Automobile --- Verteilte Systeme auf Rädern - Friedrich-Alexander ...

Vorspann Abgrenzung Spezialisierung Abspann 

Automobile — Verteilte Systeme auf Rädern 

Wolfgang Schröder-Preikschat 

Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg 

Institut für Informatik, Lehrstuhl Informatik 4 

— Verteilte Systeme und Betriebssysteme — 

www4.informatik.uni-erlangen.de 

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Automobile — Verteilte Systeme auf Rädern


Überblick 

Informatikaspekte der Deutschen liebstes Kind 

Automobile aus Sicht eines Betriebssystemexperten 

(Quelle: DaimlerChrysler AG) 

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Inhalt 

Automobil als verteiltes eingebettetes System 

Überblick 

Abgrenzung 

Vernetztes System 

Verteiltes System 

Spezialisierung 

Eingebettetes System 

Automobil 

Abspann 

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Vernetztes System Verteiltes System 

Rechnernetz 

Zusammenschluss verschiedener technischer elektronischer Systeme 

◮ ein Verbund von Knoten 

◮ insbesondere Rechner 

◮ aber auch Sensoren 

◮ und/oder Aktoren 

◮ von komplexer Topologie 

◮ aktiv (Ring) 

◮ passiv (Bus) 

◮ Stern, Baum, Masche 

◮ ggf. mit Hauptnetz 

◮ Rückgrat (backbone) 

☞ das Internet — 07/2006 ca. 440 Mio. Leitrechner (engl. hosts) 

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Rechnernetz einer anderen Art. . . 

Multichipmodul — mehr als einen Rechner/Prozessor in den Händen 

(Quelle: IBM) 

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Rechnernetz noch einer anderen Art. . . 

Multikernprozessor — mehr als eine CPU auf einem Fingernagel 

(Quelle: IBM) 

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Drahtloses Sensornetz 

Halbintelligenter Staub (engl. smart dust) 


Mikrocontroller von Sandkorngröße, die über Radiofrequenztechnik 

miteinander kommunizieren 

◮ jeder einzelne Kleinstrechner bildet einen kubischen Sensor 

◮ engl. mote 

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Verteiltheit 

...kooperierende Prozesse, die über keinen gemeinsamen Speicher verfügen 

So naheliegend es ist, die physikalische Verteiltheit als 

Kennzeichen eines verteilten Systems anzusehen, so 

unklar ist es, wann man ein System als physikalisch 

verteilt betrachtet und wann nicht. Es drängt sich 

unwillkürlich die Frage auf, ab welcher Entfernung von 

Komponenten die Bezeichnung als verteiltes System 

gerechtfertigt ist. (Ralf G. Herrtwich, Günter Hommel) 

◮ Technologiefortschritt lässt Distanzen Schrumpfen. .. 

◮ gestern Rechnernetz, heute/morgen ” 

system on chip“ (SoC) 

◮ Funktionsaufteilung auf eigenständige Komponenten bleibt 

◮ physikalische Verteilung außen vor zu lassen, ist jedoch voreilig 

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Verteiltheit ⇐⇒ Separation 

Abstraktion 


A distributed system consists of multiple autonomous 

processors that do not share primary memory, but 

cooperate by sending messages over a communication 

network. (Henry E. Bal) 

◮ als ” 

Einzelsystem“ (logisch) in Erscheinung tretend 

◮ gemeinsame Nutzung im Verbund verfügbarer Betriebsmittel 

◮ engl. resource sharing 

A distributed system is one in which the failure of a 

computer you didn’t even know existed can render your 

own computer unusable. (Leslie Lamport) 

◮ 

” 

Transparenz“ als graduelle Eigenschaft des Verbunds 

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Netzwerktransparenz 

Abstraktion von der Örtlichkeit von Komponenten und der Art des Zugriffs 

Trans·pa’renz 1 Durchscheinen, Durchsichtigkeit 

2 Unsichtbarkeit (in der Informatik) 

Ortstransparenz 

◮ Namensdienst ( ” 

weiße Seiten“) 

◮ Verzeichnisdienst ( ” 

gelbe Seiten“) 

◮ Erkennungsdienst 

◮ spontane Netze 

Zugriffstransparenz 

◮ gleichartiger Zugriff auf lokale und 

entfernte Komponenten 

◮ Fernaufrufsystem 

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Abstrakte Maschine 

Diensteschicht (engl. middleware) zwischen Anwendung und Betriebssystem 

Middleware 

64−Bit 32/64−Bit 32−Bit 

8/16/32−Bit 

big−endian big−endian bi−endian little−endian 

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Middleware 

Verallgemeinerung heterogen aufgebauter, vernetzter Systeme 

he·te·ro’gen andersartig, ungleichartig, verschiedenartig, 

fremdstoffig; Ggs. homogen 

He·te·ro·ge·ni’tät findet sich auf folgenden Ebenen wieder: 

◮ Netzwerke ...... Anschlusstyp, Medium, Technik, Topologie 

◮ Prozessoren. .......................Informationsdarstellung 

◮ Betriebssysteme . .............. Ausführungsumgebung, API 

◮ Programmiersprachen ........ Syntax, Semantik, Pragmatik 

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Heterogenität: Informationsdarstellung 

Zahlendarstellung 


16909060 10 = ? 2 

= 16777216 + 131072 + 512 + 256 + 4 

= 2 24 + 2 17 + 2 9 + 2 8 + 2 2 

= 1000000100000001100000100 2 

32-Bit Rechner benötigen zur Speicherung dieser Zahl vier Bytes: 

Byte Abschnitt 

A 00000100 

B 00000011 

C 00000010 

D 00000001 

Aber in welcher Reihenfolge liegen diese vier 

Bytes nacheinander im Speicherwort? 

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Vorspann Abgrenzung Spezialisierung Abspann Vernetztes System Verteiltes System 

Heterogenität: Speicherrepräsentation 

Endianness“ von 32-Bit breiten Dualzahlen 

” 

Speicherwort 

0 

Motorola Bytesex“ 

” 

00000001 00000010 00000011 00000100 

Intel Bytesex“ 

” 

1 

2 

3 

big endian 

little endian 

0 

1 

2 

3 

Speicherwort 

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Heterogenität: Bytereihenfolge 

Bedeutungsgleichheit von Information 


Anordnungsmöglichkeiten der Bytes in einem 32-Bit Speicherwort: 

Byte Bedeutung 

Anordnung 0 1 2 3 little endian big endian 

little endian A B C D 16 909 060 67 305 985 

big endian D C B A 67 305 985 16 909 060 

middle endian 

B A D C 33 620 995 50 594 050 

C D A B 50 594 050 33 620 995 

◮ Information (verteilt) in vernetzten Systemen ist nur im Falle 

gleichartiger Prozessoren bedeutungsgleich 

◮ Middleware sorgt für den bedeutungserhaltenden Austausch 

von Informationen in heterogenen Systemen 

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Heterogenität: Etymologie zur Bytereihenfolge 

Glaubenskampf über das ” 

Eieröffnen“ (Gullivers Reisen von Jonathan Swift, 1726) 

Die Bewohner von Lilliput sind über die Frage, an welchem Ende 

ein gekochtes Ei zu öffnen ist, in zwei verfeindete Lager gespalten: 

little endians öffnen am dünnen Ende 

◮ Lilliput 

big endians öffnen am dicken Ende 

◮ Blefuscu (Quelle: Herman Moll, 1654 –1732) 

Anspielung auf die Abspaltung der englischen Kirche bzw. 

Königstreuen um Henry VIII., die ” 

Spitz-Ender“ in der 

Satire, von der katholischen Kirche, die ” 

Dick-Ender“. 

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Eingebettetes System Automobil 

Transparenz kompletter Rechensysteme 

Unsichtbares Rechnerwesen (engl. invisible computing) 

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Spezialzwecksysteme 

Ein Gebiet, auf dem keine Weisheit universell ist 


eingebettetes System (engl. embedded system) 

◮ ein rechnerbasiertes System zur Steuerung/Überwachung 

von Funktionen oder Funktionsbereichen 

◮ wissenschaftliche, technische und industrielle Geräte/Anlagen 

◮ entworfen, um eine (sehr) spezielle Aufgabe auszuführen 

◮ wenngleich mit Wahlmöglichkeiten und Optionen 

◮ jedes in einem Produkt versteckte Rechensystem, wobei das 

Produkt selbst jedoch kein Rechner ist 

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Prozessorproduktion ist für Spezialzwecksysteme 

” Kleinvieh“ macht den Mist! Lieferungen (× 1000) 

Prozessoren 

Technologie 

4-Bit 8-Bit 16-Bit 32-Bit 

Σ % 

MCU 1680 000 4770 000 764 000 43 000 7257 000 87.6 

eMPU − 20200 108 000 153 100 281 300 3.4 

DSP 600 000 7.2 

MPU 150 000 1.8 

gesamt 8288 300 100 

(Quelle: Tennenhouse, CACM, 2000) 

Marktentwicklung MCU: 

2000 2004 

4-Bit 23.2 % 4% 

8-Bit 66.7 % 29% 

16-Bit 10.5 % 53% 

32-Bit 0.6 % 14% 

(Quelle für 2004: Industry Analysts) 

Eingebettete Systeme bilden vor 

allem Massenprodukte, für deren 

Herstellung jeder Cent zählt... 

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Prominenter Vertreter solcher Spezialzwecksysteme 

(Quelle: DaimlerChrysler AG) 

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Elektronik im Automobil 

Brettaufbau A6 


(Quelle: Audi AG) 

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Funktionsaufteilung im Steuergerätenetzwerk 

Innerhalb des Q7 

(Quelle: Audi AG) 

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. . . nichts geht mehr ohne Elektronik 

Verlässlichkeit (engl. dependability) 


Verlässlichkeit 

Verfügbarkeit 

Zuverlässigkeit 

Gefahrlosigkeit 

Wartbarkeit 

Vertraulichkeit 

Sicherheit 

Unversehrtheit 

qualitativ: 

[. . .] the ability to deliver service 

that can justifiably be trusted. 

quantitativ: 

[...] the ability to avoid service 

failures that are more frequent 

and more severe than acceptable 

to the user(s). 

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Verlässlichkeit 

Oberbegriff 


Verfügbarkeit (engl. availability) 

◮ Bereitschaft zum richtigen/ordnungsgemäßen Betrieb 

Zuverlässigkeit (engl. reliability) 

◮ Dauer derSicherheit Verfügbarkeit (engl. security) 

Wartbarkeit (engl. maintainability) 1. Verfügbarkeit nur für berechtigte Nutzer 

◮ Fähigkeit zu Änderungen/Reparaturen 

2. Vertraulichkeit 

3. Unversehrtheit in Bezug auf unberechtigte 

Vertraulichkeit (engl. confidentiality) 

Systemänderungen 

◮ Abwesenheit unberechtigter Offenlegung von Information 

Unversehrtheit (engl. integrity) 

◮ Abwesenheit unzulässiger Änderungen am System 

Gefahrlosigkeit (engl. safety, Betriebssicherheit) 

◮ Abwesenheit katastrophaler Folgen auf Nutzer/Umgebung 

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Fehlertransparenz 

Hochverfügbarkeit (engl. high availability) 


partielle Fehler (im Netz) werden bis zu einem bestimmten Grad 

von einem verteilten System maskiert 

Fehlermaskierung wird erreicht durch Redundanz: 

◮ Systemteile, die bei Fehlerfreiheit nicht notwendig wären 

strukturelle - Vervielfältigung von Komponenten 

◮ baugleiche/alternative Entwürfe 

funktionale - zusätzliche, unterstützende Komponenten 

◮ Sensoren 

◮ ebenso Kodierungstechniken, algorithmische Maßnahmen 

◮ Informations- bzw. Zeitredundanz 

☞ verteilte Systeme geben strukturelle/funktionale Redundanz 

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Vorspann Abgrenzung Spezialisierung Abspann Resümee 

Welt am Draht“ 

” 

Umgebende Intelligenz (engl. ambient intelligence) 

⎧ 

⎨ 

⎩ 

[verteiltes] grid 

[durchdringendes] pervasive 

[allgegenwärtiges] ubiquitous 

⎫ 

⎬ 

⎭ computing 

◮ jedes ” 

Gerät“ ist mit Kleinstrechnern (Sensoren, Aktoren) 

bestückt, die die unbegrenzte globale Vernetzung ermöglichen 

◮ die Gerätenetze sind in einer Art und Weise in die Umgebung 

eingebettet, dass ihre Konnektivität jederzeit verfügbar und 

höchst unaufdringlich ist 

Fiktion? Ja und nein, je nach Betrachtungsebene. . . 

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Zusammenfassung 

Resümee 

Wesensmerkmal verteilter Systeme ist die Netzwerktransparenz 

◮ als Einzelsystem in Erscheinung tretender Rechnerverbund 

◮ gemeinsame Nutzung im Verbund verfügbarer Betriebsmittel 

Fehlertransparenz impliziert Verteiltheit und Separation 

◮ sicherheitskritische Systeme erfordern Hochverfügbarkeit 

◮ Automobile sind zunehmend sicherheitskritische Systeme 

Informatik ist eine Schlüsseltechnologie 

◮ Elektronik macht 90 % der Innovationen im Automobil aus 

◮ 80% davon sind Software 

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Resümee 

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