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. Eingebettete Systeme sind informationsverarbeitende Systeme bestehend aus Hardwareund Softwarekomponenten, als integraler Bestandteil komplexer mikroelektronischer bzw. mechatronischer Systeme, die diese, meist interaktiv, steuern bzw. regeln. Eingebettete Systeme sind häufig in größere, teilweise heterogene Umgebungen eingefügt. Aufgabe 2 (Einsatzbereich) Geben Sie Beispiele für eingebettete Systeme in den Bereichen Automobiltechnik, Luft und Raumfahrttechnik, Automatisierungstechnik und Konsumgüterbereich an. Automobiltechnik: Motorsteuerung, Airbag, ABS (Antiblockiersystem)/ASS/ESP (Elektronsiches Stabilitätsprogramm), Getriebesteuerung, Temperaturkontrolle, Funktelefon, elektronische Wegfahrsperre, Radar, automatisches Bremsen, Navigation, automatisches Lenken, Tempomat Luft und Raumfahrttechnik: Leitwerk, Navigation, Vorschub, Landeklappen, Radar, Autopilot, Heckruderstabilisatoren, Flügeldynamik, Triebwerkkontrolle, Mechatronisches Monitoring Automatisierungstechnik: Prozessregelung, Robotik, Sensor/Aktor Interface, Bluetooth, CNC-Maschine, Förderband, Qualitätssicherung, Bilderkennung, Sortieranlage Konsumgüter: CCD Kamera, Mobiltelephone, Walkman, Disk drives, TV set-top boxes, CD/DVD Systeme, Haushaltsgeräte, Bohrmaschine, Nähmaschine, Garagentüröffner, Sportgeräte, Uhr 2

3 Aufgabe 3 (Entwicklung eines Eingebetteten Systems ) Beschreiben Sie die Entwicklungsschritte eines Eingebetteten Systems. 5. Software Entwurf 8. Übersetzung 1. Anforderungen 2. Spezifikation 3. HW/SW Partitionierung 6. Compiler Entwurf 9. Realisierung 4. Hardware Entwurf 7. Synthese Bild 1.1: Entwicklungsschritte Eingebetteter Systeme 1.Anforderungen Besondere Anforderungen an eingebettete Systeme in mobilen Geräten sind effiziente Ressourcennutzung und kostengünstige Entwicklung, in sicherheitskritischen Anwendungen, Echtzeitfähigkeit und Zuverlässigkeit. 2.Spezifikation Aus den Anforderungen wird eine Spezifikation des Systems abgeleitet. Als Spezifikationssprache werden formale Sprachen (z.b. Prozesskalküle oder zustandsbasierte Formalismen) oder Diagramme (z.b. UML Diagramme) verwendet. 3. HW/SW Partitionierung Spezifikationssprachen für eingebettete Systeme beschreiben Systeme als eine Menge nebenläufiger Prozesse. Dabei werden Kommunikation, Synchronisation und Zeitverhalten modelliert. Aus diesem Modell wird die HW/SW Partitionierung abgeleitet. 4. Hardware Entwurf Spezielle Prozessoren werden in Architekturbeschreibungssprachen definiert. Spezielle Hardware wird in Hardwarebeschreibungssprachen implementiert, wie in VHDL zum Beispiel. 5.Software Entwurf Der Entwurf erfolgt mit speziellen Spezifikations- und Programmiersprachen. Diese unterstützen zeitabhängige und nebenläufige Abläufe und erlauben direkten Bezug zur Hardware. 3

4 6.Compiler Für spezielle Prozessorarchitekturen werden spezielle Compiler entwickelt. Sie müssen besonders effizienten Code erzeugen. 7.Synthese Ein VHDL Entwurf wird in eine Logikschaltung synthetisiert. Zur Realisierung wird eine Technologie ausgewählt und das Platinenlayout festgelegt. 8.Simulation Ein Modell des Systems wird stichprobenartig zur Ausführung gebracht, um das Systemverhalten zu prüfen und Performance und Ressourcenverbrauch zu analysieren. 9.Realisierung - Testen Eine Realisierung des Systems wird stichprobenartig zur Ausführung gebracht, um anhand der Reaktion Fehlverhalten aufzudecken. Aufgabe 4 (Entwurfsschichten ) Beschreiben Sie den vollständigen Entwurfsablauf. Geben Sie Beispiele für die einzelnen Abstraktionsstufen an. 4

5 Algorithmische Ebene ADC RAM ROM CPU Register-Transfer-Ebene I/O Steuerwerk ALU Register Logik-Ebene & & & & 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, Statecharts RT-Ebene: Datenpfad und Automat 5

6 Gatter(Logik)-Ebene: Boolesche Gleichungen 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 5 (Mikroprozessor im eingebetteten System ) Nennen Sie Mikroprozessor Komponenten im Eingebetteten System. - ES mit Universal-Prozessor (CISC: Complex Instruction Set, RISC: Reduced Instruction Set) Bei dieser Lösung ist das ES größtenteils in Software realisiert. Der Prozessor ist ein Massenprodukt, für den die Software maximal schnell entworfen werden kann, die Auswahl an möglichen Programmiersprachen und Betriebssystemen ist maximal. Der Prozessor muss mit einigen externen Bausteinen, wie z. B. Speicher und Schnittstellenbausteinen ergänzt werden, was die Kosten erhöht und die Performance erniedrigt. Die Performance dieses Ansatzes ist mäßig, die Entwicklungszeit minimal. Diese Lösung ist für Produkte, die in kleiner Stückzahl hergestellt werden, optimal. Breites Anwendungsfeld, programmierbar, keine optimale Implementierung möglich, Entwicklung des Chips sehr teuer, Entwicklung von Projekten günstig, billiger als ASIC wegen hoher Stückzahlen (aufgrund der vielen Anwendungsmöglichkeiten), reiner Software Entwurf. - ES mit Spezial-Prozessoren ( DSP: Digitale Signal Processor) Prozessor arbeitet mit speziellen Prozessoren, wie z.b.: Digitalverarbeitungsprozessor. Der Prozessor enthält spezifische Komponenten, wie z. B. Schnittstellen, so dass die externe Beschaltung des Prozessors geringer wird und die variablen Kosten des Produktes geringer werden. Die Softwareentwicklung läuft auf einer Umgebung, die 6

7 spezifisch auf den Prozessor zugeschnitten ist, was auch die Auswahl für die Programmiersprache und das Betriebssystem verringert. Für Aufgaben, die stark mit der Signalverarbeitung zu tun haben, wird oft ein digitaler Signalprozessor (DSP) ausgewählt. -ES mit konfigurierbaren Prozessoren (ASIP: Application Specific Instruction-Set Processors-Anwendungs spezifizerte Befehlssatz Prozessor) Der spezielle Befehlssatz des Prozessors kann z.t. den Erfordernissen angepasst werden, was die Performance stark verbessert. Einige Komponenten, wie z. B. Schnittstellen sind evtl. im Prozessor enthalten, so dass die externe Beschaltung des Prozessors geringer wird und die variablen Kosten des Produktes geringer werden. Die Softwareentwicklung läuft auf einer Umgebung, die spezifisch auf den Prozessor zugeschnitten ist, was auch die Auswahl für die Programmiersprache und das Betriebssystem stark verringert. Eventuell müssen für den ASIC sogar die Entwurfswerkzeuge und ein Betriebsystem speziell entwickelt werden. Die Entwicklungszeit steigt an. - ES mit kundenspezifischem Prozessor (ASIC: Application Specific Integrated Circuit, PLD, FPGA) Der Prozessor ist basiert auf programmierbaren Logikbausteinen und hat leichtere Entwicklung von Prototypen. Der Prozessor, einige Komponenten und evtl. auch Speicher wird genau auf die Erfordernisse angepasst, die Performance ist optimal, die externe Beschaltung des Prozessors minimal, die variablen Kosten des Produktes sind ebenfalls minimal. Die Softwareentwicklung läuft auf einer Umgebung, die spezifisch auf den Mikroprozessor zugeschnitten ist, was auch die Auswahl für die Programmiersprache und das Betriebssystem stark verringert. Eventuell müssen für den ASIC sogar die Entwurfswerkzeuge und ein Betriebsystem speziell entwickelt werden Die Entwicklungszeit für den Hardwareteil und den Softwareteil sind maximal, was hohe Fixkosten mit sich bringt. Diese Lösung kommt i.d.r. nur bei hohen Stückzahlen in Frage. Aufgabe 6 (Echtzeitsystem) 6.1. Erklären Sie den Begriff Echtzeit und Echtzeitsystem? 7

8 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 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. 8

9 6.3. 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? Wie müssen die Prioritäten verteilt werden, damit jeder Prozess schritt haltend verarbeitet werden kann? 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. 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 ρ ges 1 OK! 9

10 Aber: Neben der Erfüllung der Auslastbedingung muss zudem jeder Job seine Deadline einhalten. Lässt sich überprüfen mittels zuweisen von Prioritäten und der Rechnerkernbelegung 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 Prinzipiell gibt man Jobs/Tasks, die häufig Rechenzeit beanspruchen (und meist nur kurz Rechenzeit/Ausführungszeit beanspruchen) eine höhere Priorität als Jobs/Tasks mit selteneren Ausführungszeitanforderungen. Prio 1: T1 Prio 2: T2 Prio 3: T3 Prio 4: T 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. Aufgabe 7 (Vorteile eingebetteter Systeme ) Eingebettete Systeme sind meistens auf eine spezielle Aufgabenstellung abgestimmt. Welche Vorteile bringt diese Art der Entwicklung? Vorteile eingebetteter Systeme: vielfältigere Anwendungen, höhere Systemkomplexität/Leistungsanforderungen, kürzere Time-to-Market in Entwicklung & Produktion, Senkung der Entwurfs- und Testkosten durch HW/SW Partitionierung, d.h. Aufteilung der Funktionalität in HW und SW-Komponenten Entwurf auf verschiedenen Entwurfsebenen: - Algorithmische Ebene - Register-Transfer-Ebene- Logikebene 1