A platform for teaching and researching distributed real-time systems

Abstract

Heutzutage sind eingebettete Computersysteme allgegenwärtig. Aus diesem Grund steht das Programmieren von Mikrocontrollern und das Entwickeln von eingebetteten Computersystemen im Studienplan der Informatikstudien vieler Universitäten weltweit. Auch an der Technischen Universität Wien bietet das Institut für Technische Informatik mit Embedded Systems Engineering (ESE) eine Lehrveranstaltung (LVA) mit hohem Praxisanteil, in der Studenten fortgeschrittene Fähigkeiten im Programmieren von Mikrocontrollern erlangen sollen.<br />Die erste Generation der dafür entwickelten Übungshardware stellte die Übungsleiter aber bald vor ein großes Problem hinsichtlich Wartung und Aktualisierung. Die verwendeten Mikrocontroller veralteten und die mechanische Stabilität des Laboraufbaus war nicht mehr gegeben. Das sind nur zwei der Gründe, warum nach einer Weiterentwicklung der Übungshardware verlangt wurde.<br />Diese Arbeit umfasst Entwurf und Entwicklung einer neuen universellen Plattform für die Lehrveranstaltung ESE. Nach eine Darstellung verschiedener Abhaltemethoden einer praktischen LVA über eingebettete Computersysteme werden diese bezüglich ihrer Nutzbarkeit in ESE diskutiert. Der Entwurfsprozess der neuen Hardware wird dokumentiert und ihre Besonderheiten, wie zum Beispiel die Unterstützung in praktischen Prüfungen oder die Möglichkeit für Fernarbeit, werden vorgestellt.<br />Zum Schluss werden die Ergebnisse des praktischen Einsatzes der letzten drei Jahre mit ESE Studenten vorgestellt, eine Fallstudie, die mit freiwilligen Studenten in Pristina gemacht wurde, evaluiert und eine Zusammenfassung über Forschungsthemen, die von der Plattform unterstützt wurden, gegeben.<br />

Nowadays, embedded systems are present in a very wide range of devices in everyone's life. Therefore, microcontroller programming is in the syllabus of computer engineering courses at many universities.<br />Therefore, the Department of Computer Engineering at the Vienna University of Technology offers Embedded Systems Engineering (ESE), a hands-on course teaching advanced microcontroller programming and distributed real-time communication between multiple microcontroller nodes.<br />Students were offered several embedded systems development boards in a laboratory. Soon, course instuctors were faced with big problems concerning the maintenance and upgrade of the first generation hardware, which raised the desire for a more suitable replacement.<br />This thesis covers the design and development of a new versatile platform for the ESE course. Starting from a survey about different methodologies how such an embedded systems course can be held and their evaluation with respect to suitability for the ESE course, the thesis describes the design process of developing the new lab hardware with features for hands-on exams and remote access capabilities. Our experience over the last three years with ESE students, a case study of the remote access with voluntary students from Pristina, and a summary of supported research topics from the department conclude the thesis.<br />