Folien Kapitel 1 - Eingebettete Systeme
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Transcript Folien Kapitel 1 - Eingebettete Systeme
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
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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
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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
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1.1 Eingebettete Systeme
Mehr Beispiele:
Alltagsgegenstände
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1.1 Eingebettete Systeme
Raumfahrt
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1.1 Eingebettete Systeme
KFZ-Technik
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1.1 Eingebettete Systeme
Robotik
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1.1 Eingebettete Systeme
Autonomes
Fahrzeug (z.B. für
die
Fabrikautomation)
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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
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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
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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!
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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
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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
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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
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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
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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)
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1.2 Ubiquitäre Systeme
Ubiquitäre Systeme
allgegenwärtig = überall verbreitet = ubiquitär
Computer „unsichtbar“, hinter Alltagsgegenständen verborgen
Neuer Begriff:
Ubiquitous Computing
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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.
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1.2 Ubiquitäre Systeme
Die dritte Ära der Rechnernutzung
Phase 1: Großrechner
Phase 2: Personal Computer
Phase 3: Ubiquitäre Systeme
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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
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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
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1.2 Ubiquitäre Systeme
Anwendungsbeispiel: MediaCup (Teco Karlsruhe)
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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.
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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
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1.3 Mikroprozessoren, Mikrocontroller,
Signalprozessoren und SoC
Basiskomponenten eines Mikroprozessors
Rechenwerk
Steuerwerk
Prozessorkern
Schnittstelle zur Außenwelt
Weitere Komponenten (je nach Komplexität)
Cache
Virtuelle Speicherverwaltung
Ziel: möglichst effiziente Ausführung eines Programms
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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.
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1.3 Mikroprozessoren, Mikrocontroller,
Signalprozessoren und SoC
Mikrorechnersystem (Mikrocomputersystem)
Mikrorechner mit an die Ein-/Ausgabeschnittstellen
angeschlossenen Peripheriegeräten,
=> Kontakt zum Umfeld im eingebetteten System
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1.3 Mikroprozessoren, Mikrocontroller,
Signalprozessoren und SoC
Mikrorechner
Mikroprozessor
Zentraleinheit
Prozessorkern
Steuerwerk Rechenwerk
Speicher
Verbindungseinrichtun
g
Ein-/Ausgabe-
(für Programme und
Daten)
Mikrorechnersystem
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Schnittstellen
PeripherieGeräte
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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1.4 PC-Systeme
Grundlegende Bestandteile eines PCs:
Mikroprozessor
Cache
Northbridge
verbindet
Systembus und Hauptspeicher
Southbridge
verbindet
Ein-/Ausgabeeinheiten
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1.4 PC-Systeme
Beispiel:
Memory Bus DDR3
DDR3-RAM
Memory Bus DDR3
Intel Core i5/i7/i9
(LGA 1156 Package)
(Northbridge integriert)
DDR3-RAM
PCI Express 2.0 x16
Graphics
P7H55D-M Pro
Motherboard
DMI x4
FDI
von Asus
Digital Display (HDMI, DVI)
Intel H55
Express Chipset
(Southbridge)
PCI Bus
Gigabit
LAN
PCI Express x1
USB
Serial ATA
1.4 PC-Systeme
Eigenschaften der
Bus
Übertragungsart
Taktrate
Übertragungsrate
Memory Bus
64 Bit parallel,
2-fache Datenrate,
DDR3 Protokoll
667 MHz
10,6 GByte/s
PCI Express 2.0 x 16
16 x 1 Bit seriell,
vollduplex,
2-fache Datenrate,
8B10B Kode
2500 MHz
16 GByte/s
PCI Express x 16
16 x 1 Bit seriell,
vollduplex,
2-fache Datenrate,
8B10B Kode
1250 MHz
8 GByte/s
PCI Express x1
1 x 1 Bit seriell,
vollduplex,
2-fache Datenrate,
8B10B Kode
1250 MHz
500 MByte/s
DMI x4
4 x 1 Bit seriell,
vollduplex,
2-fache Datenrate,
8B10B Kode
1250 MHz
2 GByte/s
PCI Bus
32 Bit parallel,
Adress/DatenMultiplex
33 MHz
133 MByte/s
USB
1 Bit seriell,
halbduplex,
1-fache Datenrate,
NRZI Kode
480 MHz
60 MByte/s
Serial ATA
1 Bit seriell,
halbduplex,
1-fache Datenrate,
8B10B Kode
1500 MHz
150 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
FDI
Basierend auf
DisplayPort mit max. 4
Leitungen
5,4 GHz
2,1 GBit/sec
verschiedenen Busse:
1.4 PC-Systeme
DDR3-RAM
DDR3-RAM
DDR3-RAM
DDR3-RAM
USB
LGA 1156
ChassisLüfter
PCI Express x1
Serial
ATA
PCI Express2.0 x16 (Graphik)
Intel
H55
PCI
PCI
USB
PowerConnector
P7H55D-M Pro
von Asus
LAN
Motherboard
Intel Core i3/i5/i7
Audio
Layout:
DVI
HDMI
CPULüfter
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
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1.4 PC-Systeme
CPU-Karte
CPU
SpeicherErweiterungsKarte
IO-Karte
serielle IOKanäle
L2Cache
Speicher
parallele IOKanäle
CPU- Lokaler
PCISpeiBridge 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
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1.5 Modellierung
Da eingebettete Systeme neben digitalen zeitdiskreten
auch analoge zeitkontinuierliche Komponenten besitzen
können, kommen unterschiedliche Modelle zum Einsatz
Modell
kontinuierlich
statisch
dynamisch
diskret
statisch
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dynamisch
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1.5 Modellierung
Zeitdiskrete Modelle:
Automaten
Petri-Netze
UML
Z-transformierte Übertragungsfunktion
...
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1.5 Modellierung
Beispiel: Zeitdiskretes Modell einer Steuerung „Fräsen einer Nut“
in einem eingebetteten System
z
y
x
Ausgangsstellung
Hilfsstellung
Reduzierpunkt
Nut-Ende
Nut-Tiefe
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1.5 Modellierung
Modellierung mit einem Automaten (Moore-Automat)
Ausgangszustand
Ausgangsposition
erreicht
Start
Eilgang
-z
.
Eilgang
-x
Reduzierpunkt
erreicht
Hilfsstellung
erreicht
Vorschub
-z
Nuttiefe
erreicht
Vorschub
+x
Nutende
Zustand/
Ausgabe
Übergang
Eilgang
+z
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1.5 Modellierung
Modellierung mit einem Petri-Netz
Start
Ausgangsposition
erreicht
Eilgang -z
Reduzierpunkt
erreicht
Vorschub -z
Nuttiefe
erreicht
Vorschub +x
Eilgang -x
Hilfsstellung
erreicht
Eilgang +z
-
Transitionen
-
Stellen
-
Marken
Nutende
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1.5 Modellierung
Zeitkontinuierliche Modelle:
Differentialgleichungen
Übertragungsfunktion (Zeit-/Bildbereich)
Sprungantwort (Zeit-/Bildbereich)
Zustandsraumdarstellung
Frequenz- und Phasengang
...
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1.5 Modellierung
Modellierung mit Differentialgleichungen
Eingangssignal
w(t)
System
(Übertragungsglied)
Ausgangssignal
x(t)
Differenzialgleichung n-ter Ordnung
F x n ,...x,wm ,...w,t 0
Beispiel: homogene lineare Differenzialgleichung:
x( n ) an1 x( n1) ... a1 x a0 x 0
Lösung :
x(t ) Ck ek t Ck e( k jk )t Ck e k t (cosk t j sin k t )
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1.5 Modellierung
Modellierung mit Übertragungsfunktionen im Zeitbereich
w(t)
g(t)
g(t)
x(t)
g(t): Übertragungsfunktion (Gewichtsfunktion, Impulsantwort)
t
Faltung:
x(t ) g (t ) w( )d g (t ) * w(t )
0
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1.5 Modellierung
Modellierung mit Übertragungsfunktionen im Bildbereich
W(s)
G(s)
g(t)
X(s)
W(s), G(s), X(s): Laplace-Transformierte von w(t), g(t), x(t)
Laplace-Transformation:
F s L f t ets f t dt
0
mit s = δ + jω
Aus der Faltung wir im Bildbereich (Laplace-Bereich) eine Multiplikation:
X(s) = G(s) ∙ W(s)
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1.5 Modellierung
Steuerung und Regelung: Steuerung
Sollwert
(Führungsgröße)
w(t)
Steuersignal
u(t)
Steuerglied
Stellgröße
y(t)
Stellglied
Steuergröße
x(t)
Umfeld/
Strecke
Offene Wirkungskette
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1.5 Modellierung
Steuerung und Regelung: Regelung
Störungen
Regelabweichung Reglersignal
Stellgröße
u(t)
e(t)
y(t)
+
Sollwert
StellRegler
(Führungsgröße)
glied
w(t)
xr(t)
Istwert (gemessene
Größe)
Regelgröße
x(t)
Umfeld/
Strecke
Messglied
Geschlossene Wirkungskette
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