1. Grundlagen

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. 1.1 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. 1.1 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. 1.1 Eingebettete Systeme Mehr Beispiele: Alltagsgegenstände

5. 1.1 Eingebettete Systeme Raumfahrt

6. 1.1 Eingebettete Systeme KFZ-Technik

7. 1.1 Eingebettete Systeme Robotik

8. 1.1 Eingebettete Systeme Autonomes Fahrzeug (z.B. für die Fabrikautomation)

9. 1.1 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. 1.1 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. 1.1 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. 1.1 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. 1.1 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. 1.1 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. 1.1 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. 1.1 Eingebettete Systeme • Längerfristige Verfügbarkeit • Leistung muss über einen längeren Zeitraum erbracht werden • Betriebspausen, z.B. zur Reorganisation, sind nicht zulässig (Beispiel Garbage Collection)

17. 1.2 Ubiquitäre Systeme Ubiquitäre Systeme allgegenwärtig = überall verbreitet = ubiquitär Computer  „unsichtbar“, hinter Alltags- gegenständen verborgen Neuer Begriff: Ubiquitous Computing

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

19. Phase 1: Großrechner Phase 2: Personal Computer Phase 3: Ubiquitäre Systeme 1.2 Ubiquitäre Systeme Die dritte Ära der Rechnernutzung

20. 1.2 Ubiquitäre Systeme Merkmale ubiquitärer Systeme • Ubiquitäre Systeme sind eine Erweiterung sogenannter „eingebetteter Systeme“ • Rechner, die in technische Systeme eingebettet sind, also z.B. Waschmaschine, Fahrkartenautomaten, ABS im Auto etc. • überall in hoher Zahl vorhanden - Allgegenwart • ubiquitäre Systeme nutzen drahtlose Vernetzung • Handytechnologien, Funk-LAN, Bluetooth, Infrarot • Umgebungswissen, das es ubiquitären Systemen erlaubt, sich in hohem Maße auf den Menschen einzustellen • Neue Geräte wie z.B. Handhelds, tragbare Rechner

21. 1.2 Ubiquitäre Systeme Technologien ubiquitärer 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

22. 1.2 Ubiquitäre Systeme Anwendungsbeispiel: MediaCup (Teco Karlsruhe)

23. 1.2 Ubiquitäre Systeme • Der Boden der MediaCup enthält die Elektronik in einem abnehmbaren Gummiüberzieher. • Kern ist ein kleiner Mikroocontroller • Die Elektronik wird kabellos mit Energie versorgt; ein 15 minütiger Aufladevorgang kann die Tasse etwa 10 Stunden mit Energie versorgen. • Sensoren erkennen Temperatur und Bewegungszustand der Tasse. • Diese Informationen wird von der Tasse in den Raum gesendet.

24. 1.3 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. 1.3 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. 1.3 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. 1.3 Mikroprozessoren, Mikrocontroller, Signalprozessoren und SoC • Mikrorechnersystem (Mikrocomputersystem) Mikrorechner mit an die Ein-/Ausgabeschnittstellen angeschlossenen Peripheriegeräten, => Kontakt zum Umfeld im eingebetteten System

28. 1.3 Mikroprozessoren, Mikrocontroller, Signalprozessoren und SoC

29. 1.3 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. 1.3 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. 1.3 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. 1.3 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. 1.3 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. 1.4 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. 1.4 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:

38. 1.4 PC-Systeme Layout: Motherboard P7H55D-M Provon Asus

39. 1.4 PC-Systeme Standard PCs sind problematisch für eingebettete Systeme wegen: • Großem Platzbedarf • Hohem Gewicht • Hohem Energieverbrauch • Geringer mechanischer Robustheit • Standard-Betriebssysteme nicht echtzeitfähig Abhilfe: IndustriePCs

40. 1.4 PC-Systeme Speicher- Erweiterungs- Karte CPU-Karte IO-Karte serielle IO- Kanäle L2- Cache CPU Speicher . . . parallele IO- Kanäle CPU- PCI- Bridge Lokaler Spei- cher Bustreiber Bustreiber Bustreiber Backplane-Bus Backplane 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. Vorteil: Software kann auf normalem PC entwickelt und fast direkt übernommen werden

41. 1.5 Modellierung Da eingebettete Systeme neben digitalen zeitdiskreten auch analoge zeitkontinuierliche Komponenten besitzen können, kommen unterschiedliche Modelle zum Einsatz Modell kontinuierlich diskret dynamisch statisch dynamisch statisch

42. 1.5 Modellierung Zeitdiskrete Modelle: • Automaten • Petri-Netze • UML • Z-transformierte Übertragungsfunktion • ...

43. z y x Ausgangsstellung Hilfsstellung Reduzierpunkt Nut-Ende Nut-Tiefe 1.5 Modellierung Beispiel: Zeitdiskretes Modell einer Steuerung „Fräsen einer Nut“ in einem eingebetteten System

44. 1.5 Modellierung Modellierung mit einem Automaten (Moore-Automat) Ausgangs- zustand Ausgangs- position erreicht Start Eilgang -z Eilgang -x Zustand/ Ausgabe Reduzierpunkt erreicht . Vorschub -z Hilfsstellung erreicht Übergang Nuttiefe erreicht Vorschub +x Eilgang +z Nutende

45. 1.5 Modellierung Modellierung mit einem Petri-Netz Ausgangspositionerreicht Start Eilgang -z Reduzierpunkterreicht Eilgang -x - Transitionen - Stellen - Marken Hilfsstellungerreicht Vorschub -z Nuttiefeerreicht Eilgang +z Nutende Vorschub +x

46. 1.5 Modellierung Zeitkontinuierliche Modelle: • Differentialgleichungen • Übertragungsfunktion (Zeit-/Bildbereich) • Sprungantwort (Zeit-/Bildbereich) • Zustandsraumdarstellung • Frequenz- und Phasengang • ...

47. 1.5 Modellierung Modellierung mit Differentialgleichungen Eingangs- signal Ausgangs- signal Differenzialgleichung n-ter Ordnung System (Übertragungsglied) x(t) w(t) Beispiel: homogene lineare Differenzialgleichung: Lösung :

48. 1.5 Modellierung Modellierung mit Übertragungsfunktionen im Zeitbereich g(t): Übertragungsfunktion (Gewichtsfunktion, Impulsantwort) Faltung:

49. 1.5 Modellierung Modellierung mit Übertragungsfunktionen im Bildbereich W(s), G(s), X(s): Laplace-Transformierte von w(t), g(t), x(t) mit s = δ + jω Laplace-Transformation: Aus der Faltung wir im Bildbereich (Laplace-Bereich) eine Multiplikation: X(s) = G(s) ∙ W(s)

50. Steuersignal u(t) Steuergröße x(t) Stellgröße y(t) Sollwert (Führungsgröße) w(t) Steuer-glied Stell-glied Umfeld/ Strecke 1.5 Modellierung Steuerung und Regelung:Steuerung Offene Wirkungskette