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Integrierte Hard- und Softwaresysteme 2/ Entwicklung integrierter HW/SW-Systeme

2 h Vorlesung1 h Seminar (U- Woche) ab 21.10.2013= 3LP+ Projekt => 5LP

Dieter Wuttke

Steffen Ostendorff

Jorge Meza-Escobar

TECHNISCHE UNIVERSITÄTILMENAU

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Integrierte Kommunikations-Systems 2Andreas 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 HW/SW Relation

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

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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 PCsInstead, digital set-top boxes, cell phones, and personal digital assistants are sold

Today: the most selling Internet-access devices are mobile phones

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 folgenden Aufgabenbereich:

Given is some problem to be solved by some kind of computer system, e.g. an ABS system for a car, a fly-by-wire system for a new Airbus, the control of a microwave oven, a mobile phone, a corporate IP router, or the control unit of some medical x-ray equipment.

The different systems have very different requirements, including real-time constraints, reliability, cost, 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 sicherund 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 Hardware-entwurf (FPGA-basiert)

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

Projekt Seminar (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

MobilkommunikationsnetzeIntegrierte Hard- und

Softwaresysteme 2

Wireless Internet (SS)

UMTS-Netze (WS)

ProjektseminarMobilkommunikationsnetze

Projektseminar IHS

Integrierte Hard- und Softwaresysteme 3 (WS)

Integrierte Hard- und Softwaresysteme 1

Techn. Informatik 1/Rechnerorganisation1.

4.

5.

6.

Master

Bachelor


Organisatorisches

Nützliche Vorkenntnisse: Grundlagen digitaler Systeme (IHS 1) Grundlagen Rechnerarchitektur und ~entwurf

Folien und weitere Informationen siehe Punkt „Lehre“ unterhttp://www.tu-ilmenau.de/iks

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

Karsten Henke Steffen OstendorffBüro: Zusebau, Raum 2078 Office: Zusebau, Raum 2078Email: [email protected] Email: [email protected]: 03677-69-1443 Phone: 03677-69-1788

Sekretariat: Jennifer Unbehaun, Zusebau, Raum 1031, [email protected], Phone: 03677-69-2829


Einführung

Integriete HW/SW –Systeme: Beispiele

Integriete HW/SW –Systeme: Entwurfsaspekte


Beispiele für Systeme mit starker HW/SW Interaktion

Kommunikationssysteme GSM/UMTS Netzwerk Elemente IP Router (QoS Support) ATM Switch GSM/UMTS Smart Phone

Sicherheitskritische Systeme Fly-by-wire Systeme ABS, ASR, ESP, 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 BUE

User Equipment

(UE)

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Iub

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Iur

Gn


Beispiel: Digitale Drahtlos-Plattform

AD

Analog RF

Timingrecovery

phonebook

Java VM

ARQ

Keypad,Display

Control

FiltersAdaptive AntennaAlgorithm

Equalizers MUD

Accelerators(bit level)

analog digital

DSP core

uC core(ARM)

Logic

Dedicated Logicand 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 CollectionCollision AvoidanceVehicle ID Tracking

Safety-critical System

VehicleCAN Bus

BodyControl

ECU ABS

Suspension Transmission

IVHS Infrastructure

Wireless Communications/Data Global Positioning

Info/Comms/AV Bus

CellularPhone

GPS Display

Navigation Audio

SW ArchitekturNetzwerk Design/Analyse Funktions-/Protokoll Validierung

Leistungsmodellierung

Integration der Lieferantenkette

IVHS: Intelligent Vehicle Highway SystemsECU: Electronic Control Unit (Bordcomputer)


Beispiel: Fahrzeug als Consumer Electronic System

CommsGSM/GPRS

UMTS, PagingCompression

SW ShellWindows CE,

NT, MAC, BIOS

SW AppsBrowser,

Comms, User Apps

ProcessorRISC, PowerPC

X86, Hitachi RISC

DisplayHeads Up,Flat PanelGraphics

User I/FVoice SynthesisVoice ControlStylus, ETC

Output & I/FSerial, Ethernet

Diagnostics

Info/Comms/AV Bus

CellularPhone

GPS Display

Navigation Stereo/CD

• Minimale Technologie zur Befriedigung der Nutzerforderungen

• Usability• Integration mit anderen

Fahrzeugsystemen• Kostenneutrale

Funktionserweiterung

Challenges

Vehicle Web SiteTechnology


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 Arzeneimanagement•Automatisierte Production und intelligente Montage• Spielzeug, Interactive Museen


PC/DataBased

PC-1laptop

InternetAccess

PC-2

Printer

TelecomBased

VideoPhone

VoicePhone

PDA

Intercom

ApplianceBased

Sprinklers

Toasters

Ovens

Clocks

ClimateControl

UtilityCustomization

SecurityBased

DoorSensorsMotion

Detectors WindowSensors

LightControl

AudioAlarms

Video surveillance

SmokeDetectors

EntertainmentBased

StereoTV

Cam Corder

StillCamera

VideoGame

VCR

DVDPlayer

Web-TVSTB

Beispiel: Home Networking Application (Subnet) Clusters


Beispiel: Smart Dust Components

Laser diodeIII-V process

Passive CCR comm.MEMS/polysilicon

Active beam steering laser comm.MEMS/optical quality polysilicon

SensorMEMS/bulk, surface, ...

Analog I/O, DSP, ControlCOTS CMOS

Solar cellCMOS or III-V

Thick film batterySol/gel V2O5

Power capacitorMulti-layer ceramic

1-2 mm


Beispiel: Airborne Dust

Mapleseed solar cellMEMS/Hexsil/SOI

1-5 cm

Controlled auto-rotatorMEMS/Hexsil/SOIRocket dust

MEMS/Hexsil/SOI


Beispiel: Synthetic Insects

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


Definition Embedded SystemEin “embedded 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 und zeitlimitierten Umgebung.

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

der Sicherheit)=> Integrated HW/SW system

Typischel Charakteristik: Leistet einen begrenzten Umfang hochspezialisierter Funktionen (nicht

"general purpose”) zunehmend höchstleistungs und echtzeitorientiert Leistung, Kosten und Zuverlässigkeit sind oft bedeutende Eigenschaften


Was ist nun ein System?

Environment to environment

Sensoren + Informationsverarbeitung + Aktoren

Ein Computer ist ein System

Ein Mikroprozessor (ASIC, memory) ist kein System

Umgebung

sensorsensor

sensorsensor

Sensor

Verarbeitung

Aktor


Entwurfsprozess: Verhalten <> Struktur

Mapping

Implementation

KommunikationsVerfeinerung

Verhaltens-Simulation

Leistungsmodelle: emb. SW, Kommunikations-und Rechenkapazitäten

HW/SW Partitionierung,

Scheduling

SyntheseSW

Abschätzung

Anforderungen

SystemVerhalten

Berechnungs-modelle

SystemArchitektur

Leistungs-Simulation

Validation


Wird die Systemlösung der original 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

TxOptics

Synth/MUX

CDR/DeMUX

RxOptics

VCXO

mP

ClockSelect

LineI/F OHP

STSPP

STSXC SPE

MapData

Framer

Cell/Packet

I/F

STMI/F


Zusammenfasung

Der embedded systems Markt hat den PC-Markt 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 essential für die Optimierung der Lösungen

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


Inhalt IHS 2 Ausblick IHS 3

Motivation und Überblick Entwurfsprozess und Aufgaben System Anforderungen Überblick zu Verhaltensmodellen FSM, NDFSM, FSM Komposition PN, DFG, CFG, CDFG

Spezifikationssprachen Details State Charts SDL VHDL SystemC

Optimierung

Leistungsevaluation High-level Synthesis

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

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