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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
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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“?
Integrierte Kommunikations-Systems 3 Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
Motivation für den Kurs – Warum ist das wichtig?
Embedded Programming ohne Kenntnis der HW/SW-Integration
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Integrierte Kommunikations-Systems 4 Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
Motivation für den Kurs – Warum ist das wichtig?
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
Integrierte Kommunikations-Systems 5 Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
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.
Integrierte Kommunikations-Systems 6 Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
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
Integrierte Kommunikations-Systems 7 Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
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
Integrierte Kommunikations-Systems 8 Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
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
Integrierte Kommunikations-Systems 9 Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
Einführung
§ Integrierte HW/SW-Systeme: Beispiele
§ Integrierte HW/SW-Systeme: Entwurfsaspekte
Integrierte Kommunikations-Systems 10 Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
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 § …
Integrierte Kommunikations-Systems 11 Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
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
Integrierte Kommunikations-Systems 12 Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
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
Integrierte Kommunikations-Systems 13 Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
Beispiel: Fahrzeug-Elektronik
• Über 30% der Kosten eines Autos für Elektronik • 90% aller Innovationen basieren auf Elektroniksystemen
Integrierte Kommunikations-Systems 14 Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
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)
Integrierte Kommunikations-Systems 15 Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
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
Integrierte Kommunikations-Systems 16 Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
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
Integrierte Kommunikations-Systems 17 Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
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
Integrierte Kommunikations-Systems 18 Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
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
Integrierte Kommunikations-Systems 19 Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
Beispiel: Airborne Dust
Mapleseed solar cell MEMS/Hexsil/SOI
1-5 cm
Controlled auto-rotator MEMS/Hexsil/SOI Rocket dust
MEMS/Hexsil/SOI
Integrierte Kommunikations-Systems 20 Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
Beispiel: Synthetic Insects
Source: R. Yeh, K. Pister, UCB/BSAC
Integrierte Kommunikations-Systems 21 Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
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
Integrierte Kommunikations-Systems 22 Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
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
Integrierte Kommunikations-Systems 23 Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
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
Integrierte Kommunikations-Systems 24 Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
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
Integrierte Kommunikations-Systems 25 Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
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 ...)
Integrierte Kommunikations-Systems 26 Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
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