Modul 10: Embedded Systems, Organic Computing & Die Hall of Fame

1. Einleitung: Das unsichtbare Universum

Liebe Anhalter, wir haben auf unserer Reise gigantische Supercomputer, weltumspannende Grids und massive Cloud-Rechenzentren durchquert. Aber die wahre Herrschaft über das Universum liegt nicht in riesigen Server-Racks. Die meisten der heute produzierten Prozessoren (unglaubliche 98%) werden in sogenannten eingebetteten Systemen (Embedded Systems) verwendet[cite: 1].

Sie verrichten unsichtbar und geräuschlos ihren Dienst in Waschmaschinen, Kühlschränken, Fernsehern, DVD-Playern, Espressomaschinen, Mobiltelefonen, Flugzeugen oder Kraftfahrzeugen[cite: 1]. Ein modernes Auto ist letztlich nichts anderes als ein lokales Netzwerk aus Dutzenden autonomen, eingebetteten Systemen[cite: 1].

2. Embedded Systems: Von der Rakete in die Hosentasche

Historisch gesehen sind Embedded Systems keine Erfindung der Neuzeit[cite: 1]. Das erste bemerkenswerte moderne eingebettete System war der Apollo Guidance Computer[cite: 1]. Er wurde von Charles Stark Draper zusammen mit dem MIT Instrumentation Laboratory entwickelt[cite: 1]. Jeder Flug zum Mond hatte zwei dieser Systeme an Bord: eines im Kommandomodul und eines in der Mondlandefähre (LEM)[cite: 1]. Obwohl dieses System anfangs als eine der riskantesten Komponenten des Apollo-Projekts galt, schrieb es Geschichte[cite: 1].

Die massenhafte Verbreitung begann jedoch schon etwas früher mit der Minuteman-Rakete, deren Wege-Such-System nach einmaliger Programmierung ein völlig unabhängiges Manövrieren ermöglichte[cite: 1]. Durch diese militärische Massenproduktion wurden integrierte Schaltungen schnell für jedermann erschwinglich[cite: 1].

Apollo Guidance Computer

2.1 Hardware-Plattformen und Architekturen

Während Desktop-PCs primär auf der x86-Architektur basieren, ist die Welt der Embedded Systems extrem divers. Sie können auf verschiedensten CPU-Architekturen realisiert werden, darunter 8051, ARM, AVR, MIPS, PowerPC, 68k/Coldfire, Intel x86, 68HC12, C167 oder Renesas M16C[cite: 1]. Die Elektronik bildet dabei meist ein Mikroprozessor mit entsprechender Peripherie oder ein hochintegrierter Mikrocontroller[cite: 1].

2.2 Betriebssysteme für den Mikrokosmos (RTOS)

Warum installieren wir nicht einfach Windows 11 auf einem Herzschrittmacher? Weil Standard-Betriebssysteme auf „Durchsatz“ und „Fairness“ optimiert sind. Wenn eine Kaffeemaschine eine Millisekunde länger für die Berechnung der Wassertemperatur braucht, ist das egal. Wenn aber das ABS-Steuergerät eures Autos eine Zehntelsekunde zu spät auf einen Interrupt reagiert, weil der Kernel gerade Paging auf die Festplatte betreibt, ist das fatal.

Deshalb nutzt man in kritischen Systemen stark spezialisierte Betriebssysteme, sogenannte Real-Time Operating Systems (RTOS) wie:

In Geräten mit weniger kritischen Echtzeitanforderungen (wie Unterhaltungselektronik) finden zunehmend eingebettete Versionen von Standardbetriebssystemen eine riesige Ausbreitung[cite: 1]:

Android Mobiltelefon

3. Organic Computing: Wenn Maschinen biologisch werden

Wir stehen vor einem massiven Problem: Computersysteme werden bei gleichen Kosten immer leistungsfähiger und kleiner, und die drastisch gestiegene Bandbreite erlaubt eine völlig flexible Verteilung von Komponenten[cite: 1]. Das führt jedoch dazu, dass künftige Systeme derart unfassbar komplex werden, dass sie von menschlichen Administratoren klassisch nicht mehr fehlerfrei steuerbar sind[cite: 1].

Die Lösung? Ein Paradigmenwechsel, der auf einem OCI-Workshop 2003 formuliert wurde: Computer müssen sich an den Menschen anpassen, nicht umgekehrt[cite: 1]. Die Bedienung muss intuitiv werden[cite: 1]. Wir nähern uns dem Ideal des „Calm Computing“ (nach Mark Weiser, Xerox PARC): Ein System unsichtbarer, in die Umgebung eingebetteter Rechner, die unauffällig arbeiten und nur bei Bedarf ihre Dienste anbieten[cite: 1].

Damit Computersysteme diese Komplexität beherrschen können, müssen sie Eigenschaften entwickeln, die sie lebensähnlich (organisch) erscheinen lassen[cite: 1].

3.1 Die "Self-X" Eigenschaften

Organische Computersysteme bestehen aus autonomen und kooperativen Teilsystemen, die selbstorganisierend arbeiten[cite: 1]. Diese Selbstorganisation erlaubt adaptives und kontextabhängiges Verhalten durch die sogenannten „self-x Eigenschaften“[cite: 1]:

3.2 Zukunftsszenarien des Organic Computing

Die Gesellschaft für Informatik (GI) und die Informationstechnische Gesellschaft im VDE (ITG) haben faszinierende Anwendungsszenarien definiert[cite: 1]:

3.3 Hardware und Software der Zukunft

Um all dies zu realisieren, braucht es radikal neue Ansätze[cite: 1]:

4. Die Hall of Fame der Betriebssysteme

Nichts von all dem, was ihr in den letzten zwei Wochen gelernt habt, wäre ohne die Pioniere der Informatik möglich gewesen. Das Skript widmet diesen Vordenkern eine eigene Ehrengalerie[cite: 1]. Lest ihre Namen und lernt aus ihren Ideen:

5. Epilog: Zeit für die Abschlussprüfung

Ihr habt es geschafft! Wer alle 10 Module durchgearbeitet hat, weiß nun, dass ein Betriebssystem weit mehr ist als nur ein Boot-Screen. Es ist ein hochkomplexer Dirigent, der Prozesse, Speicher, Hardware und Netzwerke orchestriert.

Um euer Wissen für die B.Sc. Prüfung zu testen, findet ihr in Kapitel 14 des offiziellen Skripts umfangreiche Übungsfragen zu allen Themen[cite: 1]. Geht sie durch. Versucht, die Antworten nicht nur auswendig zu lernen, sondern die Konzepte dahinter zu begreifen.

Und vergesst nicht: DON'T PANIC!

Quellen & Materialien
Dieses Modul basiert auf dem Lehrskript „Betriebssysteme“ der German-Baltic Management School.[cite: 1]