Integrierte Hard- und Softwaresysteme 2 ILMENAU ... · Integrierte Hard- und Softwaresysteme 2 / Entwicklung integrierter HW/SW-Systeme 2 h Vorlesung 1 h Seminar (U- Woche) ab 24.10.2014

Integrierte Hard- und Softwaresysteme 2 / Entwicklung integrierter HW/SW-Systeme 2 h Vorlesung 1 h Seminar (U- Woche) ab 24.10.2014 = 3LP + Projekt => 5LP

Dieter Wuttke

Andreas Mitschele-Thiel

Jorge Meza-Escobar

TECHNISCHE UNIVERSITÄT

ILMENAU

Inte

grie

rte

Kom

mun

ikat

ions

syst

eme

http

://w

ww

.tu-il

men

au.d

e/ik

s

Integrierte Kommunikations-Systems 2 Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013

Motivation für den Kurs – Warum ist das wichtig?

Jedes Computersystem besteht aus Hardware und Software!

Aber: HW ist meistens verborgen und wird von SW-Entwicklern als unwichtig empfunden.

Indikatoren für die Bedeutung von HW:

Systeme, bei denen die Beziehung

zwischen HW und SW offensichtlich ist:

§  Embedded Systems

§  Real-time Systems

§  zuverlässige Systeme

§  sicherheitskritische Systeme

§  Kapazität

§  Antwortzeit und Verzögerung

§  Vorhersagbarkeit

§  Zuverlässigkeit

§  Sicherheit

§  Energieverbrauch

§  Kosten

§  ...

=> Kenntnis der HW/SW-Interaktion ist erforderlich!

Was sind „Integrierte HW/SW-Systeme“?



Embedded Programming ohne Kenntnis der HW/SW-Integration

Imag

e “b

orro

wed”

fro

m a

n Io

meg

a ad

vert

isem

ent

for

Y2K

soft

ware

and

dis

k dr

ives

, Sc

ient

ific

Am

eric

an, S

epte

mbe

r 19

99.

Imag

e “b

orro

wed”

fro

m a

n Io

meg

a ad

vert

isem

ent

for

Y2K

soft

ware

and

dis

k dr

ives

, Sc

ient

ific

Am

eric

an, S

epte

mbe

r 19

99.



According to the International Data Corporation

§  1997: 96% of all Internet-access devices shipped in the United States were PCs

§  End of 2002: less than 50% of them were PCs Instead, digital set-top boxes, cell phones, and personal digital assistants are sold

§  Today: the most selling Internet-access devices are smartphones

§  Future: 70% of the development costs for cars are “chips”

Informationstechnologie Szenario


Gegenstand des Kurses

Stellen Sie sich vor, Sie arbeiten als Systemarchitekt in einer internationalen

Firma und bekommen folgende Aufgabe:

Gegeben ist ein konkretes Problem, z.B. ABS-System für Auto, Flugstabilisierung für Flugroboter, IP-Router, Smartphone, Röntgengerät, o.ä. das durch geeignete Rechentechnik gelöst werden soll. Dabei haben die verschiedenen Systeme sehr unterschiedliche Anforderungen z.B. bzgl. Echtzeitanforderungen, Zuverlässigkeit, Kosten, etc.

Ihre Aufgabe ist es, das am besten geeignete Systemdesign einschließlich HW und SW sowie die am besten geeigneten Entwurfsmethoden und Werkzeuge auszuwählen. Ziel des Kurses ist es, Ansätze aufzuzeigen, um derartige Entscheidungen sicher und fundiert treffen zu können.


Working Method IHS 2

Vorlesung (2 h) §  Überblickswissen zu relevanten Techniken der Systementwicklung

Seminar (2 h) 2-wöchig U-Woche

§  Übungen zum System- und Hardwareentwurf (FPGA-basiert)

Prüfung §  20 Minuten mündlich (mPL) zu Themen der Vorlesung und des Seminars

Projektarbeit (Bachelor optional, im WS und SS angeboten)

§  II: 4 Credits als Teil der Studienschwerpunkte MIKS oder IHS §  IN: 5 Credits als Teil der Wahlpflichtmodule Rechnerarchitektur/IHS §  Arbeit an ausgewählten Themen der aktuellen Forschung §  Praktische Teamarbeit §  Dokumentation der Ergebnisse §  Präsentation der Ergebnisse


Fachgebiet IKS – Lehrveranstaltungen

Mobilkommunikationsnetze Integrierte Hard- und Softwaresysteme 2

Advanced Mobile Communi- cation Systems (WS&SS)

Cellular Communication Systems (WS)

Projektseminar Mobilkommunikationsnetze

Projektseminar IHS

Integrierte Hard- und Softwaresysteme 3 (WS)

Integrierte Hard- und Softwaresysteme 1

Techn. Informatik 1/ Rechnerorganisation 1.

4.

5.

6.

Master

Bachelor


Organisatorisches

Nützliche Vorkenntnisse: §  Grundlagen digitaler Systeme (IHS 1) §  Grundlagen Rechnerarchitektur und -Entwurf

Folien und weitere Informationen siehe Punkt „Lehre“ unter

http://www.tu-ilmenau.de/iks

Kontakt: Andreas Mitschele-Thiel Dieter Wuttke Büro: Zusebau, Raum 1031 Büro: Zusebau, Raum 1067 Email: [email protected] Email: [email protected] Phone: 03677-69-2819 Phone: 03677-69-2820

Karsten Henke Jorge Meza-Escobar Büro: Zusebau, Raum 2078 Office: Zusebau, Raum 2082 Email: [email protected] Email: [email protected] Phone: 03677-69-1443 Phone: 03677-69-4128

Sekretariat: Nicole Sauer, Zusebau, Raum 1031,

[email protected], Phone: 03677-69-2829


Einführung

§  Integrierte HW/SW-Systeme: Beispiele

§  Integrierte HW/SW-Systeme: Entwurfsaspekte


Beispiele für Systeme mit starker HW/SW-Interaktion

Kommunikationssysteme §  GSM/UMTS/LTE-Netzwerk Elemente §  IP Router (QoS Support) §  ATM Switch §  Smartphone

Sicherheitskritische Systeme §  Autonome Fluggeräte §  ABS, ASR, ESP, ACC, Spurassistent, etc. §  Zugsteuerung §  Steuerung physikalischer und chemischer Prozesse

Embedded Systems (nicht nutzerprogrammierbar) §  Dinge des tägl. Gebrauchs (Mikrowelle, Verkaufsautomat, Smartphone, ...) §  ABS §  Bekleidung §  …


Beispiel: UMTS Network

RNS

UTRAN CN

RNS

PS Domain

CS Domain

Registers

RNC

RNC

MSC/VLR GMSC

HLR/AuC/EIR

SGSN GGSN

Node B

Node B

Node B

Node B UE

User Equipment

(UE)

Iu Uu

Iub

Iub

Iur

Gn


Beispiel: Plattform für Mobilkommunikation

A

D

Analog RF

Timing recovery

phone book Java VM

ARQ

Keypad, Display

Control

Filters Adaptive Antenna Algorithm

Equalizers MUD

Accelerators (bit level)

analog digital

DSP core

uC core (ARM)

Logic

Dedicated Logic and Memory

Source: Berkeley Wireless Research Center


Beispiel: Fahrzeug-Elektronik

•  Über 30% der Kosten eines Autos für Elektronik •  90% aller Innovationen basieren auf Elektroniksystemen


Beispiel: Moderne Fahrzeuge als Elektronik-Systeme

Electronic Toll Collection Collision Avoidance Vehicle ID Tracking

Safety-critical System

Vehicle CAN Bus

Body Control

ECU ABS

Suspension Transmission

IVHS Infrastructure

Wireless Communications/ Data Global Positioning

Info/Comms/ AV Bus

Cellular Phone

GPS Display

Navigation Audio

SW Architektur Netzwerk Design/Analyse Funktions-/Protokoll Validierung

Leistungsmodellierung

Integration der Lieferantenkette

IVHS: Intelligent Vehicle Highway Systems ECU: Electronic Control Unit (Bordcomputer)


Beispiel: Fahrzeug als Consumer Electronic System

Comms GSM/GPRS

UMTS, Paging Compression

SW Shell Windows CE,

NT, MAC, BIOS

SW Apps Browser,

Comms, User Apps

Processor RISC, PowerPC

X86, Hitachi RISC

Display Heads Up, Flat Panel Graphics

User I/F Voice Synthesis Voice Control Stylus, ETC

Output & I/F Serial, Ethernet

Diagnostics

Info/Comms/ AV Bus

Cellular Phone

GPS Display

Navigation Stereo/CD

•  Minimale Technologie zur Befriedigung der Nutzerforderungen

•  Usability •  Integration mit anderen

Fahrzeugsystemen •  Kostenneutrale

Funktionserweiterung

Herausforderungen

Vehicle Web Site Technology


Beispiel: Smart Buildings

•  Aufgabe: Klimasteuerung für kleine abgegrenzte Bereiche zur individuellen Einstellung der Bewohner “micro-climates within a building”

•  Andere Funktionen: Sicherheit, Identifikation und Personalisierung, Objektbewachung, Erschütterungsmonitoring…

Dichtes drahtloses Netzwerk aus Sensor-, Monitor- und Aktorknoten

•  Disaster mitigation, traffic management and control •  Integriertes Patientenmonitoring, Diagnose und Arzneimanagement •  Automatisierte Production und intelligente Montage •  Spielzeug, Interactive Museen


PC/Data Based

PC-1 laptop

Internet Access

PC-2

Printer

Telecom Based

Video Phone

Voice Phone

PDA

Intercom

Appliance Based

Sprinklers

Toasters

Ovens

Clocks

Climate Control

Utility Customization Security

Based

Door Sensors Motion

Detectors Window Sensors

Light Control

Audio Alarms

Video surveillance

Smoke Detectors

Entertainment Based

Stereo TV

Cam Corder

Still Camera

Video Game

VCR

DVD Player

Web-TV STB

Beispiel: Home Networking Application (Subnet) Clusters


Beispiel: Smart Dust Components

Laser diode III-V process

Passive CCR comm. MEMS/polysilicon

Active beam steering laser comm. MEMS/optical quality polysilicon

Sensor MEMS/bulk, surface, ...

Analog I/O, DSP, Control COTS CMOS

Solar cell CMOS or III-V

Thick film battery Sol/gel V2O5

Power capacitor Multi-layer ceramic

1-2 mm


Beispiel: Airborne Dust

Mapleseed solar cell MEMS/Hexsil/SOI

1-5 cm

Controlled auto-rotator MEMS/Hexsil/SOI Rocket dust

MEMS/Hexsil/SOI


Beispiel: Synthetic Insects

Source: R. Yeh, K. Pister, UCB/BSAC


Definition Eingebettetes System (Embedded System) Ein Eingebettetes System

§  Ist eine Kombination von Hardware & Software (eine “computational engine”) zur Ausführung spezieller Funktionen

§  ist Teil eines größeren Systems, dass kein Computer sein muss §  und arbeitet in einer reaktiven Umgebung unter Zeitanforderungen.

§  Software wird zur Realisierung von Features und für Flexibilität genutzt §  Hardware = {Prozessor, ASICs, Memory,...} dient der Leistung (und manchmal

der Sicherheit) => Integriertes HW/SW-System Typische Charakteristika:

§  Leistet einen begrenzten Umfang hochspezialisierter Funktionen (nicht "general purpose”)

§  zunehmend höchstleistungs- und echtzeitorientiert §  Leistung, Kosten und Zuverlässigkeit bilden oft zentrale Anforderungen


Was ist nun ein System?

§  Umgebung zu Umgebung

§  Sensoren + Informationsverarbeitung + Aktoren

§  Ein Computer ist ein System

§  Ein Mikroprozessor (ASIC, memory) ist kein System

Umgebung

sensor sensor

sensor sensor

Sensor

Verarbeitung

Aktor


Entwurfsprozess: Verhalten vs. Struktur

Mapping

Implementation

Verfeinerung

Verhaltens- Simulation

Leistungsmodelle: emb. SW, Kommunikations- und Rechenkapazitäten

HW/SW Partitionierung,

Scheduling

Synthese Abschätzung

nichtfunkt. Aspekte

Anforderungen

System Verhalten

Berechnungs-modelle

System Architektur

Leistungs- Simulation

Validation


Wird die Systemlösung der Systemspezifikation genügen?

Konzept

•  begrenzte Synergien zwischen HW & SW Teams

•  Lange komplexe Abläufe, in denen Teams erst am Ende den Nutzen des Aufwandes sehen

•  Hohes Risiko, dass Geräte vollständig funktionieren

Software Hardware ? •  HW or IP Auswahl

•  Entwurf •  Verifikation •  Systemtest

Tx Optics

Synth/ MUX

CDR/ DeMUX

Rx Optics

VCXO

mP

Clock Select

Line I/F OHP

STS PP

STS XC SPE

Map Data

Framer Cell/

Packet I/F

STM I/F


Zusammenfasung

§  Der embedded systems Markt hat den PC-Markt längst überholt

§  Kommunikation findet überall statt

§  Systeme unterscheiden sich in vielen Aspekten (Funktionalität,

Zeitbedingungen, Zuverlässigkeit, Sicherheit, Kosten,

Leistungsverbrauch, …)

§  Entwurfsmmethoden sind wichtig um die Komplexität zu beherrschen

(Verhaltens- und Strukturbeschreibung und deren Verifikation)

§  Methoden des HW-Entwurfs folgen modernen SW-Entwurfsmethoden

§  Aber: HW-Wissen ist essentiell für die Optimierung der Lösungen

(Kosten, Reaktionszeit, Kapazität, Zuverlässigkeit ...)


Inhalt IHS 2 – Ausblick IHS 3

§  Motivation und Überblick

§  Entwurfsprozess und Aufgaben

§  Systemanforderungen

§  Überblick zu Verhaltensmodellen

§  FSM, NDFSM, FSM Komposition

§  PN, DFG, CFG, CDFG

§  Spezifikationssprachen – Details

§  State Charts

§  SDL

§  VHDL

§  SystemC

§  Optimierung

§  Leistungsbewertung

§  High-level Synthese

IHS 3 (für Master Studenten) Details über §  Validierung, §  Testen §  Fehlermodelle, Fehlerabdeckung §  Struktureller Test §  Funktioneller Test §  Boundary Scan

Documents

Integrierte Hard- und Softwaresysteme 2 ILMENAU ... · Integrierte Hard- und Softwaresysteme 2 / Entwicklung integrierter HW/SW-Systeme 2 h Vorlesung 1 h Seminar (U- Woche) ab 24.10.2014