Der Begriff „Embedded Modul“ (oder „Embedded System“) taucht immer häufiger in der Elektronikindustrie auf und immer mehr Menschen kommen bei ihrer Arbeit mit diesen Produkten in Berührung. Tatsächlich arbeiten wir fast täglich mit diesen Modulen, ohne uns dessen bewusst zu sein. Was sich hinter dem Begriff Embedded Modul verbirgt und wo wir diese Systeme überall antreffen, soll in diesem Beitrag einfach erklärt werden.

Was ist ein Embedded Modul?

Bei einem „Embedded“-Modul (oft auch SoM, System on Module) handelt es sich im Wesentlichen um einen kleinen einsatzbereiten Computer, der genutzt wird um bestimmte Aufgaben zu erfüllen und dafür ausgelegt ist, andere meist größere Geräte zu steuern und zu verwalten. Der Begriff „Embedded“ bedeutet, dass diese kleinen Computer „eingebettet“ und fest in eine andere Schaltung integriert sind. Um sich ein Bild von diesen kleinen Computern machen zu können, hier ein 3D-Modell eines steckbaren Moduls:

Die Verwendung des Begriffs „Modul“ betont die Idee der Austauschbarkeit und Vielseitigkeit der Komponenten. Entwickler können sie in verschiedene elektronische Systeme integrieren, um bestimmte Funktionen hinzuzufügen, ohne das gesamte System neu gestalten zu müssen. Diese Modularität beschleunigt die Entwicklung von elektronischen Geräten durch festgelegte Stecker-Standards und erleichtert die Wartung sowie Aktualisierung von bestehenden Geräten.

Bestandteile des Moduls

Eines der Vorteile beim nutzen eines Embedded-Moduls liegt in dem Plug-and-Play Gedanken. Auf dem Modul sind alle für den Betrieb erforderlichen Komponenten platziert und vorbereitet. Die Hauptbestandteile des Moduls bilden der Prozessor, der Arbeitsspeicher, der Datenspeicher und die Spannungsregelung.

1. Prozessor (CPU)

Der Prozessor (oft auch Central Processing Unit) wird oft als das „Gehirn“ des Geräts bezeichnet. Er verarbeitet alle Daten und führt Berechnungen durch. Der Prozessor ist für die Ausführung von Anwendungen und die Steuerung des Geräts verantwortlich. Je leistungsfähiger der Prozessor ist, desto schneller kann er Aufgaben erledigen. Es gibt verschiedene Arten von CPUs. Prozessoren, die auf der ARM-Architektur basieren, werden zum Beispiel in Smartphones verwendet (z.B. Android oder IPhone). Prozessoren der x86-Architektur finden sich in den meisten Desktop-Computern und Laptops.

2. Arbeitsspeicher (RAM)

Der Arbeitsspeicher (oder Random Access Memory) ist ein sehr schneller Speicher, in dem der Prozessor die aktuell benötigten Daten und Rechenergebnisse ablegt. Im Gegensatz zum Datenspeicher (eMMC) verliert er seine Daten, wenn er von der Stromversorgung getrennt wird. Je mehr Arbeitsspeicher vorhanden ist, desto mehr Daten kann der Prozessor dort ablegen und muss nicht immer auf den deutlich langsameren Datenspeicher zugreifen. Die Größe des Arbeitsspeichers bestimmt zum Beispiel, wie viele Browser-Tabs oder Programme parallel auf dem Handy oder Computer geöffnet werden können.

3. Datenspeicher (eMMC)

eMMC steht für „embedded MultiMediaCard“. Das eMMC ist vergleichbar mit einer fest verbauten SD-Karte und ermöglicht das Speichern von Daten. Es behält diese Daten auch, wenn es nicht mit Strom versorgt wird. Es ist funktionell vergleichbar mit der Festplatte in einem Computer. In Smartphones und bestimmten Laptops wird das eMMC als Hauptspeicher für das Betriebssystem und alles Bilder, Musik, Dokumente… genutzt. Als Alternative kommen gelegentlich auch SPI-Flash Speicher (z.B. NOR Flash) zum Einsatz, welche günstiger aber dafür auch deutlich langsamer sind.

4. Spannungsversorgung (PMIC)

Der PMIC (oder PowerManagement Chip) kümmert sich um die verschiedenen Spannungen, die von den einzelnen Komponenten benötigt werden. Jede Komponente (CPU, RAM, eMMC,…) benötigt eine andere Versorgungsspannung als die anderen Chips. Der PMIC stellt den einzelnen Komponenten diese unterschiedlichen Spannungen zur Verfügung. So muss das Modul meist nur mit einer bestimmten Spannung versorgt werden und nicht mit vielen verschiedenen.

Ein kreatives Beispiel

Man kann sich das Ganze wie einen Büroarbeitsplatz vorstellen. Der Mitarbeiter übernimmt die Aufgabe der CPU. Er hat auf seinem Schreibtisch eine Ablage (Arbeitsspeicher) mit wichtigen Dokumenten, an denen er gerade arbeitet. Benötigt er neue Dokumente und möchte die bearbeiteten ablegen, muss er zuerst zu seinem Dokumentenschrank (eMMC) gehen und diese heraussuchen, was länger dauert als die Dokumente aus der Ablage zu nehmen. Der Kaffeeautomat versorgt ihn nebenbei mit Kaffee, damit er genügend Energie für seine Arbeit hat (PMIC).

Bauformen der Embedded Module

Module gibt es in verschiedenen Größen und Formen. auf der Rückseite der Module befinden sich Stecker oder Pads, mit denen es auf einem passenden Trägerboard oder Gerät montiert werden kann. Dabei gibt es drei Arten von Modulsteckern:

Proprietäre Stecker

Proprietäre Stecker sind spezielle Steckertypen, die nur von einem Unternehmen oder nur bei einem Produkt verwendet werden. Sie entsprechen nicht ganz dem modularem Ansatz bei Embedded Modulen, da sich die Module nicht durch andere ersetzen lassen und man nur diese Modulart auf das Board bestücken kann. Für ein anderes Modul muss das Board dann angepasst werden.

Genormte Standard-Konnektoren

Standardisierte Steckverbinder sind allgemein akzeptierte und weit verbreitete Steckverbindertypen. Sie wurden von Standardisierungsorganisationen und Firmen entwickelt und ermöglichen so den Betrieb verschiedener Module des gleichen Standards auf der gleichen Karte. Bekannte Beispiele sind die SMARC– und die COM-Express-Spezifikation. Die Standards erlauben es, alternative oder neuere Versionen des Moduls zu verwenden, wenn diese dem gleichen Steckverbinderstandard entsprechen, was die Aufrüstung und den Austausch von Modulen erleichtert und dem modularen Ansatz folgt. Vergleichbar ist dies mit dem Aufrüsten eines Computers auf einen neunen schnelleren Prozessor.

Lötmontage

Bei der Lötmontage befinden sich auf der Rückseite des Moduls keine Stecker, sondern Pads, die das Auflöten auf die Basisplatine ermöglichen. Ein Austausch defekter Module ist hier kaum möglich und das komplette System muss ausgetauscht werden. Dafür sind diese Module sehr platzsparend und sehr fest montiert, was in manchen Umgebungen erforderlich sein kann.

Betreiben des Moduls

Grundsätzlich lässt sich das Embedded Modul wie jeder andere Computer betreiben. Das Modul wird auf einem Trägerboard (mit allen benötigten Schnittstellen) montiert und mit Spannung versorgt. Auf dem Speicher befindet sich ein Betriebssystem (z.B. Windows oder Linux), welches nach dem einschalten hochgefahren wird und dann gewisse Aufgaben übernimmt. Es gibt Module die das steuern über Maus und Tastatur erlauben und auch eine Displayausgabe mit vertrauter Oberfläche (z.B. Windows 11) anbieten. Andere Module haben keinen Displayausgang und werden nur über eine Serielle Verbindung (Texteingaben) gesteuert.

Einsatzgebiete von Modulen

Eingebettete Module sind in mehr Geräten zu finden, als man auf den ersten Blick vermuten würde. Hier eine kurze Liste von Anwendungsbereichen:

Vor- und Nachteile

Abschließend noch einige Vor- und Nachteile, die für oder gegen den Einsatz von Embedded Modulen sprechen.

Vorteile

Kompakte Größe: Embedded-Module sind in der Regel klein und platzsparend, was sie ideal für den Einsatz in Geräten mit begrenztem Platzangebot macht.

Zuverlässigkeit: Da sie für spezifische Aufgaben entwickelt wurden, arbeiten Embedded-Module oft sehr zuverlässig und stabil.

Beschleunigte Entwicklung: Hersteller können vorgefertigte Embedded-Module verwenden, um die Entwicklungszeit für neue Produkte zu verkürzen.

Kosteneffizienz: Die Massenproduktion von Embedded-Modulen kann kostengünstiger sein als die Herstellung maßgeschneiderter Lösungen.

Flexibilität: Sie sind oft modular und austauschbar, was die Anpassung und Aktualisierung von Geräten erleichtert.

Nachteile

Begrenzte Anpassbarkeit: Embedded-Module sind nicht so flexibel wie maßgeschneiderte Lösungen und können die Anpassungsfähigkeit in bestimmten Anwendungsfällen einschränken. Durch Multiplexing sind die Module aber trotzdem sehr anpassbar.

Abhängigkeit von Herstellern: Proprietäre Embedded-Module können dazu führen, dass Unternehmen stark von einem einzigen Hersteller abhängig sind.

Eingeschränkte Aktualisierungsmöglichkeiten: In einigen Fällen kann die Aktualisierung von Embedded-Modulen schwierig oder teuer sein, insbesondere wenn sie fest in ein Gerät integriert sind.

Mögliche Kompatibilitätsprobleme: Wenn Embedded-Module nicht sorgfältig ausgewählt werden, kann es zu Kompatibilitätsproblemen mit anderen Systemkomponenten kommen.