Der Elektronik-Absolvent in KMU-Entwicklungsabteilungen Ing. Thomas Pischinger 9. März 2010

Agenda Persönliches Erfahrungen / Aufgabengebiete Allgemeine Anforderungen Hardware-Entwicklung Firmware-Entwicklung 2010-03-09

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 2010-03-09

Werdegang 2001-2003 maxxio technologies AG 2004-2007 Frequentis 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 2010-03-09

Werdegang 2007-heute Winpresa Building Automation Technologies GmbH Geschäftsführer / Bereich Technik IP-basierende Kommunikationslösungen für alle möglichen Bereiche der Gebäudeautomation 2010-03-09

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 2010-03-09

Firmware - Entwicklungsschwerpunkte Sprachen Assembler C (C++) Betriebssysteme Proprietäre Multitasking-System LINUX Anwendungen Steuerungsaufgaben Kommunikationsprotokolle User Interfaces 2010-03-09

Agenda Persönliches Erfahrungen / Aufgabengebiete Allgemeine Anforderungen Hardware-Entwicklung Firmware-Entwicklung 2010-03-09

Ausbildungsstand der Mitarbeiter Tendenz: HTL fallend TU fallend FH steigend 2010-03-09

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! 2010-03-09

Einsatzgebiete 2010-03-09

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 2010-03-09

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 2010-03-09

Einsatzgebiete Firmware embedded Linux Driver Entwicklung (ADC, Tasten, LEDs, LCD, ISDN BRI/PRI) Sprach- / Datenkommunikation Steuerungsaufgaben User Interfaces (LCD, Command Line, Web) 100% C 2010-03-09

Einsatzgebiete Software Linux C, C++, Perl Netzmanagement Systeme 2010-03-09

Agenda Persönliches Erfahrungen / Aufgabengebiete Allgemeine Anforderungen Hardware-Entwicklung Firmware-Entwicklung 2010-03-09

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 2010-03-09

Allgemeine Anforderungen Nachvollziehbarkeit als Dogma der Qualitätssicherung als Kostenfaktor für Wartung/Erweiterungen Wiederverwendbarkeit enormes Einsparungspotential für Firmen -> Dokumentation ! 2010-03-09

Entwicklungsprozess System Requirements Specification System Design Hardware Requirements Specification Software Requirements Specification Hardware Design Software Design Prototyping Coding Test Modul Test Serie Software Integration Test Test System Integration System Test 2010-03-09

Dokumente System Requirements („Pflichtenheft“) System Design Document Hardware Design Software Design Test Specification Test Results 2010-03-09

Fehlerbehebungskosten 1 100 Man/Hours Syst. Specs Syst. Design Coding SW Specs SW Design Syst. Integ. Syst. Tests Operation 2010-03-09

Qualitätsmanagement in den meisten Firmen vorhanden Die acht Grundsätze des Qualitätsmanagements (ISO9000:2000) : Kundenorientierung Verantwortlichkeit der Führung Einbeziehung der beteiligten Personen Prozessorientierter Ansatz Systemorientierter Managementansatz Kontinuierliche Verbesserung Sachbezogener Entscheidungsfindungsansatz Lieferantenbeziehungen zum gegenseitigen Nutzen 2010-03-09

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 2010-03-09

Qualitätsmanagement-Prozess Ständige Verbesserung des Qualitätsmanagementsystems Kunden Kunden Verantwortung der Leitung Management von Ressourcen Messung, Analyse und Verbesserungen Zufrieden- heit Anforde- rungen Eingabe Produkt- realisierung Produkt Ergebnis 2010-03-09

QM: Produktrealisierung Planung der Produktrealisierung Kundenbezogene Prozesse Entwicklung Beschaffung Produktion und Dienstleistungserbringung Lenkung von Überwachungs- und Messmitteln 2010-03-09

QM: Entwicklung Entwicklungsplanung Entwicklungseingaben 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 2010-03-09

QM: Entwickung Entwicklungsverifizierung Entwicklungsvalidierung 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 2010-03-09

Projektanforderungen an Entwicklung Anfrage Machbarkeitsanalyse realisierbar? Grobkostenanschätzung was kostet es? Grobplanung wann fertig? Durchführung Terminplan Kosten Reporting Ende Produktionsüberleitung Wiederverwendbarkeit !!! Nachvollziehbarkeit !!! 2010-03-09

Projektmanagement Know-How Projekt Struktur Plan (PSP) Kritischer Pfad Gantt-Diagramm (Balkendiagramm) MS-Project Kostenerfassung 2010-03-09

Agenda Persönliches Erfahrungen / Aufgabengebiete Allgemeine Anforderungen Hardware-Entwicklung Firmware-Entwicklung 2010-03-09

Hardware-Entwicklung aktuelle Technologien Schaltungseingabe / Simulation EMV Sicherheit Layout Testbarkeit 2010-03-09

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 2010-03-09

Mikrocontroller Jährliches Wachstum (2008): Key Driving Factors: 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 2010-03-09

Marktanteile Mikrocontroller 2010-03-09

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: 2010-03-09

Mikrocontroller MIPS ColdFire 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 2010-03-09

Microcontroller Blackfin PowerPC 8051 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 2010-03-09

Soft-Cores für FPGAs XILINX Altera 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 2010-03-09

Field Programmable Gate Array FPGA 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 2010-03-09

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) IF nResetAsync = '0' THEN Q <= '0'; ELSIF Clk'EVENT AND Clk = '1' THEN Q <= D; END IF; END PROCESS; END Behav; 2010-03-09

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 2010-03-09

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). 2010-03-09

Simulation analoge Simulation digitale 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 2010-03-09

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 2010-03-09

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) 2010-03-09

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 ±2kV, 5/50ns, 5kHz Wiederholfrequenz Stoßspannungen unsymmetrisch/symmetrisch 1,2/50µs, ±0,5kV 2010-03-09

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 >95%, 250 Perioden Funktionserdeanschlüsse ±1kV, 5/50ns, 5kHz Wiederholfrequenz 2010-03-09

Störaussendung EN61000-6-3/4 Gehäuse Leitungsgebunde Störaussendung Freifeldmessung oder Absorberkammer 30 – 1000MHz Leitungsgebunde Störaussendung Niederspannungs-Wechselspannungs-Stromversorgungsanschluss Telekommunikationsanschluss Netzanschluss 0,15 – 30MHz 2010-03-09

Sicherheit EN 60950 „Low Voltage Directive“ EN 60601 für CE notwendig Sicherheit von Einrichtungen der Informationstechnik Verringerung von Gefahren durch: elektrischem Schlag (Spannungen > 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 2010-03-09

Layout meist nicht vom Entwickler gemacht aber: Entwickler muss Richtlinien erstellen und kontrollieren Platzierung EMV Sicherheit Mechanik Verbindungen 2010-03-09

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 (-> 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 2010-03-09

Agenda Persönliches Erfahrungen / Aufgabengebiete Allgemeine Anforderungen Hardware-Entwicklung Firmware-Entwicklung 2010-03-09

Programmiersprachen Assembler C C++ JAVA 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 2010-03-09

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) 2010-03-09

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 2010-03-09

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 2010-03-09

Entwicklungsumgebungen Eclipse in vielen Firmen verwendet gratis für Windows und Linux vor allem für JAVA, aber auch C/C++ unzählige Plug-Ins (Grafik, Subversion, …) 2010-03-09

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 2010-03-09

Build-Systeme make Script Sprachen absolut notwendiges Know-How ! ANT (Eclipse) Perl Python 2010-03-09

embedded Betriebssysteme Marktanteile (Stand 2007) 2009: Wind River (VxWorks), der größte Hersteller von kommerziellen Betriebssystemen ist Marktführer im Bereich embedded LINUX ! 2010-03-09

kommerzielle Betriebssysteme bei Real-Time Anwendungen Safety-Standard zertifiziert Kommunikations- und Graphik-Pakete Produkte: VxWorks / Wind River Green Hills QNX 2010-03-09

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 2010-03-09

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 2010-03-09

Applikations-Know-How Kommunikationsprotokolle IP, UDP, TCP, Telnet, FTP, TFTP, …… Schnittstellen Ethernet, USB, Seriell 2010-03-09

Fragen, Kommentare? 2010-03-09 thomas.pischinger@winpresa.com