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Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte 1 1. Grundlagen Grundlagen für eingebettete Systeme.

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1 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte 1 1. Grundlagen Grundlagen für eingebettete Systeme 1.1 Eingebettete Systeme 1.2 Ubiquitäre Systeme 1.3 Mikroprozessoren, Mikrocontroller, Signalprozessoren und SoC 1.4 PC Systeme 1.5 Modellierung

2 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Eingebettete Systeme Eingebettete Systeme:  Datenverarbeitungssysteme, die in ein technisches Umfeld eingebettet sind  Steuern, Überwachen und Regeln dieses Umfeld  Beispiel: Steuerung einer Kaffeemaschine: Koordination von Wasserbehälter, Heizung und Ventilen zur Bereitung eines Kaffees

3 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Eingebettete Systeme Weiteres Beispiel:  PC auf dem Schreibtisch zu Hause kein eingebettetes System, stellt seine Datenverarbeitungsleistung dem Menschen zur Verfügung  PC in der Fabrikhalle zur Steuerung einer Anlage eingebettetes System

4 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Eingebettete Systeme Mehr Beispiele: Alltagsgegenstände

5 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Eingebettete Systeme Raumfahrt

6 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Eingebettete Systeme KFZ-Technik

7 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Eingebettete Systeme Robotik

8 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Eingebettete Systeme Autonomes Fahrzeug (z.B. für die Fabrikautomation)

9 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Eingebettete Systeme Gegenüber reinen Rechensystemen stellen eingebettete Systeme weitere Anforderungen:  Schnittstellenanforderungen mehr und vielfältigere Schnittstellen als bei reinen Rechensystemen  Mechanische Anforderungen robuster Aufbau, rauhe Umgebung, mechanische Belastung, begrenzter Raum, vorgegebene geometrische Form

10 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Eingebettete Systeme  Elektrische Anforderungen vorgegebene Versorgungsspannung, limitierter Energieverbrauch, geringe Abwärme  Zuverlässigkeitsanforderungen Ausfallsicherheit, Notbetrieb, z.B. bei Bremsen, der Steuerung eines Kernreaktors, einem Flugzeug,...  Zeitanforderungen Ausführung von Tätigkeiten innerhalb einer vorgegebenen Zeit => Echtzeitsysteme

11 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Eingebettete Systeme Einige zusätzliche Bemerkungen zu Echtzeitsystemen  Nicht-Echtzeitsystem:logische Korrektheit  Echtzeitsystem: logische Korrektheit + zeitliche Korrektheit Ein Ergebnis ist nur korrekt, wenn es logisch korrekt ist und zur rechten Zeit zur Verfügung steht!

12 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Eingebettete Systeme Klassen von Echtzeitsystemen:  Harte Echtzeitsysteme Zeitbedingungen müssen unter allen Umständen eingehalten werden. Das Verpassen einer Zeitschranke ist nicht tolerierbar Beispiel:Kollisionserkennung in einem automatischen Fahrzeug

13 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Eingebettete Systeme Klassen von Echtzeitsystemen:  Feste Echtzeitsysteme Feste Zeitschranken Ein Ergebnis ist nach Überschreiten der Zeitschranke wertlos (Verfallsdatum) Die Folgen sind jedoch nicht unmittelbar katastrophal Beispiel:Positionserkennung in einem automatischen Fahrzeug

14 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Eingebettete Systeme Klassen von Echtzeitsystemen:  Weiche Echtzeitsysteme Weiche Zeitschranken Ein Überschreiten um einen gewissen Wert ist tolerierbar Mehr Richtlinie denn harte Zeitschranke Beispiel:Periodische Temperaturmessung für eine Anzeige

15 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Eingebettete Systeme Wesentliche Anforderungen an Echtzeitsysteme  Zeitliche Vorhersagbarkeit  spielt die dominierende Rolle  eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit ohne Vorhersagbarkeit ist wertlos  wichtige Größe: WCET (Worst Case Execution Time)  heutige Prozessoren mit Caches und spekulativer Programmausführung sind hier problematisch

16 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Eingebettete Systeme  Längerfristige Verfügbarkeit  Leistung muss über einen längeren Zeitraum erbracht werden  Betriebspausen, z.B. zur Reorganisation, sind nicht zulässig (Beispiel Garbage Collection)

17 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Ubiquitäre Systeme Ubiquitäre Systeme allgegenwärtig = überall verbreitet = ubiquitär Computer  „unsichtbar“, hinter Alltags- gegenständen verborgen Neuer Begriff: Ubiquitous Computing

18 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte 18 q Begriff Anfang der 90er Jahre von Mark Weiser geprägt q Zukunftsvision: Mit Mikroelektronik angereicherte Gegenstände sollen so alltäglich werden, dass die enthaltenen Rechner als solche nicht mehr wahrgenommen werden. q Ubiquitäre Systeme sind eine Erweiterung der eingebetteten Systeme. m Zusätzlich zu einem eingebetteten System kommt noch Umgebungswissen hinzu, das es diesem System erlaubt, sich in hohem Maße auf den Menschen einzustellen. q Als ubiquitäre (allgegenwärtige) Systeme bezeichnet man eingebettete Rechnersysteme, die selbstständig auf ihre Umwelt reagieren. q Rechner in dienender und nicht beherrschender Rolle. q Die Benutzer sollen nicht in eine virtuelle Welt gezogen werden, sondern die gewohnte Umgebung soll mit Computerleistung angereichert werden. 1.2 Ubiquitäre Systeme

19 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Ubiquitäre Systeme Phase 1: Großrechner Phase 2: Personal Computer Phase 3: Ubiquitäre Systeme Die dritte Ära der Rechnernutzung

20 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Ubiquitäre Systeme q Ubiquitäre Systeme sind eine Erweiterung sogenannter „eingebetteter Systeme“ m Rechner, die in technische Systeme eingebettet sind, also z.B. Waschmaschine, Fahrkartenautomaten, ABS im Auto etc. q überall in hoher Zahl vorhanden - Allgegenwart q ubiquitäre Systeme nutzen drahtlose Vernetzung m Handytechnologien, Funk-LAN, Bluetooth, Infrarot q Umgebungswissen, das es ubiquitären Systemen erlaubt, sich in hohem Maße auf den Menschen einzustellen q Neue Geräte wie z.B. Handhelds, tragbare Rechner Merkmale ubiquitärer Systeme

21 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Ubiquitäre Systeme Einbeziehung von Informationen aus der natürlichen Umgebung der Geräte Umgebungswissen erstellt durch Erfassung, Interpretation, Speicherung, Austausch und Verbindung von Sensorendaten Umgebungswissen erlaubt ubiquitären Systemen sich in hohem Maße auf den Menschen einzustellen  Gerät kann Informationen in Abhängigkeit vom jeweiligen Aufenthaltsort auswählen und anzeigen  Gerät passt sich in seinem Verhalten der jeweiligen Umgebung an Technologien ubiquitärer Systeme

22 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Ubiquitäre Systeme Anwendungsbeispiel: MediaCup (Teco Karlsruhe)

23 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Ubiquitäre Systeme q Der Boden der MediaCup enthält die Elektronik in einem abnehmbaren Gummiüberzieher. q Kern ist ein kleiner Mikroocontroller q Die Elektronik wird kabellos mit Energie versorgt; ein 15 minütiger Aufladevorgang kann die Tasse etwa 10 Stunden mit Energie versorgen. q Sensoren erkennen Temperatur und Bewegungszustand der Tasse. q Diese Informationen wird von der Tasse in den Raum gesendet.

24 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Mikroprozessoren, Mikrocontroller, Signalprozessoren und SoC Einige grundlegende Begriffe zu Mikroprozessoren  Mikroprozessor:  Zentraleinheit eines Datenverarbeitungssystems  heute meist mit weiteren Komponenten auf einem einzigen Chip untergebracht  Zentraleinheit = CPU, Central Processing Unit

25 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Mikroprozessoren, Mikrocontroller, Signalprozessoren und SoC Basiskomponenten eines Mikroprozessors  Rechenwerk  Steuerwerk  Schnittstelle zur Außenwelt Weitere Komponenten (je nach Komplexität)  Cache  Virtuelle Speicherverwaltung Ziel: möglichst effiziente Ausführung eines Programms

26 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Mikroprozessoren, Mikrocontroller, Signalprozessoren und SoC Weitere Begriffe:  Mikroprozessorsystem Technisches System, welches einen Mikroprozessor enthält. Dies muss kein Rechner sein.  Mikrorechner (Mikrocomputer) Rechner, der als Zentraleinheit einen oder mehrere Mikroprozessoren enthält. Enthält weiterhin Speicher, Ein-/Ausgabeschnittstellen sowie ein Verbindungssystem.

27 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Mikroprozessoren, Mikrocontroller, Signalprozessoren und SoC  Mikrorechnersystem (Mikrocomputersystem) Mikrorechner mit an die Ein-/Ausgabeschnittstellen angeschlossenen Peripheriegeräten, => Kontakt zum Umfeld im eingebetteten System

28 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Mikroprozessoren, Mikrocontroller, Signalprozessoren und SoC

29 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Mikroprozessoren, Mikrocontroller, Signalprozessoren und SoC  Mikrocontroller  Mikrorechner auf einem Chip  Ziel: Steuerungs- oder Kommunikationsaufgabe mit möglichst wenigen Bausteinen lösen  Prozessorkern, Speicher und Ein-/Ausgabeschnittstellen sind auf die Lösung solcher Aufgaben zugeschnitten  es existiert eine Vielzahl verschiedener Mikrocontroller

30 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Mikroprozessoren, Mikrocontroller, Signalprozessoren und SoC Deshalb meist: Organisation in Mikrocontrollerfamilien Die Mitglieder einer Familie besitzen  meist gleichen Prozessorkern  unterschiedlichen Speicher  unterschiedliche Ein-/Ausgabeschnittstellen Ideale Hardware-Plattform für eingebettete Systeme

31 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Mikroprozessoren, Mikrocontroller, Signalprozessoren und SoC  SoC (Systems on Chip)  Konsequente Weiterentwicklung der Mikrocontrolleridee, Systeme mit möglichst wenigen Bausteinen zu realisieren  Mikrocontroller: standardisierter Rechnerbaustein, mit wenigen anderen Komponenten entsteht anwendungsspezifisches System  SoC: vollständiges anwendungsspezifisches System auf einem einzigen Chip

32 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Mikroprozessoren, Mikrocontroller, Signalprozessoren und SoC  Realisierungsmöglichkeiten von SoC  Bereitstellung und Kombination von Hardwarebibliotheken => FPGA, ASIC  Rekonfigurierbare Hardware - Fester Prozessorkern und Speicher - Rekonfigurierbare Zellen Weitere Herausforderung bei SoC: Kombination von analogen und digitalen Komponenten

33 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Mikroprozessoren, Mikrocontroller, Signalprozessoren und SoC  Signalprozessoren  Spezielle Prozessorarchitekturen zur Verarbeitung analoger Signale  Hochleistungsarithmetik zur schnellen fortgesetzten Multiplikation und Addition (MAC, Multiply and Accumulate) => schnelle Berechnung von Polynomen  vom Anwender steuerbare Parallelität  spezielle Schnittstellen zur Ein- und Ausgabe von analogen Signalen

34 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte PC-Systeme PC-Systeme  Heute verbreitetste Form von Mikrorechnern  1980 von IBM eingeführt  unter ständiger Weiterentwicklung zum Quasi-Standard geworden  Merkmale: zentrales Motherboard (Mainboard), zusätzliche Komponenten in Form von Steckkarten

35 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte PC-Systeme Grundlegende Bestandteile eines PCs:  Mikroprozessor  Cache  Northbridge  Systembus und Hauptspeicher  Southbridge  Ein-/Ausgabeeinheiten

36 1.4 PC-Systeme Beispiel: P7H55D-M Pro Motherboard von Asus

37 1.4 PC-Systeme Eigenschaften der verschiedenen Busse: BusÜbertragungsartTaktrateÜbertragungsrate Memory Bus64 Bit parallel, 2-fache Datenrate, DDR3 Protokoll 667 MHz10,6 GByte/s PCI Express 2.0 x 1616 x 1 Bit seriell, vollduplex, 2-fache Datenrate, 8B10B Kode 2500 MHz16 GByte/s PCI Express x 1616 x 1 Bit seriell, vollduplex, 2-fache Datenrate, 8B10B Kode 1250 MHz8 GByte/s PCI Express x11 x 1 Bit seriell, vollduplex, 2-fache Datenrate, 8B10B Kode 1250 MHz500 MByte/s DMI x44 x 1 Bit seriell, vollduplex, 2-fache Datenrate, 8B10B Kode 1250 MHz2 GByte/s PCI Bus32 Bit parallel, Adress/Daten- Multiplex 33 MHz133 MByte/s USB1 Bit seriell, halbduplex, 1-fache Datenrate, NRZI Kode 480 MHz60 MByte/s Serial ATA1 Bit seriell, halbduplex, 1-fache Datenrate, 8B10B Kode 1500 MHz150 MByte/sec DVI / HDMI Single Link 3 differentielle Leitungen, 8B10B Kode, TMDS 165 MHz (Pixeltakt) 462 MByte/sec DVI / HDMI Dual Link 6 differentielle Leitungen, 8B10B Kode, TMDS 165 MHz (Pixeltakt) 924 MByte/sec FDIBasierend auf DisplayPort mit max. 4 Leitungen 5,4 GHz2,1 GBit/sec

38 Layout: Motherboard P7H55D-M Pro von Asus 1.4 PC-Systeme

39 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte PC-Systeme Standard PCs sind problematisch für eingebettete Systeme wegen: q Großem Platzbedarf q Hohem Gewicht q Hohem Energieverbrauch q Geringer mechanischer Robustheit q Standard-Betriebssysteme nicht echtzeitfähig Abhilfe: IndustriePCs

40 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte PC-Systeme Vorteil: Software kann auf normalem PC entwickelt und fast direkt übernommen werden CPU L2- Cache CPU- PCI- Bridge Lokaler Spei- cher Bustreiber CPU-Karte... Bustreiber Speicher- Erweiterungs- Karte IO-Karte Backplane Backplane-Bus Speicher serielle IO- Kanäle parallele IO- Kanäle Bustreiber Mechanisch robuste PC-Variante zur Steuerung von eingebetteten Systemen, die hohe Rechenleistung und Speicherkapazität benötigen und unkritisch bei Platzbedarf, Energiebedarf und Gewicht sind, z.B. in der Robotik.

41 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Modellierung Modell kontinuierlich diskret statisch dynamischstatischdynamisch Da eingebettete Systeme neben digitalen zeitdiskreten auch analoge zeitkontinuierliche Komponenten besitzen können, kommen unterschiedliche Modelle zum Einsatz

42 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Modellierung Zeitdiskrete Modelle:  Automaten  Petri-Netze  UML  Z-transformierte Übertragungsfunktion ...

43 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Modellierung Hilfsstellung Ausgangsstellung Reduzierpunkt Nut-Ende Nut-Tiefe x y z Beispiel:Zeitdiskretes Modell einer Steuerung „Fräsen einer Nut“ in einem eingebetteten System

44 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Modellierung Ausgangs- position erreicht Ausgangs- zustand Eilgang -z Vorschub -z Vorschub +x Eilgang -x Eilgang +z Nuttiefe erreicht Nutende Reduzierpunkt erreicht Hilfsstellung erreicht Start Modellierung mit einem Automaten (Moore-Automat) Zustand/ Ausgabe Übergang

45 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Modellierung Eilgang -z Vorschub -z Vorschub +x Eilgang +z Eilgang -x Start Ausgangsposition erreicht Reduzierpunkt erreicht Nuttiefe erreicht Nutende Hilfsstellung erreicht - Stellen - Transitionen - Marken Modellierung mit einem Petri-Netz

46 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Modellierung Zeitkontinuierliche Modelle:  Differentialgleichungen  Übertragungsfunktion (Zeit-/Bildbereich)  Sprungantwort (Zeit-/Bildbereich)  Zustandsraumdarstellung  Frequenz- und Phasengang ...

47 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Modellierung Eingangs- signal Ausgangs- signal w(t)w(t) x(t)x(t) System (Übertragungsglied) Differenzialgleichung n-ter Ordnung Beispiel: homogene lineare Differenzialgleichung: Lösung : Modellierung mit Differentialgleichungen

48 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Modellierung Modellierung mit Übertragungsfunktionen im Zeitbereich Faltung: g(t): Übertragungsfunktion (Gewichtsfunktion, Impulsantwort)

49 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Modellierung Modellierung mit Übertragungsfunktionen im Bildbereich Aus der Faltung wir im Bildbereich (Laplace-Bereich) eine Multiplikation: W(s), G(s), X(s): Laplace-Transformierte von w(t), g(t), x(t) X(s) = G(s) ∙ W(s) mit s = δ + jω Laplace-Transformation:

50 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Modellierung Steuersignal u(t) Steuer- glied Umfeld/ Strecke Sollwert (Führungsgröße) w(t) Stell- glied Stellgröße y(t) Steuergröße x(t) Steuerung und Regelung: Steuerung Offene Wirkungskette

51 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Modellierung Regler Umfeld/ Strecke Sollwert (Führungsgröße) w(t) Stell- glied Stellgröße y(t) Regelgröße x(t) Störungen Reglersignal u(t) Regelabweichung e(t) xr(t)xr(t) + - Mess- glied Istwert (gemessene Größe) Steuerung und Regelung: Regelung Geschlossene Wirkungskette


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