Johann Wolfgang Goethe-Universität

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1 1. Einleitung 1.1 Technische Informtik 1.2 Systemgrundlgen 1.3 Systemeinteilung SS 2002 Technische Informtik 2 Einleitung 1

2 1.1 Technische Informtik Eingebettete Systeme Heterogene Systeme Hrdwre/Softwre Codesign Entwurfsmethodik Synthese Logischer Entwurf digitler Systeme Rechnerrchitektur Rechnerorgnistion Physiklische, elektrotechnische und technologische Grundlgen SS 2002 Technische Informtik 2 Einleitung 2

3 Informtionsverrbeitende Systeme Informtionsverrbeitende Systeme sind oft heterogener Art, d.h. us unterschiedlich konzipierten Teilsystemen ufgebut. Beispiele: Mischung synchroner/synchroner Subsysteme Mischung nloger/digitler Subsysteme Mischung Hrdwre/Softwre Subsysteme Anwendungen Systemklssen Repräsenttion Informtionsverrbeitende Systeme Orgnistionsprinzipien Ktegorien Entwurfsqulität Entwurfsmethoden Zieltechnologien SS 2002 Technische Informtik 2 Einleitung 3

4 1.2 Systemgrundlgen Systemdefinition: Ein System ist ein nch bestimmten Gesichtspunkten bgegrenzter Bereich der objektiven Relität sowie jedes seiner Abbilder (Modelle). Es stellt llgemein ein mthemtisches Modell einer homogenen oder heterogenen Relität dr. Der nicht zum System gehörende Teil heißt Umwelt (Umgebung). Systeme und Umwelt werden durch den Systemrnd (Schnittstelle) voneinnder getrennt. Ein System ist us kleineren Einheiten, den Elementen, zusmmengesetzt. Zwischen den Elementen können Beziehungen (Reltionen) bestehen. Ebenso bestehen Beziehungen zwischen dem System und der Umgebung. Die Reltionen bestimmen zusmmen mit den Elementen die Struktur des Systems. Ds System ls Gnzes wie uch die Elemente hben ein bestimmtes Verhlten (sie erfüllen eine bestimmte Funktion). Homogene Systeme: Ein System wird ls homogen bezeichnet, wenn ein mthemtisches Modell zugrundeliegt. Heterogene Systeme: Ein System wird ls heterogen bezeichnet, wenn mehrere mthemtische Modelle zugrunde gelegt werden müssen (z.b. gemischt nlog/digitles System). SS 2002 Technische Informtik 2 Einleitung 4

5 Merkmle von Systemen Die wesentlichen Merkmle von Systemen sind: 1. Verhlten: S verh E A F e 1 e 2 F : E A 1 2 e n m 2. Struktur: S struk E A EL R e 1 e 2 e n r 1 el r 2 r el 2 2 r 4 5 r el 3 r 6 m Ds Verhlten und die Struktur eines Systems müssen in Übereinstimmung stehen, ds heißt, sie relisieren die gleiche Abbildung F. SS 2002 Technische Informtik 2 Einleitung 5

6 Merkmle von Systemen E Menge der Eingngsgrößen E e i Jede Art von Einwirkung uf ein System oder uf eines seiner Elemente wird ls Eingngsgröße bezeichnet. Die Einwirkungen können us der Umgebung stmmen oder von nderen Elementen. A Menge der Ausgngsgrößen A j Jede Art von Wirkung eines Systems oder eines seiner Elemente uf ndere Systeme bzw. deren Elemente oder uf die Umgebung nch dem Kuslitätsprinzip (Wirkungszusmmenhng zwischen Ursche und Wirkung) wird ls Ausgngsgröße bezeichnet. Ausgngsgrößen können durch innere Quellen erzeugt werden oder Wirkungen von Eingngsgrößen sein. Alle Eingngsgrößen e i E und lle Ausgngsgrößen j A hben den Chrkter von Signlen (räumlich oder zeitlich veränderliche physiklische Größen). Sie sind Träger von Nchrichten bzw. von Informtionen und sind durch einen Nmen, Merkmle/Eigenschften (Wertemengen, Dtentyp) und einen Wert gekennzeichnet (Anlogie: Vriblen in Progrmmen). F Abbildung F : E A (uch Funktion gennnt) Eine Abbildung ordnet den Werten der Eingngsgröße Werte von Ausgngsgrößen zu. EL Menge der Elemente des Systems R Reltionen zwischen den Elementen bzw. zwischen Elementen und Eingngsgrößen bzw. zwischen Elementen und Ausgngsgrößen SS 2002 Technische Informtik 2 Einleitung 6

7 Beschreibung von Systemen Für Systeme existieren verschiedene Beschreibungsformen: Informle Spezifiktion ntürliche Sprche Funktionle Beschreibung Tbellen Formeln Flußdigrmme Hrdwrebeschreibungssprchen Strukturelle Beschreibung durch Netzwerke weniger komplexer Komponenten Blockschltbilder (Busteine und Verdrhtungspln) Netzlisten Hrdwrebeschreibungssprchen Physiklische Beschreibung uf der Bsis elementrer Buteile Trnsistoren SS 2002 Technische Informtik 2 Einleitung 7

8 Beispiel Informle Beschreibung 1 Bit Addierer: Gegeben sind die zu ddierenden Eingngssignle und b sowie ds Übertrgssignl des vorngegngenen Addierers c in. Ausgngssignle sind die Summe s und der Übertrg c out. Die Summe s soll genu dnn 1 sein, wenn ein Eingngssignl oder wenn lle drei Eingngssignle 1 sind. Der Übertrg c out soll genu dnn 1 sein, wenn mindestens zwei der drei Eingngssignle 1 sind. SS 2002 Technische Informtik 2 Einleitung 8

9 Beispiel Funktionle Beschreibung Funktionstbelle: b c in s c out Boolesche Funktion: s bc in bc in bc in bc in b c in bc in b c in c out c out bc in bc in bc in bc in b c in bc in b c in b SS 2002 Technische Informtik 2 Einleitung 9

10 Beispiel Funktionle Beschreibung Hrdwrebeschreibungssprche (VHDL): entity 1 bit dder is port ( : in bit; b : in bit; cin : in bit; s : out bit; cout : out bit ); end 1 bit dder; rchitecture behvior of 1 bit dder is begin s xor b xor cin; cout nd b or cin nd or b ; end behvior; SS 2002 Technische Informtik 2 Einleitung 10

11 Beispiel Strukturelle Beschreibung b 1 c in & 1 1 cout & 1 & 1 s & SS 2002 Technische Informtik 2 Einleitung 11

12 Beispiel Physiklische Beschreibung p-knl b b c in b b c in c in -c out -s b c in b b c in b n-knl SS 2002 Technische Informtik 2 Einleitung 12

13 Beispiel Lyout 1 Bit Addierer VDD V SS A B Cin Cout SLM SS 2002 Technische Informtik 2 Einleitung 13

14 DD Beispiel Lyout Inverter in o ut VDD in VSS out VDD o ut VSS p+ p+ n+ n + n-well p-substrte contct cut V p olysillicon metl o ut g te oxide field oxide VSS p+ n -well p+ n + n + p-substrte SS 2002 Technische Informtik 2 Einleitung 14

15 Y-Digrmm Struktur Struktursynthese Verhltensextrktion (Anlyse) Abstrktion Implementierung Verhlten Top-Down Bottom-Up Lyoutsynthese Strukturextrktion System-Ebene Algorithmische-Ebene Register-Trnsfer-Ebene Gtter-Ebene Trnsistor-Ebene Geometrie Top-Down Entwurf: Komplexe Funktionen werden in einfche zerlegt Bottom-Up Entwurf: Grundbusteine werden zu komplexen Einheiten zusmmengesetzt SS 2002 Technische Informtik 2 Einleitung 15

16 Begriffe zum Systementwurf Anlyse Die Extrktion des Verhltens eines Systems us der Struktur wird ls Anlyse bezeichnet. Bei der Anlyse erfolgt häufig eine Zerlegung einer komplexen Struktur in mehrere einfche Strukturen. Dieser Vorgng wird ls Prtitionierung bezeichnet. Konstruktion Konstruktion ist die Erzeugung einer Struktur (Implementierung) us einer Verhltensbeschreibung (Spezifiktion). Synthese Die utomtische Konstruktion, d.h. Erzeugung einer Struktur us einer Verhltensbeschreibung, wird ls Synthese bezeichnet. Vlidierung Der Vergleich zwischen dem Verhlten (Spezifiktion) und der Struktur (Implementierung) wird ls Vlidierung bezeichnet. Verifiktion Der formle Beweis, dß die Implementierung genu ds spezifizierte Verhlten zeigt, wird ls Verifiktion bezeichnet. Simultion Simultion ist eine Vlidierung bei der der Nchweis der Äquivlenz zwischen Spezifiktion und Implementierung uf eine Menge von Testfällen (Stimuli) beschränkt wird. Extrktion Die Extrktion ist Bestndteil der Anlyse. Ds Ziel ist eine Verifiktion (Simultion) einer gegebenen Spezifiktion gegen eine extrhierte Spezifiktion. SS 2002 Technische Informtik 2 Einleitung 16

17 Systementwurf Rndbedingungen Verhlten f (funktionle Spezifiktion) Simultion Verifiktion Verhlten f (extrhierte Spezifiktion) Konstruktion Synthese Simultion Verifiktion Struktur (Implementierung) Extrktion (Anlyse) SS 2002 Technische Informtik 2 Einleitung 17

18 Optimierung Ein Vorteil der Synthese ist ihre Flexibilität. Durch verschiedene Optionen der Synthesewerkzeuge knn ein größerer Bereich des Entwurfsrums und dmit ein größeres Optimierungspotentil usgeschöpft werden. Verhlten des Systems Konstruktion Kriterien (Constrints) Mögliche Systemstrukturen optimle System- strukturen Synthese SS 2002 Technische Informtik 2 Einleitung 18

19 Optimierungsziele bei integrierten Schltungen Testbrkeit Geschwindigkeit Zuverlässigkeit Leistungsufnhme Chipgröße Chipkosten Chipusbeute Verpckungskosten Anzhl von E/A-Anschlüssen SS 2002 Technische Informtik 2 Einleitung 19

20 1.3 Systemeinteilung Systeme ohne Speicher (ohne Erinnerung): e (t) 1 e (t) 2 System f y (t) 1 y (t) 2 e (t) n E t e 1 t. e n t Y t y 1 t. y m t y (t) m Y t f E t f ist eine Funktion, die einem Eingngsvektor E t einen Ausgngsvektor Y t zuweist. Ist f zeitunbhängig, so spricht mn von einem zeitinvrinten System. Ist f t zeitbhängig, so spricht mn von einem zeitvrinten System. Im Bereich der Digitltechnik werden die gedächtnislosen Systeme durch die Schltnetze beschrieben. SS 2002 Technische Informtik 2 Einleitung 20

21 Systemeinteilung Systeme mit Speicher (mit Erinnerung): Ein System wird ls speicherbehftet oder dynmisch bezeichnet, wenn es: 1. nicht gedächtnislos ist 2. zumindest für einige t gilt Y t f e t 0 t e t 0 t ist die Eingngsfunktion im Zeitintervll t 0 t, mit t 0 t. (Kusles System) Y t ist der Ausgngswert zur Zeit t. f ist eine Regel oder Funktion, die den Eingngswerten e im Intervll t 0 t einen Ausgngswert Y zuweist. Bei einem dynmischen System muß die Vergngenheit des Eingngs, d.h. die Werte von e im Intervll t 0 t, beknnt sein. Zur Beschreibung dynmischer Systeme wird häufig ds Zustndsmodell benutzt. SS 2002 Technische Informtik 2 Einleitung 21

22 Zustndsmodell Speicherteil F 0 X Speicherloser Teil f M E g Y Speicherloser Teil: M f E X Y g E X f ist eine Funktion, die, bei vorgegebenem Eingngsvektor E und dem Vektor der Zustndsvriblen, den Zustndsvektor liefert. g ist eine Funktion, die, bei vorgegebenem Eingngsvektor E und dem Vektor der Zustndsvriblen, den Ausgngsvektor liefert. Speicherteil: X t F 0 Mt 0 t X t 0 X 0 F 0 ist eine Regel, die, bei gegebenem X 0 und dem Zustndsvektor im Intervll t 0 t, wobei t 0 t ist, den Vektor der Zustndsvriblen zu jedem Zeitpunkt t (t 0) liefert. SS 2002 Technische Informtik 2 Einleitung 22