Software ubiquitärer Systeme - ess.cs.uni-dortmund.de file01.1 – Einführung und Konzept 6 Der...

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Software ubiquitaumlrer SystemeEinfuumlhrung und Konzept

Olaf SpinczykArbeitsgruppe Eingebettete Systemsoftware

Lehrstuhl fuumlr Informatik 12TU Dortmund OlafSpinczyktu-dortmunddehttpesscsuni-dortmundde~os

httpesscstu-dortmunddeDETeachingSS2009SuS

011 ndash Einfuumlhrung und Konzept 22

Inhalt Einfuumlhrung

Visionen Realitaumlten

Konzept der Lehrveranstaltung Ziele Uumlberblick Voraussetzungen Uumlbungen Leistungsnachweis






Der Begriff bdquoubiquitousldquo Websters New Encyclopedic Dictionary

Collins-Klett English-German Dictionary

ubiquitous yů-bik-wət-əs adj existing or being everywhere at the same time widely or generally present [from ubiquity from Latin ubique bdquoeverywhereldquo]

ubiquitous adjallgegenwaumlrtig sandstone is ~ in this district Sandstein ist in dieser Gegend uumlberall zu finden


Der Begriff bdquoUbiquitous Computingldquo

bdquoUbiquitous Computing enhances computer use by making many computers available throughout the physical environment while making them effectively invisible to the user

Mark Weiser 1993 [1]

Stichworte Benutzbarkeit Vielzahl Physikalische Umgebung Unsichtbarkeit


Der Visionaumlr Mark Weiser(1952 - 1999)

Praumlgte den Begriff

Beeinflusste diverse ForscherEntwickler und Geldgeber 3823 Zitierungen von [2]

laut Google Scholar (032009) MIPSJoule Betrachtungen ACM SIGOPS Mark Weiser Award

CTO bei Xerox PARC (Palo Alto Research Center)erstes experimentelles bdquoUbiquitous Computing Environmentldquo

Pad Tabs und Boards beeinflussten Hardware-Entwicklungen

und Schlagzeuger in der Band bdquoSevere Tire Damageldquo

Quelle Xerox PARC


bdquoThe third wave of Computing ldquo [3]

Phase IMainframe Era

Phase IIPC Era

UumlbergangInternet Era

Phase IIIUC Era

viele Menschenein Computer

Experten noumltig

ein Menschenein Computer

benoumltigt volleAufmerksamkeit

Mainframes ingroszligen Stil

Informationsflut

viele Rechnerteilen sicheinen Menschen

Dinge des taumlglLebens werdenverbunden




Phase IIPC Era


Phase IIIUC Era


Experten noumltig



Mainframes ingroszligem Stil

Informationsflut



Beginn 1996 geschaumltzt auf 2005-2020


Die Essenz Typische Eigenschaften Viele eingebettete und ggf transportable Geraumlte

Stromsparend klein billig

Transparente Kommunikation Kurze Strecken meist drahtlos

Verschiedenste Dienste fuumlr den Menschen Weitestgehend unsichtbar

bdquoCalm Technologyldquo Bei Bedarf aus der Peripherie ins Zentrum unserer Auffassung und wieder zuruumlck

Geraumlte haben Sensoren Physikalische Welt wird im Rechner abgebildet

Mehr Spaszlig und Lebensqualitaumlt


Analogie Motoren Beginn des letzten Jahrhunderts

Werkstaumltten haben genau einen Motorder dutzende von Maschinen antreibt

Heute

Jedes Geraumlt hateinen oder viele Motorenniemand beachtet sie noch

Sobald wir eine Technologie beherrschenwandert sie in den bdquoHintergrundldquo

Quelle Arnulf BetzoldHolzbausatz bdquoWerkstatt um 1900ldquo




Heute




ldquoThe most profound technologies are those that disappear They weave themselves into

the fabric of everyday life until they are indistinguishable from itrdquo [2]


Fruumlhe Prototypen 1989-1992 Active Badge System [4]

Cambridge University Computer Laboratory

1991-2000 Pads Tabs und Boards

Xerox PARC


Das bdquoActive Badge Systemldquo (1989) Zweck

Lokalisierung von Personenin Buumlroumgebungen

Technik Mitarbeiter tragen

personalisierte bdquoBadgesldquo- 55 x 55 x 7 mm 40 g

Badges senden periodischalle 10s ein IR-Signal

Sensoren in allen Raumlumen erlauben die Zuordnung Badge-Raum

Anwendung 1500 Badges und 2000 Sensoren an verschiedenen Universitaumlten

und anderen Forschungsinstitutionen Zentrale Anwesenheitskarte Halbautomatische Telefonweiterleitung

Quelle Roy Want


PARC Tabs Prototyp heutiger PDAs

und Internet Tablets Technik

78 x 105 x 24 cm 215 g Akku 12 Std eff 2 Wochen Anzeige monochrom 128 x 64 Touch Screen IR-Schnittstelle 8051 CPU

Anwendung Lokalisierung der Mitarbeiter MenschMaschine Schnittstelle Quelle Xerox PARC


PARC Pads Familie von elektronischen Notizbloumlcken

X-Windows-kompatibel Touch Screen mit Stift Mikrophon Drahtlose Netzwerkanbindung

(IR und Funk)

Quelle Xerox PARC


PARC Liveboards Eine elektronische Tafel Technik

83 x 52 x 30 Zoll 250 kg Anzeige

- monochrom 1024 x 768

- farbig 640 x 480

- NTSC Video

Stereo Ton PCSun Workstation

Anwendung Kollaboratives Arbeiten

- Flip Chart

- Gemeinsame SkizzenDiagramme

Videokonferenzen Quelle Xerox PARC


Herausforderungen Hardware

Preis Groumlszlige Sensorik Stromquellen Stromverbrauch

Software Kontextabhaumlngigkeit Nutzerschnittstellen Verteilte Systeme Mobilitaumlt Skalierbarkeit Verlaumlsslichkeit Interoperabilitaumlt bdquoEntdeckungldquo von Ressourcen und Diensten Datenschutz und -sicherheit

Die Vision des bdquoUbiquitous Computingldquoberuumlhrt viele Teilbereiche der Informatik


Zwischenfazit oder was bdquoUbiquitousComputingldquo nicht ist

ZB Virtual Reality (VR) Bei VR werden Gegenstaumlnde

der realen Wert im Rechnernachgebildet

- Selbst der Benutzer bdquoverlaumlsstldquodie reale Welt

Bei bdquoUbiquitous Computingldquoreichern Computer die realeWelt an

- Durch Vernetzung undInformationsaustausch koumlnnensie dem Menschen vieles abnehmen

Quelle Xerox PARC


Eingebettete Systeme

Die technische Basis des bdquoUbiquitous Computingldquo ist die allgegenwaumlrtige Praumlsenz kooperierender

eingebetteter Rechnersysteme

bdquoUbiquitous Computingldquo und bdquoEingebettete Systemeldquosind Begriffe auf unterschiedlichen Ebenen

- UC Eine Vision fuumlr eine bessere Welt

- ES Eine technische Grundlage

Nicht alle eingebetteten Systeme haben etwas mitbdquoUbiquitous Computing zu tun

bdquoUbiquitous Computingldquo ist mehr als eine technische Fragestellung


Verwandte Begriffe Pervasive Computing

wird praktisch synonym zu bdquoUbiquitous Computingldquo verwendet deutsch bdquodurchdringendldquo wohl gepraumlgt durch IBM

Proactive Computing wird praktisch synonym zu bdquoUbiquitous Computingldquo verwendet Fokus auf bdquoRechner die unsere Wuumlnschen erahnen und fruumlhzeitig

agierenldquo gepraumlgt durch Intel

Ambient Intelligence wird praktisch synonym zu bdquoUbiquitous Computingldquo verwendet Fokus auf bdquointelligenteldquo Wohn- und Arbeitsumgebungen gepraumlgt durch EU-Foumlrderung


Taxonomie der Forschungsprobleme nach Satyanarayanan [5]






Die Prognose

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ist tendenziell richtig 2009 werden laut Gartner 1000000000 Handys

umgesetzt werden PC Markt 2009 waumlchst nur dank Notebooks und Netbooks


Die Technologie Miniaturisierung

erlaubt heute durchaus 100 Computer pro Kubikmeter

Energieversorgung

Energie ist uumlberall man muss nur stromsparende Computer bauen


Miniaturisierung Smart DustBeispiel Spec Motes(UC Berkeley)

2 x 25 mm AVR-artiger RISC Kern 3K Speicher Funksender

gt 40 Fuszlig innen 192Kbps Programmierung in C uumlber

eine SPI-Schnittstelle Kosten ca $070

Quelle UC Berkeley Lab Notes


Energieversorgung Energy HarvestingBeispiel TE-Power Node

Arbeitet ohne Batterie Thermogenerator erzeugt aus

einer Temperaturdifferenz eine Spannung

Wandlung auf 24 V Aufladung eines Kondensator

MSP430 Micro-Controller TI CC2500 Funkmodul System kann zyklisch (1 x

pro Sek) Messwerte per Funk liefern

Quelle Micropelt GmbH


Aktuelle bdquounbemerkteldquo Beispiele (1) Thinking Carpet

Infineon und Vorwerk

Technik Bis zu 25 vernetzte Mikrocontroller

pro Quadratmeter Sensoren fuumlr Vibration Druck

und Temperatur

Anwendungen Alarm- Klima- und Leitsystem-

technik zB - automatische Tuumlroffner

- automatische Lichtschalter

- Sicherheitsbereiche uumlberwachen

- Personenzaumlhlung

Quelle Vorwerk Teppichwerke


Aktuelle bdquounbemerkteldquo Beispiele (2) RFID Etiketten

Vereinfachen Warenwirtschaft und Logistik

Helfen Personen zu identifizieren

Quelle BBC News Quelle BMI

VIP MemberChip Baja Beach Club Ibiza Deutscher Reisepass (bdquoePassldquo)

Quelle Eric van Osten RFID Product News


Kritik Generelle Fragen Verlust der Privatsphaumlre

Wollen wir jederzeit lokalisierbar sein

Verlust der Selbstbestimmung Treffen Computer zu viele Entscheidungen

fuumlr uns Was duumlrfen Computer entscheiden

- Physische Selbstbestimmung

Massen an Computerschrott Realisierbarkeit

Ist Hardware wirklich billig genug Skalieren die Netzwerke hinreichend gut Wie kommt man durch die Uumlbergangsphase Wie baut man ubiquitaumlre Systeme

Quelle A Greenfield [6]


Fazit Hardware

Die Zahl der Rechner in unserer Welt wird zunehmen Die Art der Systeme wird je nach Aufgabe variieren Vernetzung spielt eine wachsende Rolle

Software Anforderungen an ubiquitaumlre Softwaresysteme erfordern neue

Methoden bei der Entwicklung

Gesellschaft Ein verantwortungsvoller Umgang ist sehr wichtig

Informatik Ubiquitous Computing ist und bleibt ein bedeutendes

interdisziplinaumlres Forschungsfeld






Ziele Systemsoftware fuumlr ubiquitaumlre Systeme bewerten

modifizieren oder entwickeln koumlnnen Theorie und Praxis

Grundlagen und Konstruktionsprinzipien verstehen Primaumlr auf den verschiedenen Ebenen der Systemsoftware Beispiele aus Industrie und Forschung Finden von Gemeinsamkeiten

mit typischen Randbedingungen umgehen koumlnnen zB Ressourcenknappheit bzgl Speicher Energie Rechenleistung Netz Kontextabhaumlngigkeit des Verhaltens Sicherheit Schutz der Privatsphaumlre

Einzelne Entwicklungsmethoden vertiefen zB Software-Produktlinien


Uumlberblick Kapitel

Hardware

Betriebssystem

Middleware

Datenhaltung

Anwendung

MicrocontrollerInstruktionssatzFunktechnologienSensoren

OSEKAUTOSARTinyOS

MPUCiAO Virtualisierung

OSEKCOMAUTOSAR RTE

RPCUPNP

Peer-to-peer

TinyDBFAME-DBMS

COUGARSQL

Datenanalyse

Einfuumlhrung

Abschluss

Java PlattformenModel-Driven Everyware-Prinzipien


Uumlberblick Querschnittsthemen

Hardware

Betriebssystem

Middleware

Datenhaltung

Anwendung


OSEKAUTOSARTinyOS


OSEKCOMAUTOSAR RTE

RPCUPNP

Peer-to-peer

TinyDBFAME-DBMS

COUGARSQL

Datenanalyse

Einfuumlhrung

Abschluss


RessourcenverbrauchSpeicher Energie

SicherheitKontext

GPSGPS

Indoor-Indoor-Lokali-Lokali-sierungsierung

Adap-Adap-tierungtierung

MPUMPU

VirtuelleVirtuelleMaschi-Maschi-nennen

Krypto-Krypto-graphiegraphie

auf der Suche nach Gemeinsamkeitenund Konstruktionsprinzipien

Cooperative IOCooperative IO

ProduktlinienProduktlinien

Thumb-InstrThumb-Instr

AOP FOPAOP FOP

Low-PowerLow-PowerSleep ModesSleep Modes

StatischeStatischeAnalyseAnalyse


Voraussetzungen Grundkenntnisse in

Betriebssysteme Rechnernetze Eingebettete Systeme

Programmierkenntnisse in CC++

Interesse an eingebetteten Systemen neuen Ansaumltzen der Softwaretechnik und Programmiersprachen

Freude an praktischen Uumlbungen

Nachsicht denn wir machen das gerade zum ersten Mal


Vorlesungsbegleitende Uumlbungen (1) Constantin Timm

bdquoTafeluumlbungenldquo Vertiefung des Vorlesungsstoffs Besprechung der Aufgaben Raum OH-16 E07

Zeit Mi 1615-1745 oderDo 1015-1145

Boris Golubovic bdquoRechneruumlbungenldquo (Angebot) Praktische Programmieraufgaben OH-16 R U08 Mi 1400-1600

(voraussichtlich)


Vorlesungsbegleitende Uumlbungen (2) Btnode-Sensornetzwerkknoten

(Exemplarisch fuumlr ubiquitaumlre Rechnersysteme) Microcontroller Atmel ATmega 128L

(8 MHz 8 MIPS) Speicher 64+180 Kbyte RAM

128 Kbyte FLASH ROM4 Kbyte EEPROM

Funkmodul Eigenes EA-Board mit Sensoren

Display SD-Card Leser AO-StuBS BS-Familie

- aspektorientiert- merkmalbasiert konfiguriert

Aufgaben Sensorprogrammierung Lokalisierung Kommunikation

Maszligschneiderung


PruumlfungSchein Muumlndliche Pruumlfung (ca 30 Minuten)

uumlber 6 SWS (4V+2Uuml) 9 Credit Points Abgedeckt wir der Stoff der Vorlesung und Uumlbung

Unbenoteter Teilnahmeschein fuumlr Erfolgreiche Bearbeitung aller Uumlbungsaufgaben

Aktive Teilnahme

Anrechenbarkeit Informatik Diplom Wahlveranstaltung

- Schwerpunktgebietet 1 (SW-Konstr) 2 (Rechnerarchitektur Eingebettete Systeme und Simulation) und 3 (Verteilte Systeme)

Informatik Master Basismodul INF-MA-222- Schwerpunktgebiet B (Eingebettete und Verteilte Systeme)

alle anderen bitte fruumlhzeitig Anrechenbarkeit klaumlren


Hausaufgaben Anmeldung zur Uumlbung mit Hilfe von ASSESS

httpesscstu-dortmunddeTeachingSS2009SuS

Lesen Sie bdquoThe Computer for the 21st Centuryldquovon Mark Weiser [2] wirklich zu empfehlen Deadline 1 Uumlbung


Literatur[1] M Weiser Some Computer Science Issues of Ubiquitous

Computing Communications of the ACM Vol 36 No 7 Juli 1993

[2] M Weiser The Computer for the 21st Century Scientific American Vol 265 No 3 pp 94-104 September 1991

[3] M Weiser and J S Brown The Coming Age of Calm Technology in Beyond Calculation The Next 50 Years Copernicus New York USA 1997

[4] R Want A Hopper V Falcao and J Gibbons The Active Badge Location System ACM Transactions on Information Systems Vol 10 No 1 pp 91-102 Januar 1992

[5] M Satyanarayanan Pervasive Computing Vision and Challenges IEEE Personal Communications Vol 8 2001

[6] A Greenfield Everyware The Dawning Age of Ubiquitous Computing New Riders Publishing 2006

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Quelle Xerox PARC




Phase IIPC Era


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Experten noumltig




Informationsflut






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Heute







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Xerox PARC










Quelle Roy Want









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Quelle Xerox PARC





- farbig 640 x 480

- NTSC Video



- Flip Chart















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Die Prognose

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Energieversorgung





















und Temperatur
























Fazit Hardware



















Hardware

Betriebssystem

Middleware

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Anwendung


OSEKAUTOSARTinyOS


OSEKCOMAUTOSAR RTE

RPCUPNP

Peer-to-peer

TinyDBFAME-DBMS

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Datenanalyse

Einfuumlhrung

Abschluss




Hardware

Betriebssystem

Middleware

Datenhaltung

Anwendung


OSEKAUTOSARTinyOS


OSEKCOMAUTOSAR RTE

RPCUPNP

Peer-to-peer

TinyDBFAME-DBMS

COUGARSQL

Datenanalyse

Einfuumlhrung

Abschluss



SicherheitKontext

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Zeit Mi 1615-1745 oderDo 1015-1145


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Die Prognose

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Hardware

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Middleware

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OSEKAUTOSARTinyOS


OSEKCOMAUTOSAR RTE

RPCUPNP

Peer-to-peer

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Datenanalyse

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Hardware

Betriebssystem

Middleware

Datenhaltung

Anwendung


OSEKAUTOSARTinyOS


OSEKCOMAUTOSAR RTE

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Peer-to-peer

TinyDBFAME-DBMS

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OSEKCOMAUTOSAR RTE

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Datenanalyse

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Middleware

Datenhaltung

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OSEKCOMAUTOSAR RTE

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Datenanalyse

Einfuumlhrung

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Datenanalyse

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Middleware

Datenhaltung

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OSEKAUTOSARTinyOS


OSEKCOMAUTOSAR RTE

RPCUPNP

Peer-to-peer

TinyDBFAME-DBMS

COUGARSQL

Datenanalyse

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SicherheitKontext

GPSGPS



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Peer-to-peer

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Datenanalyse

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Betriebssystem

Middleware

Datenhaltung

Anwendung


OSEKAUTOSARTinyOS


OSEKCOMAUTOSAR RTE

RPCUPNP

Peer-to-peer

TinyDBFAME-DBMS

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Datenanalyse

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SicherheitKontext

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OSEKCOMAUTOSAR RTE

RPCUPNP

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- farbig 640 x 480

- NTSC Video



- Flip Chart















Quelle Xerox PARC























Die Prognose

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Energieversorgung





















und Temperatur
























Fazit Hardware



















Hardware

Betriebssystem

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Datenanalyse

Einfuumlhrung

Abschluss




Hardware

Betriebssystem

Middleware

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OSEKAUTOSARTinyOS


OSEKCOMAUTOSAR RTE

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Abschluss



SicherheitKontext

GPSGPS



MPUMPU







AOP FOPAOP FOP













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(voraussichtlich)










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(voraussichtlich)










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