Embedded-Design Elektronik-Entwicklung – Wie sich die Zeiten geändert haben

Autor / Redakteur: David Sandys * / Peter Koller

Das Embedded-Design hat in den letzten 30 Jahren eine enorme Entwicklung vollzogen: Kostengünstige Software-Tools und Hardware-Plattformen wie Arduino erleichtern Entwicklern heute das Leben.

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Arduino Due: Leistungsfähige Mikrocontroller-Platine auf der Basis der Cortex-M3-CPU SAM3X8E von Atmel
Arduino Due: Leistungsfähige Mikrocontroller-Platine auf der Basis der Cortex-M3-CPU SAM3X8E von Atmel
(Bild: Arduino)

Wer wünscht sich schon in technischer Hinsicht in die „guten alten Zeiten“ zurück? Vielleicht wäre es aus nostalgischen Gründen einmal unterhaltsam, einen Stapel Lochkarten in die Luft zu werfen und zu versuchen, diesen wieder in die richtige Reihenfolge zu bringen. In der Realität ist es jedoch der Traum eines jeden Entwicklers, von der Vielfalt und Einfachheit der heutigen Entwicklungsumgebungen profitieren zu können.

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Den Entwicklern von heute ist oft nicht klar, wie einfach sie es haben. Doch dies ist keine Geschichte von der Sorte „Ich musste 4 Kilometer durch den Schnee laufen, um zur Schule zu kommen“. Es ist einfach nur so, dass Tool- und Halbleiteranbieter dafür gesorgt haben, dass Embedded-Entwicklungstools heute intelligenter und schneller arbeiten als je zuvor.

Programmierung auf der Rückseite der Serviette

Mit den ersten eingebetteten 32-Bit-Designs in den frühen 90er-Jahren wurden Träume wahr. Das war wirkliche Spitzentechnologie. Man musste nur noch einige Gedanken auf die Rückseite einer Serviette kritzeln und der Rest kam dann fast von selbst. Es gab bereits Entwicklungskarten. Und auch IDEs (Integrierte Entwicklungsumgebungen). So betrachtet scheint es, als hätte sich in den letzten 30 Jahren nicht viel verändert.

Aber hier enden die Ähnlichkeiten bereits. Damals dauerte die Entwicklung ewig. Es gab keine hochintegrierten 32-Bit-RISC-Controller. Eine einfache Sache wie die Bereitstellung einer Schnittstelle zu externen Speichermedien stellte eine Herausforderung dar. Die Speicherschnittstelle musste in irgendeinem PLD von Grund auf neu entwickelt werden. Dann brauchte man Peripheriegeräte und anderes Zubehör. Was an Investitionen erforderlich war, nur um mit der Entwicklungsarbeit beginnen zu können, ist heute unvorstellbar. Zunächst kostete die günstigste Evaluierungskarte etwa 400 €, wobei die meisten mindestens doppelt so teuer waren. Die Kosten für IDEs lagen bei 2.000 €. Der Speicher für die Karte kostete weitere 400 €.

Als dann Leiterplattenprototypen für Entwicklungszwecke verfügbar waren, wurde ein ICE oder In-Circuit Emulator (für diejenigen von Ihnen, die unter 30 sind) benötigt, um stabile Speicher- und Busschnittstellen bereitstellen zu können. Der ICE kostete mindestens 12.000 €. Insgesamt musste man mit mindestens 20.000 € rechnen, um auch nur anfangen zu können. Für die breite Masse stellte dies eine gewaltige Hürde dar. All das ermöglichen heute kostengünstige Tools und integrierte Lösungen schon für ... 10 €! Mit der Verfügbarkeit kostengünstiger Werkzeuge für den Schaltungsentwurf, kostenloser oder kostengünstiger Platinenlayout-Tools, Systemmodulen sowie kostengünstiger Hardware-Evaluierungs- und Entwicklungsumgebungen veränderte sich die Community der Entwickler radikal.

Die Serviette ist der beste Freund eines Entwicklers. Sie ermöglicht es, Gedanken auf schnelle Weise zu Papier zu bringen und leistet bei zahllosen Brainstormings gute Dienste. Wie aber können diese Gedanken in einem nächsten Schritt am besten weiterverarbeitet werden – und wäre es im Jahr 2014 nicht an der Zeit, ein wenig mehr an unsere Umwelt zu denken? Das kostenlose Online-Diagrammtool Scheme-it ermöglicht es Ihnen, auf individuelle Weise Lösungen zu entwerfen. Ob Sie nun auf Block-, Schaltplan-, Symbol- oder sogar auf Entwicklungskartenebene arbeiten möchten – Scheme-it unterstützt Sie dabei, Ihr Design auf die nächsthöhere Stufe zu bringen.

Mit einer Importfunktion für Materiallisten (damit Sie auf Basis eines vorhandenen Designs starten können), kooperativem Design, Integration von 4 Millionen Digi-Key-Teilen, technischem Support per Chat sowie integrierter Bestellung und Angebotserstellung auf der Grundlage von Materiallisten gibt es schlicht keine einfachere Möglichkeit, um Ihre Notizen auf der Rückseite einer Serviette in eine Materialliste zu verwandeln.

Zeichnungen sind gut, aber Leiterplatten sind besser. Testen Sie PCBWeb, das neue, umfassende Tool für Schaltplanerstellung und Leiterplattenlayout, das von Digi-Key und Aspen Labs bereitgestellt wird. Erstellen Sie auf einfache Weise Ihre eigenen Symbole und Footprints und profitieren Sie bei der Komponentenauswahl von der Integration mit dem vollständigen Digi-Key-Katalog. PCBWeb bringt Sie einen Schritt weiter als jede andere Lösung. Denn Sie können Leiterplatten von weltweit führenden Herstellern und Ihre Komponenten jetzt direkt bei Digi-Key bestellen. Auf diese Weise werden Sie optimal bei einer schnellen Umsetzung Ihres Designs unterstützt.

Ein Entwicklungs-Tool anstelle eines Kinoabends

Nehmen wir an, es ist Mittwochabend und Sie denken darüber nach, ins Kino zu gehen. Für denselben Preis erhalten Sie eine wirklich hervorragende Entwicklungsplattform, die Ihnen viele Tage Freude bereiten wird – im Gegensatz zu den meisten Filmen, bei denen Sie anschließend vielleicht am liebsten Ihr Geld zurückfordern würden.

Plattformen wie Arduino, BeagleBone Black, Freedom Launchpad und Discovery bieten allesamt Lösungen für unter 40 €, kostenlose oder fast kostenlose IDEs, Beispielcode sowie Online-Communitys, die Sie bei der Erstellung Ihres nächsten Meisterstücks unterstützen. Breakout-Karten, Referenzdesigns und eine Vielzahl von Open-Source-Bibliotheken sorgen dafür, dass eine gute Basis für Ihr Design vorhanden ist.

Modulbasiertes Design beschleunigt die Markteinführung

Eine der großartigsten Innovationen für moderne Entwickler ist das modulbasierte Design. Für ein Großseriendesign, bei dem jedes einzelne Element optimiert werden muss, sind Module zwar möglicherweise nicht die richtige Wahl. Wenn jedoch Markteinführungszeiten und einfache Entwicklung von entscheidender Bedeutung sind, sollten Sie über Module nachdenken.

System-on-Modules (SOMs) und Einplatinencomputer (Single Board Computers, SBCs) eignen sich hervorragend für alle Anwendungen – vom schnellen Prototyping bis hin zur Low-Volume-Fertigung. Die heutigen Designs mit Speichergeschwindigkeiten von mehr als 1 GHz und anspruchsvollen Hochgeschwindigkeitsschnittstellen wie PCIe sind sehr störanfällig. SOMs und SBCs ermöglichen Ihnen, sich auf die Wertschöpfung zu konzentrieren – anstatt unzählige Stunden mit der Fehlerbehebung für die grundlegenden Elemente Ihres Designs zu verbringen.

Darüber hinaus stellen die meisten Anbieter kostenlose Schaltpläne und Gerber-Dateien für ihre Basiskarten zur Verfügung, was die Anzahl der Herausforderungen für Ihr Design noch weiter reduziert. Lösungen wie Wandboard oder UDOO bieten Entwicklern Features bis hin zu einem ARM-Cortex-A9-Vierkernprozessor, DDR3, HDMI, Wi-Fi, SD-Karte, SATA und eine ganze Menge mehr bereits ab 75 €. Gut, dies kostet nun eher so viel wie ein Essen mit Ihrer Familie im Restaurant, aber ein komplettes System dieser Größenordnung für so wenig Geld ist wirklich erstaunlich.

Zu guter Letzt sorgen Module für Spezialanwendungen wie beispielsweise der drahtlose XBee-ZigBee-Transceiver von Digi International dafür, dass Sie weniger Spezialkenntnisse benötigen. So können Sie heute eine vorzertifizierte drahtlose Drop-in-Lösung bereitstellen, ohne Experte für Antennendesign zu sein oder die behördlichen Funkrichtlinien bis ins kleinste Detail zu kennen.

Keine Kompromisse bei der Software

Wir alle wissen, welch eine entscheidende Rolle die Software spielen kann. Durch sie wird Ihr Design zum Leben erweckt, und da heutzutage viele Hardwarelösungen weitestgehend standardisiert sind, kann die Software den Unterschied zwischen Rentabilität und Katastrophe ausmachen. Nicht für jedes Design ist es sinnvoll, nach kostengünstigen Tools Ausschau zu halten. Komplexe Anforderungen erfordern immer hochwertigere Tools und Lösungen, die deren spezifischen Herausforderungen gerecht werden.

Trotzdem bietet die Kombination aus kostenlosen IDEs, wie mbed von ARM oder Freescale’s Kinetis Design Studio, und kostenlosen Betriebssystemen wie FreeRTOS oder MQX sowie kooperativen Open-Source-Repositorys wie GitHub eine fantastische Startplattform, die eine wirklich gute Basis für Ihr Design darstellt. Manche kostenlose Tools beinhalten sogar Funktionen für eine vereinfachte Migration. Einer der großen Vorteile von Tools, die Unterstützung für mehrere Geräte bieten, ist der Schutz Ihrer Zeitinvestition. So bietet beispielsweise mbed nahtlose Unterstützung für über 30 Entwicklungskarten von führenden Halbleiterherstellern wie Freescale, Nordic, NXP und ST.

Bedarf an stabilen Hochleistungstools wird es sicherlich immer geben, aber die Voraussetzungen haben sich geändert. Wenn die für die Entwicklung erforderlichen Investitionen von 20.000 € auf 10 € sinken, ist nicht abzusehen, welche großartigen Innovationen durch diese Vereinfachung des Zugangs entstehen werden. Der Durchschnittsbürger besitzt heute sehr viel fortschrittlichere Technologien, als einst für die Mondlandung benötigt wurden. Wohin es als nächstes geht, wird schließlich die Zeit zeigen.

Weitere Informationen finden Sie unter:

  • UDOO: www.digikey.com/udoo
  • mbed: www.mbed.org

* David Sandys ist Direktor des Bereichs Lieferantenmarketing bei Digi-Key

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