Musterlösung 3. Mikroprozessor & Eingebettete Systeme 1

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1 Musterlösung 3 Mikroprozessor & Eingebettete Systeme 1 WS214/215 Hinweis: Die folgenden Aufgaben erheben nicht den Anspruch, eine tief ergehende Kenntnis zu vermitteln; sie sollen lediglich den Einstieg in weiterführende Literatur erleichtern. Thema.: Eingebettete Systeme Übungsblatt Nr.: 3 Datum:

2 Aufgabe 1 (Erklärung ) Was versteht man unter einem eingebetteten System? Ein Eingebettetes System Embedded System ist ein Mikroprozessorsystem, das in einer Anwendungsumgebung soweit integriert ist, dass es für den Anwender nicht mehr als solches erkennbar ist. Eingebettete Systeme kommunizieren über einen Bus miteinander und über Aktoren und Sensoren mit der Umgebung. Solche Systeme bestehen aus sowohl verschiedenen Hardwarekomponenten z.b. CPU, RAM, ROM, Übertragungsschnittstellen, usw. als auch Softwarekomponenten. Aufgabe 2 (Vorteile) Eingebettete Systeme sind meistens auf eine spezielle Aufgabenstellung abgestimmt. Welche Vorteile bringt diese Art der Entwicklung? Lösung: vielfältigere Anwendungen, höhere Leistungsanforderungen, kürzere Time-to-Market, Senkung der Entwurfs- und Testkosten Aufgabe 3 (Einsatzbereich ) Geben Sie Beispiele für eingebettete Systeme in den Bereichen Automobiltechnik, Luft und Raumfahrttechnik, Automatisierungstechnik und Konsumgüterbereich an. Lösung: Kommunikationstechnik(Handy, Analysegräte, Endgeräte, ) Fahrzeugtechnik(Motorsteuerung, Airbag, ABS/ASS/ESP,..) Luft- und Raumfahrttechnik(Radar, Navigation, Vorschub, ) Unterhaltungselektronik(Stereoanlage, CD-Spieler, Fernseher,..) Bürotechnik(Drucker, Scanner,..) 2

3 Aufgabe 4 (Entwicklung eines eingebetteten Systems) Beschreiben Sie die Entwicklungsschritte eines Eingebetteten Systems. Software Entwurf Simulator Anforderung Spezifikation HW/SW Partitionierung Compiler Entwurf Realisierung Hardware Entwurf Synthese Bild 1.1: Entwicklungsschritte Eingebetteter Systeme Anforderung: Sind in der Regel Bedarf des Systems, welches von Entwickler erfüllt werden müssen. Z.B. in mobilen Geräten sind effiziente Ressourcennutzung und kostengünstige Entwicklung und in sicherheitskritischen Anwendungen, Echtzeitfähigkeit und Zuverlässigkeit. Spezifikation: In der Regel die Spezifikation lassen sich von den Anforderungen ableiten. Als Spezifikationssprache werden formale Sprachen (z.b. Prozesskalküle oder zustandsbasierte Formalismen) oder Diagramme (z.b. UML Diagramme) verwendet. HW/SW Partitionierung: Aus dieser Spezifikation wird die HW/SW Partitionierung abgeleitet. Hardware Entwurf: In diesem Schritt werden die benötige Hardware Komponenten festgelegt. Die Speziellen Prozessoren werden in Architekturbeschreibungssprachen (VHDL) definiert bzw. Implementiert. Software Entwurf: In diesem Schritt werden die Algorithmus, Data Strukturen, zeitabhängige und nebenläufige Abläufe realisiert. Compiler: Beim Bedarf werden spezielle Compiler entwickelt. Sie müssen besonders effizienten und ressourcenschonenden Code erzeugen. Synthese: 3

4 Ein VHDL Entwurf wird in eine Logikschaltung synthetisiert. Zur Realisierung wird eine Technologie ausgewählt und das Platinen Layout festgelegt. Simulation: Das Systemverhalten muss geprüft werden und Performance und Ressourcenverbrauch zu analysieren. Realisierung/Testen: Eine Realisierung des Systems wird stichprobenartig zur Ausführung gebracht, um anhand der Reaktion Fehlverhalten aufzudecken. Aufgabe 5 (Entwurfsschichten ) Beschreiben Sie den vollständigen Entwurfsablauf. Geben Sie Beispiele für die einzelnen Abstraktionsstufen an. Es gibt zwei Entwurfsverfahren: Top-down: Man beginnt auf der untersten Entwurfsebene. Beispielsweise werden aus Gattern Flipflops, aus Flipflops Register, aus Registern ein Rechenwerk und aus Rechenwerken eine CPU zusammengesetzt. Bottom-Up: Es wird mit der obersten Entwurfsebene begonnen. 4

5 Algorithmische Ebene ADC RAM ROM CPU Register-Transfer-Ebene I/O Steuerwerk Logik-Ebene ALU Register & & & & Transistor-Ebene Bild 1.2: Struktur- und Verhaltens-Beschreibung auf verschiedenen Abstraktionsebenen Je höher die Abstraktionsebene angesiedelt ist, desto komplexer ist die Funktion der Komponente. Registertransferebene-Komponenten sind z.b. ALU, Steuerwerk und Logikebene-Komponenten z.b. NAND und NOR. Algorithmische Ebene: Algorithmus, State Charts RT-Ebene: Datenpfad und Automat Gatter(Logik)-Ebene: Boolesche Gleichungen 5

6 Schaltungsebene: Die Schalterebene stellt die unterste Abstraktionsebene, auf der ein Designer tätig wird. Die Geometrie der Schaltungen wird auf der Schalterebene durch ein "stickdiagram" oder ein symbolisches Layout (Abb. Symbol) repräsentiert. Das Layout beschreibt die relative Lage der einzelnen Transistoren zueinander und deren Art, sowie die Verdrahtung zwischen den einzelnen Transistoren. Beim stickdiagram wird ein Transistor durch die Überschneidung zweier unterschiedlicher Layer, die verschiedene Materialien darstellen (z.b. Metall, dotiertes Silizium, Polysilizium, u.s.w), erzeugt. Die stickdiagram-ansicht ist zum Nachvollziehen komplexer Schaltungen wenig geeignet, da sie sehr schnell unübersichtlich wird. Aufgabe 6 (Echtzeitsystem) 6.1. Erklären Sie den Begriff Echtzeit und Echtzeitsystem? Echtzeit bedeutet dass das Ergebnis einer Berechnung innerhalb eines gewissen Zeitraumes garantiert vorliegt d.h. bevor eine bestimmte Zeitschranke erreicht ist. Ein Echtzeit-System reagiert also auf alle Ereignisse rechtzeitig und verarbeitet die Daten "schritthaltend" mit dem technischen Prozess. Es wird quasi nicht vom technischen Prozess abgehängt. Schnelle Programmausführung: Tasks werden nach dem Prinzip best effort abgearbeitet. Keine Garantie bezüglich Antwortzeit (Turnaround-Zeit). Lediglich funktionale (keine zeitlichen) Anforderungen. (z.b. PC, Workstation, Textverarbeitung, Multimedia, etc.) Um die Echtzeit-Fähigkeit eines Echtzeit-Systems theoretisch nachweisen zu können müssen die Häufigkeit der externen Ereignisse die Laufzeit der einzelnen Programmteile und die Zeitschranken bekannt sein. (z.b. Prozess-Regelungen, ABS, Airbag, Avionik, etc.) 6.2. Was ist Unterschied zwischen harte und weiche Echtzeitbedingungen? Abhängig von den Folgen wird manchmal zwischen harter Echtzeit (engl. hard real-time ) und weicher Echtzeit (engl. soft real-time ) unterschieden. Das heißt, je nach Aufgabenstellung variiert die Stärke der Anforderung nach Rechtzeitigkeit. - Harte Echtzeitbedingung 6

7 Hat die Forderung nach Rechtzeitigkeit fatale Folgen, so spricht man von harter Echtzeit. Zum Beispiel, das elektronische Motormanagement muss harte Echtzeit erfüllen sonst stottert der Motor oder das Auto bleibt gar ganz stehen was sogar Unfälle auslösen könnte. Hierunter fallen Rechnersysteme für Flugzeuge, Kraftwerke, industrielle Steuer- und Regelsysteme, Roboter oder Werkzeugmaschinen. - Weiche Echtzeitbedingung Von weicher Echtzeit spricht man dann, wenn die Reaktion auf ein Ereignis nicht zu einem exakten Zeitpunkt erfolgen muss, und es noch eine zulässige Zeittoleranz gibt. Zum Beispiel, ein Computer mit dem man Videos und Filme ohne merkbare Wartezeiten bearbeiten können soll braucht nur weiche Echtzeit zu erfüllen. Dauern einzelne Aktionen länger erfüllt das System dennoch seinen Zweck. Hierunter fallen z. B. viele technische Prozesse In einem Echtzeitsystem werden 4 Tasks T1, T2, T3 und T4 bearbeitet. Es ist pro Task Ti die Prozeßzeit tp und die Verarbeitungszeit tv bekannt. Tasks t V t p T1 2ms 5ms T2 2ms 1ms T3 3ms t V 5ms 2ms T4 5ms 5ms t p 1ms Berechnen Sie die Auslastung des Rechners für die Tasks 1 und Durch welche Werte ist der Worst Case für den Rechner gekennzeichnet? Geben Sie für diesen Fall die Gesamtauslastung an Ist es von der Zeitanforderung her gesehen prinzipiell möglich, alle vier Jobs von einem Echtzeitrechner bearbeiten zu lassen? Wie hoch ist die durchschnittliche Auslastung, wenn Sie von einer Gleichverteilung der Prozess und Ausführungszeiten ausgehen? Wenn noch ein Task T5 mit nur 1ms Verarbeitungszeit und 1ms Prozesszeit in diesem System bearbeitet werden soll, wie ändert sich die Zeitanforderung im Echtzeitsystem. 7

8 Lösung t V t p ρ1,2 = 2ms/5 ms + 2 ms /1 ms =,4+,2=, Bei Steuerungsaufgaben spielt der Begriff "worst case" eine wichtige Rolle. Worst Case ist der schlimmste Fall für die Zeitbedingung. Dieser Fall muss für jede und minimale Prozesszeiten ermittelt Aufgabenstellung durch maximale Ausführungszeiten werden. ρ 3,4 = 5 ms /2 ms + 5 ms /5 ms =,35 ρ ges =,6 +,35 =,95 Aber: Neben der Erfüllung der Auslastbedingung muss zudem jeder Job seine Deadline einhalten. Lässt sich überprüfen mittels zuweisen von Prioritäten und der Rechnerkernbelegung ρ ges 1 OK! ρ mittel = ρ 1,2 + 4 ms /2 ms + 5 ms /75 ms =,6+.2+,666=, Die maximal zulässige Reaktionszeit (deadline) ist durch die jeweilige (minimale) Prozesszeit gegeben ρ 5=1ms/1ms =,1 ρ mittel = 2ms/5 ms + 2 ms /1 ms + 4 ms /2 ms + 5 ms /75 ms +1 ms /1 ms =,4+,2+.2+,666+,1=,96666 Bei Worstcase : ρ ges =,95 (siehe 6.3.2) +,1 = 1,5!--> keine Echtzeit Alle 5 Tasks sollen nicht von einem Echtzeitrechner bearbeiten lassen. Eine von den Lösungen ist z.b.: Taskauswahländern. 8