Integrierte Hard- und Softwaresysteme 2 · RNC RNC MSC/VLR GMSC HLR/AuC/EIR SGSN GGSN Node B Node B Node B Node B UE User Equipment ... Alarms Video surveillance Smoke Detectors Entertainment
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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“?
Integrierte Kommunikations-Systems 3Andreas 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 4Andreas 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 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
Integrierte Kommunikations-Systems 5Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
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.
Integrierte Kommunikations-Systems 6Andreas 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 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
Integrierte Kommunikations-Systems 7Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
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
Integrierte Kommunikations-Systems 8Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
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: mitsch@tu-ilmenau.de Email: dieter.wuttke@tu-ilmenau.dePhone: 03677-69-2819 Phone: 03677-69-2820
Karsten Henke Steffen OstendorffBüro: Zusebau, Raum 2078 Office: Zusebau, Raum 2078Email: karsten.henke@tu-ilmenau.de Email: steffen.ostendorff@tu-ilmenau.dePhone: 03677-69-1443 Phone: 03677-69-1788
Sekretariat: Jennifer Unbehaun, Zusebau, Raum 1031, Jennifer.Unbehaun@tu-ilmenau.de, Phone: 03677-69-2829
Integrierte Kommunikations-Systems 9Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
Einführung
Integriete HW/SW –Systeme: Beispiele
Integriete HW/SW –Systeme: Entwurfsaspekte
Integrierte Kommunikations-Systems 10Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
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 …
Integrierte Kommunikations-Systems 11Andreas 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 BUE
User Equipment
(UE)
IuUu
Iub
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Iur
Gn
Integrierte Kommunikations-Systems 12Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
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
Integrierte Kommunikations-Systems 13Andreas 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 14Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
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)
Integrierte Kommunikations-Systems 15Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
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
Integrierte Kommunikations-Systems 16Andreas 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 Arzeneimanagement•Automatisierte Production und intelligente Montage• Spielzeug, Interactive Museen
Integrierte Kommunikations-Systems 17Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
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
Integrierte Kommunikations-Systems 18Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
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
Integrierte Kommunikations-Systems 19Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
Beispiel: Airborne Dust
Mapleseed solar cellMEMS/Hexsil/SOI
1-5 cm
Controlled auto-rotatorMEMS/Hexsil/SOIRocket dust
MEMS/Hexsil/SOI
Integrierte Kommunikations-Systems 20Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
Beispiel: Synthetic Insects
Source: R. Yeh, K. Pister, UCB/BSAC
Integrierte Kommunikations-Systems 21Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
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
Integrierte Kommunikations-Systems 22Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
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
Integrierte Kommunikations-Systems 23Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
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
Integrierte Kommunikations-Systems 24Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
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
Integrierte Kommunikations-Systems 25Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
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 ...)
Integrierte Kommunikations-Systems 26Andreas Mitschele-Thiel / Dieter Wuttke 2013
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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