Office Manager: Waltraud Müller 

Tel.: +49 (0) 8191 125-408, E-Mail: waltraud.mueller@huethig.de 

ANzEIgEN 

Anzeigenleitung: Frank Henning 

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Redaktion elektronikJOURNAL 

Justus-von-Liebig-Str. 1, 86899 Landsberg am Lech 

E-Mail: info@elektronikjournal.de 

Internet: www.elektronikjournal.com 

ebm-papst 31 

ELECTRONIC ASSEMBLY 41 

Emba-Protec 3. US 

EMTRON 23, 25 

Fischer 3 

Fortec 15 

Ginzinger 55 

GlobTek 45 

Digilent 23 

Energy Micro 60 

Enpirion 27 

Fischer Elektronik 28 

Fortec 23 

Fraunhofer IIS 6 

Freescale 34, 63 

Fujitsu Semiconductor Europe 16 

Green Hills Software 55 

Helbling Technik 44 

Hilscher 63 

Eisenmann, Martin 44 

Faerber, Nils 64 

Gehrmann, Roland 64 

Glöe, Dr. Günter 48 

Harpain, Jürgen 28 

Hauser, Norbert 40 

Heinz-Fischer, Wolfgang 34 

IBH softec 63 

IXXAT 35 

MES 15 

Mesago 17, 39 

Microchip 19 

National Instruments 11 

Panasonic Electric Works 29 

PEAK 53 

Hitex Development Tools 48 

HY-Line Computer Components 6 

Infineon 18, 59, 63 

Insys Icom 31 

Intel 34 

Ixxat 31 

Kernel Concepts 64 

Kontron 6, 34, 40 

Lauterbach 59 

Lynuxworks 52 

Magic Power Technology 24 

Koelling, Todd 8 

Kristof, Martin 6 

Larsen, Rasmus Christian 60 

Lee, Paul 20 

O’Dowd, Dan 55 

Saether, Kristian 56 

Schreiner, Manuel 16 

Handelsregister-Nr.: HRB 703044, Amtsgericht Mannheim 

Geschäftsführung: Fabian Müller 

Verlagsleitung: Rainer Simon 

Produktmanager Online: Philip Fischer 

Vertrieb: Stefanie Ganser 

Abonnement-und Leser-Service: Tel.: +49 (0) 6123 92 38-257, 

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Art Director: Jürgen Claus 

Layout und Druckvorstufe: Horst Althammer 

Druck: Vogel Druck und Medienservice, GmbH & Co KG, 

Leibnizstraße 5, D-97204 Höchberg, Tel.: +49 (0) 931 46 00-02 

ISSN: 0013-5674 

Jahrgang: 47 

Erscheinungsweise: 6 x jährlich 

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Vervielfältigung und Verbreitung, das Recht zur Bearbeitung, 

PLS 16 

TQ-Systems 49 

TWK 6 

WDI 14 

Xilinx 7 

Zuken 59 

Microchip 17 

Murata Power Solutions 20 

NXP 63 

Plexus 6 

PLS 63 

Renesas 16 

ST Microelectronics 63 

Texas Instruments 12, 34 

Toshiba Electronics Europe 64 

TQ-Group 34 

Xilinx 23 

Söldenwagner, Robert 38 

Soni, Maneesh 12 

Zieboll, Werner 6 

Zizala, Dr. Stephan 18 

Umgestaltung und Übersetzung, das Recht zur Nutzung für eigene 

Werbezwecke, das Recht zur elektronischen/digitalen Verwertung, 

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