Computer Networks Group Universität 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 Rechnernetze Verteilte Systeme HW/SW- Codesign Eingebettete Systeme Wahl 2 von 4 Vernetzte Systeme Reconfigurable Computing Eingebettete & HW/SW Systeme Networked Embedded Systems 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 Verteilte Rechnersysteme III.3.4 Eingebettete Systeme III.3.2 System- software III.3.3 Rechner- netze III.3.5 HW/SW- Codesign III.3.6 Eingebettete /Echtzeit- system Auswahl Minimum 1 Modul zu 2*4 LP Mit Vertiefung: 2 Module Projektgruppe möglich

6 Überblick ESS Module im II. und III. Studienabschnitt Fachgebiet Rechnernetze Fachgebiet Technische Informatik Fachgebiet Entwurf paralleler Systeme Typische Kombinationen

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

8 Lehrveranstaltungen FG Rechnernetze Projektgruppe KMS IV Rechnernetze V Mobil- kommunikation Leistungs- bewertung/ Simulation Seminar VII VI Proseminar Ad hoc/ Sensor- netze Seminar VIII FestnetzDrahtlos/mobil Methodik Legende: Verteilte Systeme Advanced Internet Advanced Wireless 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

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 WLAN, GSM, UMTS, …?

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

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

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 ESS Module im II. und III. Studienabschnitt Fachgebiet Rechnernetze Fachgebiet Technische Informatik Fachgebiet Entwurf paralleler Systeme Typische Kombinationen

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

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 Architecture for 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 ESS Module im II. und III. Studienabschnitt Fachgebiet Rechnernetze Fachgebiet Technische Informatik Fachgebiet Entwurf paralleler Systeme Typische Kombinationen

21 FG Entwurf paralleler Systeme: Forschung Eingebettete SW: verdoppelt sich alle 10 Monate Moores law: IC Komplexität verdoppelt sich alle 18 Monate Nielsens law: Bandbreite verdoppelt sich alle 12 Monate Log (Komplexität) t

22 Lehrveranstaltungen FG Entwurf Paralleler Systeme II.Abschnitt Bachelor Master Eingebettete Systeme ProSeminar Real Time Operating Systems Seminar Projektgruppe Introduction to Real Time Operating Systems Intelligenz in Eingebetteten Systemen Operating Systems RT Algorithms In 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 Lehrveranstaltungen FG Entwurf paralleler Systeme Managed Element Memory, CPU, database, legacy system, app. service Autonomic Layer AnalyzePlan Monitor Knowledge Execute Lernen Auton. Komp. Welt Messfunktionen Schätztreue, Monotonität Analyse Markov Ketten Bayesian Networks Plan Entscheidungsfunktionen Dynamisches Planen Hybrides Planen Execute Regelungstechniken Lernen Adaption von Parametern Lernen von Strategien Reinforcement learning Lernen von Funktionen Induktives Lernen Fuzzy Wissensbasiertes Lernen Fallbasiertes Schliessen Intelligenz in Eingebetteten Systeme

25 Lehrveranstaltungen FG Entwurf paralleler Systeme Introduction to Real Time Operating Systems Real-Time = Fast RT = PREDICTABLE HARD SOFT STATIC DYNAMIC

26 Lehrveranstaltungen FG Entwurf paralleler Systeme 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 Lehrveranstaltungen FG Entwurf paralleler Systeme Real Time Operating Systems Theory behind Real Time Operating Systems Scheduling Schedulability analysis Real time resource conflict handling ceiling blocking J2J2 s2 s1 s2 t0t0 t1t1 t2t2 t3t3 t4t4 t5t5 t6t6 t7t7 t8t8 t9t9 P0P0 P1P1 P2P2 J1J1 J0J0 s0s1 normal execution critical section

28 Lehrveranstaltungen FG Entwurf paralleler Systeme Beispiel einer Projektgruppe: PaderKicker Perception Tower Model Tower Particle Filter Vision Odometrie Feature Action Tower

29 Lehrveranstaltungen FG Entwurf paralleler Systeme 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 ESS Module im II. und III. Studienabschnitt Fachgebiet Betriebssysteme und Verteilte Systeme Fachgebiet Rechnernetze Fachgebiet Technische Informatik Fachgebiet Entwurf paralleler Systeme Typische Kombinationen

31 Typische Modulkombinationen bei ESS-Vertiefung 1. Modul BS & VS (III.3.2)Rechnernetze (III.3.3) Technische Inf. (III.3.5) Entwurf par. Systeme (III.3.6) 2. Modul BS & VS (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 Entwurf par. Systeme Embedded systems Voraussetzungen: ES Abkürzungen Lehrveranstaltungen: VS = Verteilte Systeme RN = Rechnernetze HSCD = HW/SW-Codesign ES = 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