Der Elektronik-Absolvent in KMU-Entwicklungsabteilungen

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Der Elektronik-Absolvent in KMU-Entwicklungsabte
ilungen

• Ing. Thomas Pischinger
• 9. März 2010

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Agenda

• Persönliches
• Erfahrungen / Aufgabengebiete
• Allgemeine Anforderungen
• Hardware-Entwicklung
• Firmware-Entwicklung

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Werdegang

• Absolvent TGM Nachrichtentechnik (N81b)
• 1982-2001 Datentechnik AG (Keymile AG)
• Entwicklungsingenieur
• Gruppen- bzw. Abteilungsleiter Bereich
  Entwicklung
• Bildschirmtext
• Datex-P (X.25) Lotto/Toto
• ISDN
• Datennetzabschlussgeräte mit Backup und
  Management

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Werdegang

• 2001-2003 maxxio technologies AG
• Vorstand Technik
• Datennetzabschlussgeräte mit Management, IP und
  Frame-Relay Routing auf Linux Basis
• 2004-2007 Frequentis AG
• Technischer Projektleiter
• GSM-R Projekte in GB, FIN, N, CH

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Werdegang

• 2007-heute Winpresa Building Automation
  Technologies GmbH
• Geschäftsführer / Bereich Technik
• IP-basierende Kommunikationslösungen für alle
  möglichen Bereiche der Gebäudeautomation

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Hardware -Entwicklungsschwerpunkte

• Analogtechnik
• Netzteile (DC/DC-Wandler)
• Nf-Verstärker
• Filter
• Digitaltechnik
• FPGA (XILINX, Altera)
• Microprozessor/-controller
• µP (6502, Z80, 80188)
• µC (8048, 8051, 68302, MPC860, MIPS, ARM)
• Peripherie
• SRAM, SDRAM
• Serielle Controller (UART, HDLC)
• ISDN (Basic -, Primary Rate Controller)
• Modem (V.xx, SHDSL, ADSL)
• EMV

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Firmware - Entwicklungsschwerpunkte

• Sprachen
• Assembler
• C (C)
• Betriebssysteme
• Proprietäre Multitasking-System
• LINUX
• Anwendungen
• Steuerungsaufgaben
• Kommunikationsprotokolle
• User Interfaces

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Agenda

• Persönliches
• Erfahrungen / Aufgabengebiete
• Allgemeine Anforderungen
• Hardware-Entwicklung
• Firmware-Entwicklung

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Ausbildungsstand der Mitarbeiter
Tendenz HTL fallend TU fallend FH steigend
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Entscheidungsgrundlagen für / gegen
HTL-Absolventen

• In Zeiten von Arbeitskräfte-Mangel
• keine (man nimmt was man bekommt)
• In Zeiten von Arbeitsplatz-Mangel
• keine Präferenz, sondern meist persönlicher
  Eindruck
• aber FH-Absolventen oft gleich teuer wie
  HTL-Absolventen!

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Einsatzgebiete
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Einsatzgebiete Hardware

• Schaltungsentwicklung
• analog
• digital
• µC
• Stromversorgung
• Bauteil-Evaluation (Studium, Test, Angebote
  einholen)
• Prototypenaufbau
• Simulation
• Test
• Hardware / Firmware - Integration
• FPGA-Entwicklung (mit/ohne VHDL)
• EMV Messungen
• Klimatests

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Einsatzgebiete Firmware

• Klein-Controller Anwendungen
• ohne Betriebssystem
• mit simplen Multi-Tasking-System
• 90 Assembler / 10 C
• proprietäre Betriebssysteme
• Message Oriented Multitasking
• Datenkommunikation
• PPP,IP,UDP,TCP,FTP,Telnet, SNMP,
• Sprachkommunikation
• ISDN Basic / Primary Rate
• Steuerungsaufgaben
• User Interfaces (seriell, menü-geführt)
• 1 Assembler / 99 C

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Einsatzgebiete Firmware

• embedded Linux
• Driver Entwicklung (ADC, Tasten, LEDs, LCD, ISDN
  BRI/PRI)
• Sprach- / Datenkommunikation
• Steuerungsaufgaben
• User Interfaces (LCD, Command Line, Web)
• 100 C

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Einsatzgebiete Software

• Linux
• C, C, Perl
• Netzmanagement Systeme

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Agenda

• Persönliches
• Erfahrungen / Aufgabengebiete
• Allgemeine Anforderungen
• Hardware-Entwicklung
• Firmware-Entwicklung

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Allgemeine Anforderungen

• Soziale Kompetenzen
• Kommunikationsfähigkeiten
• Lernbereitschaft
• Informationsbeschaffung
• wo bekomme ich Informationen her?
• was muss ich neu machen / was gibt es schon?
• Qualitätsbewusstsein
• Übereinstimmung mit den Erwartungen des Kunden
• Überschreitung ist genauso schlecht wie
  Unterschreitung !
• Englisch in Wort und Schrift

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Allgemeine Anforderungen

• Nachvollziehbarkeit
• als Dogma der Qualitätssicherung
• als Kostenfaktor für Wartung/Erweiterungen
• Wiederverwendbarkeit
• enormes Einsparungspotential für Firmen
• -gt Dokumentation !

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Entwicklungsprozess
System Requirements Specification
System Design
Hardware Requirements Specification
Software Requirements Specification
Hardware Design
Software Design
Prototyping
Coding
Test
Modul Test
Software Integration
Serie
Test
Test
System Integration
System Test
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Dokumente

• System Requirements (Pflichtenheft)
• System Design Document
• Hardware Design
• Software Design
• Test Specification
• Test Results

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Fehlerbehebungskosten
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Qualitätsmanagement

• in den meisten Firmen vorhanden
• Die acht Grundsätze des Qualitätsmanagements
  (ISO90002000)
• Kundenorientierung
• Verantwortlichkeit der Führung
• Einbeziehung der beteiligten Personen
• Prozessorientierter Ansatz
• Systemorientierter Managementansatz
• Kontinuierliche Verbesserung
• Sachbezogener Entscheidungsfindungsansatz
• Lieferantenbeziehungen zum gegenseitigen Nutzen

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Qualitätsmanagement

• Hauptkapiteln der ISO9001
• Vorwort / Allgemeines
• Qualitätsmanagementsystem (allgem. Anforderungen,
  dokumentierte Anforderungen, QM-Handbuch, Lenkung
  von Dokumenten, Lenkung von Aufzeichnungen)
• Verantwortung der Leitung
• Management von Ressourcen
• Produktrealisierung
• Messung, Analyse und Verbesserung

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Qualitätsmanagement-Prozess
Ständige Verbesserung des Qualitätsmanagementsyste
ms
Kunden
Kunden
Verantwortung der Leitung
Messung, Analyse und Verbesserungen
Management von Ressourcen
Zufrieden- heit
Produkt- realisierung
Produkt
Anforde- rungen
Eingabe
Ergebnis
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QM Produktrealisierung

• Planung der Produktrealisierung
• Kundenbezogene Prozesse
• Entwicklung
• Beschaffung
• Produktion und Dienstleistungserbringung
• Lenkung von Überwachungs- und Messmitteln

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QM Entwicklung

• Entwicklungsplanung
• Milestones mit angemessener Bewertung,
  Verifizierung und Validierung
• Entwicklungseingaben
• Produktanforderungen ermittelt und aufgezeichnet
• Entwicklungsergebnisse
• in einer Form bereitgestellt, die deren
  Verifizierung ggü. Entwicklungseingaben
  ermöglicht
• Entwicklungsbewertung
• systematische Entwicklungsbewertungen gemäß
  Entwicklungsplanung

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QM Entwickung

• Entwicklungsverifizierung
• Entwicklungsergebnisse Entwicklungsvorgaben?
• Entwicklungsvalidierung
• ist das resultierende Produkt in der Lage, die
  Anforderungen für die festgelegte Anwendung zu
  erfüllen
• Lenkung von Entwicklungsänderungen
• Änderungen müssen gekennzeichnet und
  aufgezeichnet werden

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Projektanforderungen an Entwicklung

• Anfrage
• Machbarkeitsanalyse realisierbar?
• Grobkostenanschätzung was kostet es?
• Grobplanung wann fertig?
• Durchführung
• Terminplan
• Kosten
• Reporting
• Ende
• Produktionsüberleitung
• Wiederverwendbarkeit !!!
• Nachvollziehbarkeit !!!

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Projektmanagement Know-How

• Projekt Struktur Plan (PSP)
• Kritischer Pfad
• Gantt-Diagramm (Balkendiagramm)
• MS-Project
• Kostenerfassung

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Agenda

• Persönliches
• Erfahrungen / Aufgabengebiete
• Allgemeine Anforderungen
• Hardware-Entwicklung
• Firmware-Entwicklung

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Hardware-Entwicklung

• aktuelle Technologien
• Schaltungseingabe / Simulation
• EMV
• Sicherheit
• Layout
• Testbarkeit

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aktuelle Technologien

• Fertigungstechnologie
• in Europa wenn möglich 100 SMT
• in Asien oft herkömmlich / bedrahtet billiger
• 32 Bit Microcontroller
• ASICs werden durch FPGAs verdrängt
• Ethernet auch in Branchen-Fremden Bereichen

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Mikrocontroller

• Jährliches Wachstum (2008)
• 8 Bit - 5
• 16 Bit 0
• 32 Bit 10
• Key Driving Factors
• Automotive Industry
• Identification and Security Market
• DSP-fähige Controller für Consumer Market
• möglichst geringer Stromverbrauch

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Marktanteile Mikrocontroller
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Mikrocontroller

• ARM
• immer mehr in Verwendung
• riesige Anzahl von verschiedenen Produkten und
  Tools
• verwendet in Mobiltelefonen, PDAs, Routern z.B.
  iPod, iPhone, iPad
• von unzähligen Herstellern lizenziert

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Mikrocontroller

• MIPS
• verwendet in Cisco Routern, Sony und Nintendo
  Spielkonsolen, Fritz!Box, Satelitenreceivern
• z.B. Infineon INCA-IP2 für VoIP Endgeräte
• ColdFire
• abgeleitet von 68000
• verwendet in d-box, Siemens Nebenstellenanlagen
  (HiPath) und Novomatic Spielautomaten

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Microcontroller

• Blackfin
• 32 Bit RISC 16 Bit DSP
• verwendet u.a. in digitalen Foto- und Filmkameras
• PowerPC
• PowerQUICC für Kommunikationsanwendungen das
  Beste am Markt
• 8051
• noch immer sehr weit verbreitet
• vor allem bei Weiterentwicklungen von bestehenden
  Produkten
• für Neuentwicklungen immer seltener

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Soft-Cores für FPGAs

• XILINX
• 8051, 68HC05, 68HC08, 68HC11, PIC, 68000, 80186,
  PowerPC, TMS32025
• Picoblaze / Microblaze
• 8 Bit / 32 Bit Controller
• flexibel konfigurierbar
• Altera
• ARM Cortex M1, 8051, PIC, 68HC11, Z80, 68000,
  80186, ColdFire
• Nios II
• 32 Bit RISC
• flexibel konfigurierbar

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Field Programmable Gate ArrayFPGA

• 2010 starten 110.000 neue Designs weltweit
• Hersteller
• XILINX
• ALTERA
• VHDL (Very High Speed Integrated Circuit Hardware
  Description Language )
• wird bei vielen Firmen ausschließlich verwendet
• Schaltungseingabe immer seltener
• Design Rules
• Synchrone Designs !!!
• asynchrone Designs sind nicht reproduzierbar und
  abhängig von FPGA Geschwindigkeit
• Intellectual Properties
• sehr viele Funktionsblöcke / ICs als fertiges
  Design verfügbar

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VHDL
Beispiel D-Flipflop (behavioural)
synthetisierbar ENTITY DFlipflop IS
PORT( D,Clk, nResetAsync IN Bit
Q OUT Bit ) END DFlipflop
ARCHITECTURE Behav OF DFlipflop IS BEGIN
PROCESS(Clk,nResetAsync) BEGIN
IF nResetAsync '0' THEN
Q lt '0' ELSIF Clk'EVENT AND Clk
'1' THEN Q lt D
END IF END PROCESS END Behav
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Complex Programmable Logic Device CPLD

• Hersteller
• XILINX
• ALTERA
• im Vergleich zu FPGA
• exakt bestimmbare Durchlaufzeit
• muss nicht bei jedem Start neu geladen werden
• kein externer Speicher
• vor allem für die Lösung komplexer, paralleler
  kombinatorischer AND/OR-Logik
• pro Ein- bzw. Ausgabepins meist nur ein einziges
  Flipflop als Register zur Verfügung

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Schaltungseingabe

• Marktanteile Layout-Systeme
• Mentor Graphics PADS / Expedition (35-40)
• Cadence Allegro/OrCAD (35-40)
• Zuken CADSTART (10)
• Altium Designer (5)
• Bevorzugtes Tool für Schaltungseingabe
• Mentor Graphics DxDesigner
• für alle Layoutsysteme geeignet
• Ergänzende Informationen für Layout
• geometrisches Aussehen (z.B. Breite der
  Leiterbahn, Abstand zu anderen Leiterbahnen)
• elektrische Verhalten (z.B. Verzögerung,
  Wellenwiderstand, Übersprechgrenzen,
  differentielle Leitungen).

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Simulation

• analoge Simulation
• SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit
  Emphasis)
• PSpice (Cadence)
• Simulation von Schaltungsteilen
• HyperLynx (Mentor Graphics)
• Simulation des gesamten Layouts
• digitale Simulation
• für VHDL basierende Designs
• ModelSim

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Elektromagnetische Verträglichkeit

• Störaussendung
• Störfestigkeit
• wesentlicher Kostenfaktor, wenn nicht bereits
  beim Design berücksichtigt
• Bandbreitenbegrenzung
• lokale Entstörung (meist mit RC Gliedern möglich)
• EMV-gerechtes Platinenlayout (Wellenwiderstand,
  Masseflächen)
• fehlertolerante Software
• für CE notwendig

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Störfestigkeit EN61000-6-1/2

• Gehäuse
• Magnetfeld mit energietechnischer Frequenz
• 50/60Hz, 30A/m
• Elektromagnetisches HF-Feld
• 80-1000MHz, 10V/m, 80 AM 1kHz
• Entladung statischer Elektrizität
• Kontaktentladung (4kV)
• Luftentladung (8kV)

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Störfestigkeit EN61000-6-1/2

• Signal- und Steuerleitungen
• Hochfrequenz, asymmetrisch
• 0,15-80MHz, 10V, 80 AM 1kHz
• Schnelle Transienten
• 1kV, 5/50ns, 5kHz Wiederholfrequenz
• Stoßspannungen unsymmetrisch
• 1,2/50µs, 1kV
• Gleichstrom-Netzein- und ausgänge
• Hochfrequenz, asymmetrisch
• 0,15-80MHz, 10V, 80 AM 1kHz
• Schnelle Transienten
• 2kV, 5/50ns, 5kHz Wiederholfrequenz
• Stoßspannungen unsymmetrisch/symmetrisch
• 1,2/50µs, 0,5kV

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Störfestigkeit EN61000-6-1/2

• Wechselstromstrom-Netzein- und ausgänge
• Hochfrequenz, asymmetrisch
• 0,15-80MHz, 10V, 80 AM 1kHz
• Schnelle Transienten
• 2kV, 5/50ns, 5kHz Wiederholfrequenz
• Stoßspannungen
• 1,2/50µs, 2kV unsymmetrisch, 1kV symmetrisch
• Spannungseinbrüche
• 30, 0,5 Perioden / 60 5 Perioden
• Spannungsunterbrechungen
• gt95, 250 Perioden
• Funktionserdeanschlüsse
• Hochfrequenz, asymmetrisch
• 0,15-80MHz, 10V, 80 AM 1kHz
• Schnelle Transienten
• 1kV, 5/50ns, 5kHz Wiederholfrequenz

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Störaussendung EN61000-6-3/4

• Gehäuse
• Freifeldmessung oder Absorberkammer
• 30 1000MHz
• Leitungsgebunde Störaussendung
• Niederspannungs-Wechselspannungs-Stromversorgungsa
  nschluss
• Telekommunikationsanschluss
• Netzanschluss
• 0,15 30MHz

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Sicherheit

• EN 60950 Low Voltage Directive
• Sicherheit von Einrichtungen der
  Informationstechnik
• Verringerung von Gefahren durch
• elektrischem Schlag (Spannungen gt 60V DC)
• Energie (Verbrennungen, Lichtbögen, Versprühen
  von Metallpartikel)
• Brand
• Hitze (Verbrennungen, Schwächung der Isolierung)
• mechanischer Art (scharfe Kanten, bewegliche
  Teile)
• Strahlung
• chemischer Art (Kontakt oder Einatmung)
• EN 60601
• Medizinische elektrische Geräte
• für CE notwendig

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Layout

• meist nicht vom Entwickler gemacht
• aber Entwickler muss Richtlinien erstellen und
  kontrollieren
• Platzierung
• EMV
• Sicherheit
• Mechanik
• Verbindungen

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Testbarkeit

• Hardware muss so gebaut sein, dass sie in
  Produktion kostengünstig getestet werden kann
• 0,80 / Minute Nicht-Techniker
• 1,00 / Minute Techniker
• In-Circuit-Test
• benötigt Nadeladapter
• sehr teuer in der Herstellung (-gt bei großen
  Stückzahlen)
• Testpunkte im Layout (oft Platzmangel)
• Boundary Scan Tests
• BSDL (Boundary Scan Description Language)
• JTAG-Standard IEEE 1149.1 definiert Test Access
  Port (TAP)
• JTAG als Test-Interface
• zum Debuggen von Microcontrollern
• JTAG als Programmier-Interface
• zum Programmieren von Flash, CPLD, FPGA

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Agenda

• Persönliches
• Erfahrungen / Aufgabengebiete
• Allgemeine Anforderungen
• Hardware-Entwicklung
• Firmware-Entwicklung

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Programmiersprachen

• Assembler
• vor allem bei kleinen Mikrocontrollern (z.B.
  8051) für zeitkritische Dinge notwendig
• C
• 99 der Anwendungen
• C
• meist nur für Geräte mit graphischem Display
• erheblich größerer Speicherbedarf!
• Know-How in objekt-orientierter Programmierung
  wenig verbreitet
• JAVA
• in Zukunft auch für embedded Anwendungen

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weitere Anforderungen

• XML (Extensible Markup Language)
• Standard zur Darstellung / zum Austausch von
  Daten
• HTML
• viele Geräte besitzen ein Web-Server für die
  Konfiguration und zur Status-Anzeige
• JAVA-Scripts
• Common Gateway Interface (CGI)

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weitere Anforderungen

• Strukturierte Programmierung
• minimale strukturelle Komplexität
• angemessene kleine Module
• Zusammenwirken zwischen den Modulen eindeutig
• Defensive Programmierung
• Anormale Abläufe bzw. Datenwerte aufdecken und
  darauf reagieren
• Wiederverwendbarkeit
• Dokumentation
• Libraries erstellen und verwenden

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Entwicklungsumgebungen

• KEIL
• sehr häufig in Verwendung
• der Standard für 8051
• für ARM, C166
• CodeWarrior
• alle möglichen Freescale Produkte
• Hitex (HiTop)
• 8051, C166, ARM
• Wind River

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Entwicklungsumgebungen

• Eclipse
• in vielen Firmen verwendet
• gratis
• für Windows und Linux
• vor allem für JAVA, aber auch C/C
• unzählige Plug-Ins (Grafik, Subversion, )

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Versionskontrollsysteme

• unerlässlich bei Projekten mit mehreren
  Entwicklern
• hauptsächlich open source Systeme
• CVS (Concurrent Versions System)
• Subversion (SVN) derzeit Standard
• Proprietäre Systeme
• Visual Source Safe (VSS) - Microsoft
• Clear Case - Rational

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Build-Systeme

• make
• absolut notwendiges Know-How !
• Script Sprachen
• ANT (Eclipse)
• Perl
• Python

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embedded Betriebssysteme

• Marktanteile (Stand 2007)
• 2009 Wind River (VxWorks), der größte Hersteller
  von
• kommerziellen Betriebssystemen ist Marktführer im
  Bereich
• embedded LINUX !

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kommerzielle Betriebssysteme

• bei Real-Time Anwendungen
• Safety-Standard zertifiziert
• Kommunikations- und Graphik-Pakete
• Produkte
• VxWorks / Wind River
• Green Hills
• QNX

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embedded LINUX Anforderungen

• Ausgangsbasis Board Support Package des
  Microcontroller-Herstellers
• Device-Driver (Tasten, LEDs, LCD-Displays,
  Ein-Ausgänge, .)
• für Applikations-Entwicklung
• Threads
• Inter Process Communication (IPC)
• Messaging, Shared Memory, Semaphores, Pipes

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Threads

• Beispiel
• Modul wartet auf mehrere Ereignisse gleichzeitig
• einer Eingabe über die Tastatur
• dem Empfang einer Message von einem anderen Modul
• dem Empfang eines Paketes über das Netzwerk
• auf ein periodisches Timeout

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Applikations-Know-How

• Kommunikationsprotokolle
• IP, UDP, TCP, Telnet, FTP, TFTP,
• Schnittstellen
• Ethernet, USB, Seriell

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Fragen, Kommentare?
thomas.pischinger_at_winpresa.com