Computer Networks Group Universität Paderborn Studieren bei ESS – Eingebettete Systeme und...

Computer Networks GroupUniversität Paderborn

Studieren bei ESS – Eingebettete Systeme und Systemsoftware

Karl/Platzner/Rammig

2

Überblick

ESS Module im II. und III. Studienabschnitt

Fachgebiet Rechnernetze Fachgebiet Technische Informatik Fachgebiet Entwurf paralleler Systeme

Typische Kombinationen

3

Bedeutung ESS (globale Aussagen) 2% der jährlich produzierten Prozessoren landen in “normalen”

Computern

Die restlichen 98% werden irgendwo eingebettet

Nur etwa 10 % der jährlichen Software-Produktion läuft auf “normalen” Computern

Und davon entfällt ein weiterer Teil auf Systemsoftware Betriebssystem Middleware Kommunikationssystem Hilfsprogramme (Compiler, Debugger,…)

Fazit: Der größte Arbeitsmarkt für Informatiker ist auf diesem Gebiet

4

Veranstaltungen Voraussetzung für Master-Module Grundlage für Spezialisierung

Beispiele

SS

Bachelor: ESS-Modul II.3.1

RechnernetzeVerteilteSysteme

HW/SW-Codesign

Eingebettete Systeme

Wahl 2 von 4

Vernetzte Systeme

ReconfigurableComputing

Eingebettete & HW/SW Systeme

NetworkedEmbeddedSystems

WS

5

Master: ESS-Module III.3.1 Verteilte Rechnersysteme III.3.2 Systemsoftware III.3.3 Rechnernetze III.3.4 Eingebettete Systeme III.3.5 HW/SW-Codesign III.3.6 Eingebettete- und

Echtzeitsysteme

III.3.1 VerteilteRechnersysteme

III.3.4 Eingebettete Systeme

III.3.2System-software

III.3.3Rechner-

netze

III.3.5HW/SW-Codesign

III.3.6Eingebettete

/Echtzeit-system

Auswahl Minimum 1 Modul zu 2*4 LP Mit Vertiefung: 2 Module Projektgruppe möglich

6

Überblick




7

Arbeitsgebiete FG Rechnernetze

Rechnernetze und Telekommunikationsnetze Austausch von Daten zwischen Menschen und/oder Geräte Insbesondere: Mobil, drahtlos

Allgemein: Architekturen und Protokolle Fokus

Architekturen mobiler Netze Was kommt nach GSM,

UMTS, Internet, …? Cross-layer Optimierung –

Potentiale ausnutzen Beispiel: Video over wireless

Drahtlose Sensor-/Aktuatornetze Interaktion mit Umgebung

InternetInternet

Basestation

Wireless link (OFDM)

8

Lehrveranstaltungen FG RechnernetzeP

rojektgruppe

KMSIV

RechnernetzeV

Mobil-kommunikation

Leistungs-bewertung/Simulation

SeminarVII

VI Proseminar

Ad hoc/Sensor-netze

SeminarVIII

Festnetz Drahtlos/mobil MethodikLegende:

Verteilte Systeme

AdvancedInternet

AdvancedWireless

Analyse-methoden für Netze

geplant

9

Veranstaltung: Rechnernetze

Wie baut man aus einzelnen Rechnern ein Netz – bis zur Größe des Internets?

Physikalische Grundlagen der Datenübertragung Behandlung von Fehlern Medienzugriff Routing Abwehr von Überlast Charakteristik von Verkehr in Rechnernetzen

Methodik und Prinzip, konkrete technische Fallstudien

Shared!Shared!

Netzlast durch Anwendungen

ftpnetnewsemailwebotherP2P

10

Veranstaltung: Mobilkommunikation

Menschen und Geräte werden mobil – und kommunizieren Architekturen drahtgebundener Netze unzulänglich Mobil ! drahtlos

Wie verwirklicht man drahtlose Kommunikation? Z.B. Problem: Güte eines drahtlosen „Kanalobjektes“ schwankt

Wie stellt man mobile Erreichbarkeit sicher? Wie funktioniert IEEE 802.11 WLAN, GSM, UMTS, …?

ad ho

cUMTS, WLAN,DAB, GSM, cdma2000, TETRA, ...

Personal Travel Assistant,DAB, PDA, laptop, GSM, UMTS, WLAN, Bluetooth, ...

11

Veranstaltung: Ad hoc/Sensornetze

Heute: Viele Anwendungen leiden unter Datenmangel Beispiele: Wartung, Landwirtschaft, Gebäude-/Gelände-

management, … Problem: Sensorik möglich, aber Kabel zu teuer Möglichkeit: Drahtlos verbundene Sensorik (& Aktuatorik)

Drahtlose Sensor-/Aktuatornetze Meist: Batterie-betrieben ! Energie kritisch!

! Energieeffiziente, Daten-orientierte Protokolle notwendig

Real Values

Measured Values

Lifetim

eLife

time

Prec

ision

AccuracyPrec

ision

Accuracy

12

Veranstaltung: Leistungsbewertung & Simulation

Problem: Architekturen und Protokollen müssen verstanden & optimiert werden

Analytische Untersuchung oft praktisch unmöglich Werkzeug: Simulation, manchmal Experiment Statistische Bewertung der Resultate notwendig

1 3 5 7 9

11 13 15 17 19 R1 R

5

0

2

4

6

8

10

12

14

Valu

e

Observation number

13

Veranstaltungen: Seminare und Projektgruppen

Pro-/Seminare Wechselnde Themen zu Rechnernetzen, Mobilkommunikation, … Meist jedes Semester

Projektgruppen Drahtlose Sensornetze – gemeinsam mit Prof. Mertsching Mobilkommunikation

Beispiel: Entwickeln und Implementieren von Wireless-LAN Modifikationen & Erweiterungen

Der Welt teuerste WLAN-Karte

Aber: Programmierbar!

14

Überblick




15

Arbeitsgebiet Technische Informatik Thema: Hardware/Software Schnittstelle

neue Hardwaretechnologien/architekturen hardwarenahe Softwareschichten Entwurfsmethoden und –werkzeuge Anwendungen

Aktueller Schwerpunkt: Reconfigurable Computing Reconfigurable Hardware Operating Systems Evolvable Reconfigurable Systems High-performance Custom Computing

c3c3

c2c2

c1c1

16

Lehrveranstaltungen FG Technische Informatik

Hardware/Software Codesign

Grundlagen der Technischen Informatik (GTI)

Grundlagen der Rechnerarchitektur (GRA)Bachelor,I. Abschnitt

Bachelor,II. Abschnitt

Master

ProSeminar

Reconfigurable Computing

Seminar

Projektgruppe

Advanced Computer Architecturefor Embedded Systems

unregelmässig angeboten

17

Hardware/Software Codesign (FG Technische Informatik)

In vielen modernen eingebetteten Systemen spielt die Hardware/Software-Schnittstelle eine zentrale Rolle.

Zielarchitekturen: CISC/RISC, C, DSP, ASIC, FPGA, System-on-Chip

Codegenerierung für eingebettete Prozessoren Architektursynthese im Hardwareentwurf Hardware/Software-Partitionierung Schätzung der Entwurfsqualität

Hardware ? Software ?

18

Reconfigurable Computing (FG Technische Informatik)

Computers built from reconfigurable structures do not rely on a fixed hardware, but adapt their architecture to the application under execution. FPGAs, ALU-arrays, reconfigurable/customizable processors Design methods and tools Application domains

high-performance computing embedded systems exotic: evolvable hardware

Research topics

19

Beispiele für Projektgruppen und Seminare (FG Technische Informatik)

Projektgruppe "GOmputer - The GO Machine" GO auf Cluster/FPGA mit Spielstärke von ≥ 25. Kyu

Seminare Digitale Signalprozessoren Reconfigurable Processors Evolvable Hardware

FPGAComputing Cluster

+

20

Überblick




21

FG Entwurf paralleler Systeme: ForschungEingebettete

SW:verdoppelt sich alle 10

Monate

Moore’s law: IC Komplexität

verdoppelt sich alle 18

Monate

Nielsen’s law: Bandbreiteverdoppelt sich alle 12

Monate Log

(Kom

plex

ität)

t

22

Lehrveranstaltungen FG Entwurf Paralleler SystemeII.

Abs

chni

ttB

ache

lor

Mas

ter

Eingebettete Systeme ProSeminar

Real Time Operating Systems

Seminar

Projektgruppe

Introduction to Real Time

Operating Systems

Intelligenz in Eingebetteten

SystemenOperating Systems

RT AlgorithmsIn Manufactoring

Systems

Overlapping Concepts

KMS

23

•Entwurfsablauf•Abstraktionsebenen, Entwurfsaspekte,...

•Modellierung, Spezifikation•Modelle: Automaten, Petri Netze, Datenflussgraphen, Hybrid Automata,...

•Sprachen: UML, State Charts, SDL, Lustre, Esterel, Blockdiagramme, VHDL,...

•Architekturen•SW: Time/Event triggered, Datenfluss, Verteilung, ...

•HW: ASIC, FPGA, DSP, uC,...

•Synthese, Realisierung•Partitionierung, Scheduling, Allocation

•Kommunikation, Codegenerierung, Realtime OS

•Verifikation, Validierung, Test•Funktion, Zeitverhalten, Fehlertoleranz

Lehrveranstaltungen FG Entwurf paralleler Systeme

Eingebettete Systeme

24


Managed ElementMemory, CPU, database,

legacy system, app. service

Autonomic Layer

Analyze Plan

Monitor

Knowledge

Execute

LernenA

uton.K

omp.

Welt

Messfunktionen• Schätztreue, MonotonitätAnalyse• Markov Ketten• Bayesian NetworksPlan• Entscheidungsfunktionen• Dynamisches Planen• Hybrides PlanenExecute• RegelungstechnikenLernen• Adaption von Parametern

Lernen von StrategienReinforcement learning

• Lernen von FunktionenInduktives LernenFuzzy

• Wissensbasiertes LernenFallbasiertes Schliessen

Intelligenz in Eingebetteten Systeme

25


Introduction to Real Time Operating Systems

Real-Time = Fast RT = PREDICTABLE

HARD

SOFT

STATIC DYNAMIC

26


Introduction to Real Time Operating Systems

Short repetition: Ordinary Operating Systems

Specifics of Real Time Operating Systems (RTOS)

Basics of RTOS RTOS examples Lab: Control a model railway

using RTAI Linux

27


Real Time Operating Systems Theory behind Real Time Operating Systems Scheduling Schedulability analysis Real time resource conflict handling

ceiling blocking

J2 s2 s2 s1 s1 s2

t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9

P0P1P2

J1 s2

J0 s0 s1

normal executioncritical section

28


Beispiel einer Projektgruppe: PaderKicker

Model tower

k

kk

kk

k

kk

Spee

d le

ftSp

eed

right-

-

----

Perception Tower

Model Tow

er

Particle Filter

Vision

Odom

etrie

Feature

Action Tower

29


Beispiel eines Seminars: Real-time Algorithms in Manufactoring Systems

Understand real-time concepts in production control Self-organizing concepts Biologically inspired techniques in production Comparison with traditional methods

30

Überblick


Fachgebiet Betriebssysteme und Verteilte Systeme Fachgebiet Rechnernetze Fachgebiet Technische Informatik Fachgebiet Entwurf paralleler Systeme


31

Typische Modulkombinationen bei ESS-Vertiefung1. Modul

BS & VS (III.3.2) Rechnernetze (III.3.3)

Technische Inf. (III.3.5)

Entwurf par. Systeme (III.3.6)

2. Modul

BS

& V

S

(III.3.2)

„Verteilte Rechnersysteme“

Voraussetzung: VS

„Verteile Systeme“

Voraussetzung: VS, RN

„Innovative Computer & System Architectures“Voraussetzung: VS, HSCD

„Verteilte Echtzeitsysteme“

Voraussetzung: VS, ES

Rechner-netze

(III.3.3)

„Netze“

Voraus-setzungen: RN

„Hw/Sw Codesign of Modern Comm. Systems “Voraussetzungen:RN, HSCD

„Networked embedded systems“Voraussetzungen: RN, ES

Technische Inf. (III.3.5)

„Hw/Sw Codesign“

Voraussetzungen:HWSCD

„Hw/Sw Codesign of Embedded & Real-time Systems“ Voraussetzungen: HSCD, ES

Entw

urf par. S

ysteme

„Embedded systems“

Voraussetzungen: ES

Abkürzungen Lehrveranstaltungen:VS = Verteilte SystemeRN = RechnernetzeHSCD = HW/SW-CodesignES = Eingebette Systeme

32

Weitere Modulkombinationen

Lehrveranstaltungen von 3 oder 4 ESS-Fachgebieten ebenfalls möglich

Durch Module III.3.1 und III.3.4 Beispiel:

VL Real-Time Operating Systems VL Reconfigurable Computing VL Betriebssysteme VL Systemaspekte verteilter Systeme

! Grundphilosophie ESS Volle Flexibilität der Lehrveranstaltungen möglich Typische, sinnvolle Kombinationen vorbereitet

Modul III.3.4

Modul III.3.1

Computer Networks Group Universität Paderborn Studieren bei ESS – Eingebettete Systeme und...

Documents

Transcript of Computer Networks Group Universität Paderborn Studieren bei ESS – Eingebettete Systeme und...