Systemorientierte Informatik Institut für Angewandte Informatik Professur Technische Informationssysteme Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus Kabitzsch (Nöthnitzer Str. 46 (INF), Zi. 1074) E-Mail: [email protected]Webseite: http://www.iai.inf.tu- dresden.de/tis
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Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus Kabitzsch - TU Dresden · Materie* Energie* Information* Software: objektorientiert Prozess: systemorientiert Gemeinsamkeiten von Objekten und Systemen:
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Systemorientierte InformatikInstitut für Angewandte Informatik
• Nur die benötigte Peripherie• Nur die unmittelbar benötigte SW
– HW-Unterstützung der Software– Extreme SW-Bedingungen
• Kein oder minimales OS• Sehr lange Laufzeiten
Informations-systeme
Technische Informations-
systeme
Software:
(aus Objekten)
Prozess:
(aus Systemen)
Signale
Beispiele
Die Rechner sind in die Fabrik„eingebettet“ !(heute meistvernetzt)
Informations-systeme
Technische Informations-
systeme
Software:
(aus Objekten)
Prozess:
(aus Systemen)
Signale
Beispiele
Die Rechner sind in das Gebäude„eingebettet“ !(heute meist vernetzt)
Die Rechner sind in das Gebäude„eingebettet“ !(heute meist vernetzt)
Informations-systeme
Technische Informations-
systeme
Software:
(aus Objekten)
Prozess:
(aus Systemen)
Signale
Beispiele
Informations-systeme
Technische Informations-
systeme
Software:
(aus Objekten)
Prozess:
(aus Systemen)
Signale
Beispiele
weitere Beispiele…
MedizintechnikHalbleiterindustrie
BahntechnikKonsumgüterUniversitäten…
Modellfabrik an der Fakultät Informatik
Versuchsanlage: Vernetzte, eingebettete Rechnerfür das „intelligente Gebäude“an der Fakultät Informatik
Informations-systeme
Technische Informations-
systeme
Software:
(aus Objekten)
Prozess:
(aus Systemen)
Signale
Definitionen:
Definition
Prozess:
Unter einem Prozess versteht man Abläufe, mit welchen
Materie, Energie und Information
umgeformt, gespeichert bzw. transportiert werden.
DIN EN ISO 10628
Definition Technischer Prozess:
ist ein Prozess, dessen Ein-, Ausgangs- und Zustands-größen mit technischen Mitteln gemessen, gesteuert und/oder geregelt werden können.
Sensoren
erfassen E/A/Z-größen durch Wandlung der phys. Größen und leiten diese über die Messperipherie zum Computer.
Aktoren
sind Stelleinrichtungen, über die mittels Informationen aktiv in den Prozess eingegriffen werden kann.
Informations-systeme
Technische Informations-
systeme
Software:
(aus Objekten)
Prozess:
(aus Systemen)
Signale
Definitionen:
SensorenAktoren
2. Eigenschaften dynamischer Systeme
2.1. Allgemeine Systemeigenschaften
Software:
(aus Objekten)
Prozess:
(aus Systemen)
Signale
Informatiker kennt sich sehr gut aus
Software:
(aus Objekten)
Prozess:
(aus Systemen)
Signale
Informatiker kennt sich sehr gut aus
Informatiker hat wenig Ahnung !?
egal ?
Software:
(aus Objekten)
Prozess:
(aus Systemen)
Signale
Informatiker kennt sich sehr gut aus
Informatiker hat wenig Ahnung !
In den meisten Unternehmen stehen Rechner nicht allein, sondern werden mit (technischen) Prozessen verknüpft (bzw. in diese „eingebettet“).
Auftraggeben (Kunden) erwarten vom Informatiker keine Programme, sondern „Lösungen“. Dazu muss dieser
• die Prozesse des Kunden verstehen
• wissen, wie er seine Rechner mit diesen Prozessen koppelt
?
Informatiker (für ihre Software) und Ingenieure / Ökonomen (für ihre Prozesse) benutzen die gleiche Methode, um sich Überblick zu verschaffen:
Die Zerlegung komplexer Software bzw. Prozesse in kleine, einfach verständliche Teile:
in
Objekte und Systeme
SYSTEME
OBJEKTE
Materie
Energie
Information
PROZESS
SOFTWARE
Materie*
Energie*
Information*
Software: objektorientiert
Prozess: systemorientiert
Objekt System
Ein Objekt ist in der objektorientierten Programmierung ein Softwaregebilde mit individuellen Merkmalen. Es defi-niert sich über:
seine Identität, seinen
Zustand und
sein Verhalten.
Der Zustand eines Objekts wird durch
Instanzvariablen
sein Verhalten durch
Methoden
implementiert.
In objektorientierten Programmen bilden Objekte die Einheiten der Datenkapselung.
Ein System enthält eine Menge von Ele-menten zwischen denen Relationen be-stehen. Es charakterisiert sich über:
seine Identität, seinen
seinen inneren Zustand und sein Verhalten
Der Zustand eines Systems wird durch
Zustandsgrößen
sein Verhalten durch die
Funktionalität der Elemente
bestimmt.
Systeme sind mehr oder weniger von der Umwelt abgegrenzt (offene oder geschlossene Systeme)
SYSTEME
OBJEKTE
Materie
Energie
Information
PROZESS
SOFTWARE
Materie*
Energie*
Information*
Software: objektorientiert
Prozess: systemorientiert
Gemeinsamkeiten von Objekten und Systemen:
Ihr Zusammenwirken ist nur über Schnittstellen möglich (Botschaften zwischen Objekten, Signale zwischen Systemen)
Es interessiert nur ihr Verhalten an den Schnittstellen, nicht ihr interner Aufbau (information hiding = Verbergen und Schützen der internen Implementierung): Es reicht aus, das Verhaltenan den Schnittstellen zu kennen !
Es gibt bewährte Ordnungsprinzipien zur Beherrschung der Vielfalt (Klassenbildung, Instanziierung)
Was lernen Sie in dieser Vorlesung ?
• Wie zerlegt man einen großen Prozess in kleine, einfache Systeme ?• Nach welchen Gesetzen verhalten (bewegen) sich diese (z. B. Zeitverläufe) ? • Wie kann man dieses Verhalten durch Rechner nachbilden (Simulation) ?• Wie werden Sensoren / Aktoren an den Rechner angeschlossen ?• Welche Algorithmen braucht der Rechner, um den Prozess gezielt zu bewegen ?
S1
S2
Sj-1
Sj
Si
Prozess
E A
SYSTEME
OBJEKTE
Materie
Energie
Information
PROZESS
SOFTWARE
Materie*
Energie*
Information*
Software: objektorientiert
Prozess: systemorientiert
Was lernen Sie in dieser Vorlesung ?
• Wie zerlegt man einen großen Prozess in kleine, einfache Systeme ?• Nach welchen Gesetzen verhalten (bewegen) sich diese (z. B. Zeitverläufe) ? • Wie kann man dieses Verhalten durch Rechner nachbilden (Simulation) ?• Wie werden Sensoren / Aktoren an den Rechner angeschlossen ?• Welche Algorithmen braucht der Rechner, um den Prozess gezielt zu bewegen ?
?t
x
Was lernen Sie in dieser Vorlesung ?
• Wie zerlegt man einen großen Prozess in kleine, einfache Systeme ?• Nach welchen Gesetzen verhalten (bewegen) sich diese (z. B. Zeitverläufe) ? • Wie kann man dieses Verhalten durch Rechner nachbilden (Simulation) ?• Wie werden Sensoren / Aktoren an den Rechner angeschlossen ?• Welche Algorithmen braucht der Rechner, um den Prozess gezielt zu bewegen ?
PROZESS
Messwert-Erfassung
Steuerwert-ausgabe
SOFTWARE
Sensoren Aktoren
Was lernen Sie in dieser Vorlesung ?
• Wie zerlegt man einen großen Prozess in kleine, einfache Systeme ?• Nach welchen Gesetzen verhalten (bewegen) sich diese (z. B. Zeitverläufe) ? • Wie kann man dieses Verhalten durch Rechner nachbilden (Simulation) ?• Wie werden Sensoren / Aktoren an den Rechner angeschlossen ?• Welche Algorithmen braucht der Rechner, um den Prozess gezielt zu bewegen ?
PROZESS
Messwert-Erfassung
Steuerwert-ausgabe
SOFTWARE ?
2.1.1 Signale
PROZESS
Messwert-Erfassung
Steuerwert-ausgabe
SOFTWARE
Beispiel:
Gebäude-automatisierung
Eingabe-Peripherie (z.B. Tastatur)
Meß-Peripherie(z.B. Sensoren)
Stell-Peripherie(z.B. Aktoren)
Ausgabe-Peripherie (z.B. Bildschirm)
Rechner
Aöffnen
Zschließen
MElektromotor
100 %
0 %Schieber-position
Durchfluß
Strömungs-geschwindigkeit VS
Sensor(Fotozelle)
Lampe
Flügel-rad
Informations-Verarbeitung
I-Eingabe I-Ausgabe
I-Nutzung I-Gewinnung
Beispiel:
Gebäude-automatisierung
Eingabe-Peripherie (z.B. Tastatur)
Meß-Peripherie(z.B. Sensoren)
Stell-Peripherie(z.B. Aktoren)
Ausgabe-Peripherie (z.B. Bildschirm)
Rechner
Aöffnen
Zschließen
MElektromotor
100 %
0 %Schieber-position
Durchfluß
Strömungs-geschwindigkeit VS
Sensor(Fotozelle)
Lampe
Flügel-rad
Informations-Verarbeitung
I-Eingabe I-Ausgabe
I-Nutzung I-Gewinnung
Signale Signale
Definition: SIGNAL
Unter einem Signal versteht man den zeitlichen Verlauf x(t) einer physikalischen Größe, welcher Informationen in sich trägt.
t
t
x#
t
x
x#
t
x
tk tk
Definition:
kontinuierlich diskontinuierlich
zeitkontinuierlich zeitdiskret
analog diskret
wertkontinuierlich wertdiskret
Kombinationsmöglichkeiten:
wer
tkon
tinui
erlic
hw
ertd
iskr
etzeitkontinuierlich zeitdiskret
ZEIT
IP
analog
digital
wertkontinuierlich-zeitkontinuierlich
x(t)
Definition: x(t) ist ein Signal, das zu jedem Zeitpunkt existiert und (in einem bestimmten Intervall) jeden beliebigen Wert an-nehmen kann
t
x
wertkontinuierlich-zeitdiskret
x(tk)
Definition: x(tk) ist ein Signal, das nur zu bestimmten Zeitpunkten existiert und (in einem bestimmten Intervall) jeden beliebigen Wert annehmen kann ( zeitdiskretes Signal)
t
x
tk
wertdiskret-zeitkontinuierlich
x#(t)
Definition: x#(t) ist ein Signal, das zu jedem Zeitpunkt existiert und nur abzählbar viele Werte annehmen kann.
t
x#
wertdiskret-zeitdiskret
x#(tk)
Definition: x#(tk) ist ein Signal, das nur zu bestimmten Zeitpunkten existiert und nur abzählbar viele Werte annehmen kann.
Man spricht von digitalen Signalen, wenn die Werte aus einem Alphabet entnommen werden.
t
x#
tk
tk
x(t) x(tk)
Abtastelement
tk – tk-1 = t Abtastsystem
falls t = T =const äquidistantes Abtastsystem
T := Abtastperiode
fa = 1/T := Abtastfrequenz
Wie entsteht aus einem zeitkontinuierlichen Signal x(t) einzeitdiskretes Signal x(tk) ? durch Abtasten
t
x
t
x
tk
Eingabe-Peripherie (z.B. Tastatur)
Meß-Peripherie(z.B. Sensoren)
Stell-Peripherie(z.B. Aktoren)
Ausgabe-Peripherie (z.B. Bildschirm)
Rechner
Aöffnen
Zschließen
MElektromotor
100 %
0 %Schieber-position
Durchfluß
Strömungs-geschwindigkeit VS
Sensor(Fotozelle)
Lampe
Flügel-rad
Informations-Verarbeitung
I-Eingabe I-Ausgabe
I-Nutzung I-Gewinnung
Hier ist das Abtastelement eingebaut !
tk
x(t) x#(tk)
Abtastelement
ADU
Das Signal wird von seiner phys. Trägergröße gelöst und als digitaler Wert (abstrakte Zahl) abgebildet.
Wie entsteht aus einem zeitkontinuierlichen Signal x(t) nach demAbtasten [ x(tk) ] auch noch ein wertdiskretes Signal x#(tk) ?
durch einen Analog-Digital-Umsetzer (ADU)
Eingabe-Peripherie (z.B. Tastatur)
Meß-Peripherie(z.B. Sensoren)
Stell-Peripherie(z.B. Aktoren)
Ausgabe-Peripherie (z.B. Bildschirm)
Rechner
Aöffnen
Zschließen
MElektromotor
100 %
0 %Schieber-position
Durchfluß
Strömungs-geschwindigkeit VS
Sensor(Fotozelle)
Lampe
Flügel-rad
Informations-Verarbeitung
I-Eingabe I-Ausgabe
I-Nutzung I-Gewinnung
Hier ist auchder ADU eingebaut !
Im Rechner existieren nur noch Zahlenfolgen (=zeitdiskrete+wertdiskrete Signale)
Wie wird der ADU in der Praxis gebaut?
Messgröße häufig keine Spannung!(Licht, Druck, Temperatur, ...)
Verschiedene Verfahren, je nach Ziel– Minimale Kosten: Dual Slope Wandlung– Maximale Abtastfrequenz: Flash-AD-Wandlung– Beste Integrierbarkeit: Sukzessive Approximation– Weitere Verfahren
(aber selten in Embedded Systems)Je nach Variante integriert oder als extra Chip
Und die Aktor-Seite?
• Wie produziert man wert-kontinuierliche Ausgabewerte?• Einfache Verfahren mit hoher Energieeffizienz gesucht!• Naive Ansätze produzieren hohe Verlustleistung
• Was kann Microcontroller dazu beitragen?• Spezielle Verfahren (Puls-Breiten Modulation)• Direkte HW-Implementierung