Eingebettete Systeme. Übersicht über die Vorlesung

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1 Übersicht über die Vorlesung Eingebettete Systeme Vorlesung im SS 2007 Teil 1: Einführung in Eingebettete Systeme Dr. Walter Lange Universität Tübingen Wilhelm-Schickard-Institut Technische Informatik 1. Einführung in Eingebettete Systeme (ES) 2. Entwurfsmethodik von ES (2 Teile) 3. Mikroprozessoren in ES (3 Teile) 4. Netzwerke von ES (1 Teil) 5. Architektur-Synthese (High-Level-Synthese) (2 Teile) 6. Die HW-Beschreibungssprache VHDL (3 Teile) 7. SystemC (1 Teil) 8. Entwicklung der Computer-Technologie (1 Teil) (Anm.: Teil 6: VHDL wird wegen der Übungen vorgezogen) Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS Entwurf eingebetteter Systeme: Übungen: Organisatorisches Ausgabe des 1. Übungsblattes: Mittwoch, Es gibt 10 Übungsblätter. Abgabe der Übungen: jeweils eine Woche später, an den Rechnern im Pool-Raum Sand 6 nach der Vorlesung: 11:30 bis 13:00 Uhr: Betreuer: Paul Duplys und WL Jeweils 2-3 Studentinnen/Studenten bilden eine Übungsgruppe Voraussetzung für die Benutzung der Übungs-Werkzeuge: Benutzerkennung in der WSI-Domäne PDF-Datei der Vorlesung: Kopie bei mir Beginn der Vorlesung: Nächste Woche: 10:00 Uhr (s.t.) Inhalt Teil 1: Einführung Eingebettete Systeme (ES) 1.1 Begriffsbestimmung, Bedeutung, Beispiele von ES 1.2 Anforderungen an ES, Eigenschaften von ES 1.3 Grundstrukturen und Typischer Aufbau von ES 1.4 Implementierungsarten und Technologien: GP- Prozessoren, Mikrokontroller, ASIPs, ASICs, SoC, FPGAs 1.5 Beispiel: Bluetooth-ES 1.6 Zukünftige Trends Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS

2 1. Einführung, Literatur 1.1. Eingebettete Systeme (ES), Begriffsbestimmung Eingebettete Systeme (Embedded Systems) sind (1) Marwedel, Embedded Systems Design, Kluwer 2003 (2) W. Wolf, Computers as Components - Principles of Embedded System Design, Morgan Kaufman Publishers, 2000 (3) P. Rechenberg, G. Pomberger: Informatik-Handbuch, Hanser-V (4) Vorlesungsmaterialen v. Prof. J.Teich u. L. Thiele ETHZ 2003 Elektronik-Systeme, die in übergeordnete Systeme integriert sind ES werden für spezielle Anwendungen entworfen und führen dedizierte Funktionen innerhalb eines Gesamtsystems aus. ES können sowohl Standard- Mikroprozessoren als auch spezielle HW und SW enthalten. (Wissensdatenbank: Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS Eingebettete Systeme (ES), Bedeutung 1.1 Beispiele für den Einsatz von eingebetteten Systemen Steigende Bedeutung von ES ca. 90 % aller Prozessoren (2005) werden für ES produziert. ca. 75% aller 32-Bit Prozessoren sind in ES integriert. Eingebettetes System ES werden oft als unsichtbare Computer bezeichnet. ES-Markt wird bald wesentlich größer sein als der PC Markt Der SW-Markt (sowohl für ES als auch für andere Anwendungen) wird ansteigen. Die Menge SW-Code wird sich alle 2 Jahre verdoppeln. (Vaandrager, 1998) Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS

3 1.1 Beispiel Eingebettete Systeme im KFZ 1.1 ES, Beispiele für Anwendungsgebiete (1) ABS ESP ASR KFZ-Elektronik: z.b: ABS, ESP, Kraftstoffeinspritzung, Automatik- Getriebe-Steuerung, Klimasteuerung, Navigationssystem Haushaltsgeräte: Waschmaschine, Spülmaschine, Alarmsystem, Klimasystem etc. ACC Medizin-Technik: (Gehirn-, Retina-), Tomographen, Mikromessgeräte (Darmspiegelung), Herzschrittmacher, Künstliche Prothesen etc. Motormanagement Steuerung Antriebsstrang Flugzeugbau: Autopilot, Messgeräte, Klimasteuerung, Innendrucksteuerung, Kühlgeräte (Küche) etc. Das Intelligente Haus: Klimasteuerung, Sicherheitsüberwachung, Energieüberwachung, Anzeige von belegten Räumen Mobile- und Festnetz-Kommunikation: z. B: Handys, Telefone, Telefonanlagen, Verteilersysteme etc. Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS Eingebettete Systeme (ES), Beispiele (2) Militär-Technik Chemie- und Verfahrenstechnik: Prozess-Steuerung, Klimasteuerung etc. Produktionsprozesse: Fließbandsteuerung, Hochregallager, Klimaüberwachung, Alarmsysteme etc. Unterhaltungselektronik: Spiele, Digitale Videoanlagen Optische Systeme: Kameras Handel, Verkehr, Banken: Kassensysteme, Mautsystem, Datenendgeräte, Geldausgabeautomaten (GAA) Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS Anforderungen an ES, Eigenschaften von ES 1. Einführung in Eingebettete Systeme (ES) 1.1 Begriffsbestimmung, Bedeutung, Beispiele von ES 1.2 Anforderungen an ES, Eigenschaften von ES 1.3 Grundstrukturen und Typischer Aufbau von ES 1.4 Implementierungsarten und Technologien: GP- Prozessoren, Mikrokontroller, ASIPs, ASICs, SoC, FPGAs 1.5 Beispiel: Bluetooth-ES 1.6 Zukünftige Trends Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS

4 1.2 Spezifische Anforderungen an ES (anwendungsabhängig): Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit, Wartbarkeit (RAS: Reliability, Availibility, Serviceability) Sicherheit (Safety, Security) Physikalische u. elektr. Robustheit (KFZ, Handys, Militär) Unempfindlichkeit gegenüber Erschütterung, Feuchtigkeit, elektromagnetische Felder (EMV, EMC), Temperaturschwankungen: Temperaturbereich z.b.: -60 C bis +70 C Echtzeitverhalten (Real Time OS) Reaktivität: Antwort auf Stimuli (Sensor-Aktor) innerhalb gewisser Zeit Informationen müssen unter Einhaltung von Zeitschranken zuverlässig verarbeitet werden 1.2 ES: Eigenschaften (anwendungsabhängig) Effizienz: Leistungsfähig und wirtschaftlich Energiesparend, Ausführungszeit (Run-time efficiency), Code- Größe, Gewicht und Kosten, (z.b. bei tragbaren Geräten) Heterogenität Unterschiedliche HW- und SW-Komponenten, Sensoren u. Aktoren. Unterschiedliche Datenarten Analoge und digitale Daten Asynchrone Ereignisse, kontinuierliche Datenströme (Messungen, Video) Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS ES: Eigenschaften u. Kommunikation (anwendungsabhängig) Verteilte Implementierung Die Komponenten eines ES sind oft verteilt in dem übergeordneten System angebracht (z. B. Kfz) Kommunikation der Komponenten eines ES Die Komponenten eines ES kommunizieren oft über ein gemeinsames Kommunikationssystem (Bus) Die Komponenten eines ES kommunizieren oft drahtlos (z. B. drahtlos mittels WLAN oder Bluetooth) 1.3 Grundstrukturen und Typischer Aufbau von ES 1. Einführung in Eingebettete Systeme (ES) 1.1 Begriffsbestimmung, Bedeutung, Beispiele von ES 1.2 Anforderungen an ES, Eigenschaften von ES 1.3 Grundstrukturen und Typischer Aufbau von ES 1.4 Implementierungsarten und Technologien: GP- Prozessoren, Mikrokontroller, ASIPs, ASICs, SoC, FPGAs 1.5 Beispiel: Bluetooth-ES 1.6 Zukünftige Trends Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS

5 1.3 ES: Grundstrukturen 1.3 Vergleich von ES-Grundstrukturen Grundstrukturen von ES sind: Ein-Chip-Systeme Multi-Chip-Module (SoC) Boardsystem (Platinen) Ein-Chip-Systeme (Systems on a Chip, SoC) Das ES ist auf einem Chip integriert. Beispiel: Drahtlose Maus Multi-Chip-Module Größe, Energieverbr. Zuverlässigkeit Sehr klein Sehr niedrig Sehr hoch klein niedrig hoch Sehr groß hoch relativ gering Auf einem Keramikplättchen sind mehrere Chips aufgebracht Boardsysteme (Platinensystem, Elektronik-Karten) Entwicklungs- Zeit u. -Kosten Sehr hoch hoch mittel Das ES ist auf einem oder mehreren Platinen oder Elektronik-Karten untergebracht (z.b. Graphik-Karte im PC) Stück-Kosten (hohe Stückz. > 10 6 ) Sehr gering gering Sehr hoch Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS ES: Typischer Aufbau 1.3 Beispiel: Temperatur-Regler als ES Eingabe: z. B: Parameter Ausgabe: z. B: Sensorwerte, Fehler, Statistik (Log) Temperatur- Fühler, außen Temperatur- Fühler, innen Beheizter Raum Heizkörper Schnittstelle Speicher Prozessor HW-Beschl. (FPGA) Schnittstelle Sensor(en) Proz.-Elem. (ASIC) Eingebettetes System Schnittstelle Aktor(en) Bus A/D- Wandler A/D- Wandler Temperatur-Regler als Eingebettetes System Sollwert/ Parameter Eingabe Prozessor D/A Wandler D/A Wandler Aktor Aktor Heizkessel + Brenner Systemumgebung Anzeigen: Istwert, Fehler Mischer Heizanlage Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS

6 1.3 Typischer Aufbau des Platinenentwurfs eines ES 1.3. ES: Beispiele für Sensoren/Aktoren und deren Schnittstellen ES-Platine Prozessor(en) Speicher Co-Prozessor(en) Bus Glue Logic (FPGA, PLD,..) ADC/ DAC Transceiver Leistungselektronik HW- Beschleuniger Beispiel/ Sensoren PC Maus/Tastatur Laserdrucker: Hitzesensoren Tasten/Schalter KFZ-Einspritzung Motordrehzahl, Pos. Kurbelwelle, etc. Bildschirmeingabe Temperaturregelung/ T-Fühler Sensor- Schnittstelle Ser./Par. Wandler A/D-Wandler Parallel-IF A/D-Wandler Komparatoren Differenzbildg. A/D-Wandler Komparatoren Differenzbildg. Aktor- Schnittstelle D/A-Wandler D/A-Wandler Pulsformer D/A-Wandler Pulsformer D/A-Wandler Pulsformer Aktoren Lasersteuerung Leistungselektr. Motoren Zündung, Einspritzung Heizgs.-Schalter Mischer Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS Implementierungsarten und Technologien 1. Einführung in Eingebettete Systeme (ES) 1.1 Begriffsbestimmung, Bedeutung, Beispiele von ES 1.2 Anforderungen an ES, Eigenschaften von ES 1.3 Grundstrukturen und Typischer Aufbau von ES 1.4 Implementierungsarten und Technologien: Implementierungsarten Technologien FPGAs 1.6 Beispiel: Bluetooth-ES 1.7 Zukünftige Trends Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS Steuerungs- und Datenpfad-dominante Anwendungen Unterscheide: Zwei Haupt-Kategorien: ES für Kontroll-orientierte (control oriented) bzw. Steuerungsdominante Anwendungen: Haupt-Funktion ist: Steuerung eines Systems. Wenig Datenverarbeitung. (Beispiele: Waschmaschine, Fahrstuhl etc.) Datenpfad-orientierte bzw. Datenpfad-dominante Anwendungen. Haupt-Funktionen: Datenverarbeitung, Datenströme: viele arithmetische Berechnungen z.b. Datenkompression, Datenkodierung/Dekodierung (z.b. Videorecorder/dekoder) Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS

7 1.4.1 Eingebettete Systeme, Implementierungsarten Vielzweck-Prozessoren in ES Prozessoren + Software (Vielzweck- Mikro-) Prozessor Flexibilität, Energieverbrauch Hardware Programmierbar Anwendungsgebiete von Vielzweck-(GP) Prozessoren in ES: Systeme mit hohen Leistungsanforderungen Spezial-Prozessoren DSP, Mikrokontroller ASIP Application Specific Instruction Set Processor FPGA, PLD Field Programmable Gate Array ASIC Application Specific Integrated Circuit Systeme mit hohem Maß an Berechnungen und Datenmanipulationen (Verlustleistung spielt i.a. keine Rolle) z.b. Graphik, Multimedia, Telekommunikation Ein-Chip-System (SoC) GP-Prozessoren wird man aus Kostengründen nur bei kleine Stückzahlen einsetzen Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS Spezial-Prozessoren in ES Spezial-Prozessoren: Spezialisierung des Instruktionssatzes (ASIP) z. B.: Operatorverkettung (MAC: Multiply-accumulate) der Funktionseinheiten z. B.: Pixel-Operationen der Speicherarchitektur z.b: mehrere Speicherbänke mit parallelem Zugriff Digitale Signal-Prozessoren (DSP) für Datenpfad-orientierte Anwendungen (Beispiel: ARM-Prozessor) Mikrokontroller in ES Mikrokontroller für steuerungs-dominante Anwendungen: Beispiele: Motorola Mcore, Intel 8051, x86, i960, IBM PowerPC, MIPS, ARM, Thumb, Texas Instruments: TI TMS 320C10 C60, Hitatchi SH2, SH3, Fujitsu FR-V, SUN Ultra-Sparc,... HW-Beschreibung enthält (viele) Verzweigungen und Sprünge viele logische Operationen wenig arithmetische Operationen Mikrokontroller sind optimiert für: Bit- und Logikoperationen Periphere Einheiten sind oft integriert Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS

8 1.4.1 Mikrokontroller in ES Ein-Chip-Systeme (System on a Chip, SoC) Niedrig-Preis-Mikrokontroller werden oft eingesetzt für kleine Board-Serien und einfache steueruns-dominate Anwendungen, die schnell auf den Markt kommen sollen. (Entwicklungszeit relativ gering) Mikrokontroller mit 4-8 Bit Wortbreite, neuere Generationen: Bit Integration von Zugriffsoperationen auf die Peripherie (I/O) im Instruktionssatz Register sind häufig im RAM realisiert. Dadurch Kontextwechsel durch einfache Zeigeranweisungen. Interruptverzögerungen im Bereich von 1μs Geringe Rechnerleistung (Performanz): ca.1μs/instruktion, (Takt: 1MHz) SoC: Ein ganzes System ist auf einem Chip integriert. Prozessor, ASICs, Bus, I/Os, etc. Theoretisch könnten auch FPGAs dabei sein. Rechts ein (Phantasie-) Beispiel App.- Logic I App.- Logic II Glue- Logic Audio CODEC BUS-IF FLASH ROM DMA Video-IF USB μp RAM DAC/ ADC MPEG-Decode Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS Vergleich ES und Vielzweck- (GP)-Prozessor ES: Übersicht über Hardware-Technologien ES Vielzweck-Prozessor ASIC-Technologien Entwicklungsaufwand Anwendung Mittel - groß Sehr speziell Sehr hoch, > 100 PY Breites Spektrum Voll-Kunden-spezifisch (Custom) Teil-kundenspez. Semi-Custom Programmierbarkeit für den Endbenutzer Nicht programmierbar programmierbar (ASIC) Zellen-basiert Array-basiert Laufzeitbedingungen Feste Laufzeiten Echtzeit BS schwer vorhersagbar Geschwindigkeit Angepasst, fest Sehr hoch Standard-Zellen Makro-Zellen einmalprogrammierbar wiederprogrammierbar Leistungsverbrauch anwendungsspezifisch relativ hoch PLD/CPLD FPGA Beispiele Tastaturprozessor ES für drahtlose Maus Intel Pentium, PowerPC, Motorola 68xx, AMD Kx PLD: Programmable Logik Device. CPLD Complex PLD FPGA: Field Pragrammable Gate Array: Logik wird beim Anwender programmiert. Verbindungen werden automatisch generiert Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS

9 1.4.2 ES: Technologien (2) ES-Technologien (3) Standard-Zellen-IC Macro-Zellen-IC Gate-Array Standard-Zellen: Zelle Verdrahtungskanäle Verdrahtungskanäle aktives Gebiet gleicher Zellen Verdrahtungskanäle Variabel: Chip-Größe, Zellen-Anzahl, Anzahl der Pads, Verdrahtungskanäle, Zellbreite. Die Zellhöhe ist fest STD- Zellen ROM vorgegebene Zellbibliothek (z.b. NAND, NOR, Inverter, etc.) Macro-Zellen-IC PLD ALU RAM Variabel: Chip-Größe, Zellen-Anzahl, Anzahl der Anschlussecken (Pads), Verdrahtungskanäle, Zellgröße Pad Variable Chip-Größe. Die Zell-Höhe ist fest Pad Variable Chip-Größe Ein/Ausgabezellen Feste Chip-Größe Quelle: Rechenberg/Pomberger Gate-Array: Fest: Chipgröße, Anzahl der Zellen, der Pads, der Zellgröße, Anzahl von Verdrahtungskanälen Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS ES: Vergleich der ES-Technologien FPGAs: Anwendungen Voll-Kundenspez. ASIC Zellenbasiert Array-basiert (FPGA) Prototypen, Emulation: in der Entwicklung Dichte Sehr hoch Hoch Mittel-niedrig Eingebettete Systeme Leistung (Geschwindigkeit) Sehr hoch Hoch Mittel-niedrig bei denen Flexibilität gefordert ist und Änderungen im Betrieb möglich sind Entwicklungszeit Sehr lang Mittel Sehr kurz Kleine Stückzahlen, ein voll-kundenspez. ASIC lohnt sich nicht Produktionszeit Stück-Kosten bei niedriger Stückzahl (<10 3 ) Mittel Sehr hoch Mittel Hoch Sehr kurz Niedrig Hardwarebeschleunigung kritischer Operationen Sequentielle Hardware : FPGA wird dynamisch rekonfiguriert Glue Logic Stück-Kosten bei sehr hoher Stückzahl (>10 6 ) sehr niedrig Niedrig Hoch Programmierbare Ein-Ausgabeeinheiten (I/O) für ES, Sensor-Aktor- Schnittstellen: nur für kleine Stückzahlen, ein ASIC lohnt sich nicht Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS

10 1.4.3 FPGAs: Eigenschaften Funktion wird nach der Fabrikation festgelegt (Konfiguration) Anwendung wird direkt auf das FPGA (HW) abgebildet. Die Anwendung kann angepasst werden, wenn sich die Anforderungen ändern (Rekonfigurierbare HW) Dasselbe FPGA kann innerhalb einer Anwendung sequentiell mehrfach verwendet werden. (Dynamische Rekonfiguration innerhalb von Bruchteilen von ms) Frühe Amortisation fester Kosten, schnelle Markteinführung Etwa Faktor 10 kleinere Taktfrequenz und kleinere Gatterdichte als bei einer voll-kundenspezifischen ASIC-Implementierung FPGAs-Architekturen Granularität der Logik-Blöcke Gatter Tabellen + Speicher (Look Up Tables: LUTs + FFs) Funktionsblöcke: (ALU, Arithmetische Komponenten, Kommunikations-Komponenten) Verbindungsnetzwerk Kreuzschine (Crossbar) Gitter Rekonfigurierungsart Fest, einmalprogrammierbar (zur Fabrikationszeit) Statisch, wiederprogrammierbar (vor der Laufzeit) Dynamisch, wiederprogramierbar (während der Laufzeit) Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS FPGA-Architekturen: PLD, PAL-Struktur FPGA-Architekturen: Verbindungsmethoden Klassische PGAs: PLDs: (Programmable Logic Devices) Die zu implementierende Logik muss als Sum of Products (SOP) bzw. DNF vorliegen (Schaltnetz) a b b c a b c d x x x x & & >1 y c11 c21 FUSE-Schalter a c12 c22 b & c21 c22 c11 a c12 b CMOS-Schalter & Beispiel: y = ab + bc + cd Grundlegende Struktur: PAL-Struktur. Realisiert als Fuse- oder Anti-Fuse- System (fest konfiguriert) c d x x & & y = ab+bc+cd Konfigurierungsschema mit Fuses : einmalprogrammierbar. Anwendung z.b. in der Umgebung mit stärkerer (UV/radioaktiver) Strahlung: Funktion bleibt nach Abschalten der Energieversorgung erhalten Konfigurierungsschema eines wiederprogrammierbaren PLDs Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS

11 1.4.3 FPGA-Architekturen: Allgemeine FPGA-Struktur FPGA: Festlegen der Funktion Allgemeine FPGA- Struktur: (CPLD) Logik-Blöcke (z. B.: CLB: Configurable Logik Block) I/O-Block Logik-Block Durch Programmieren Der Logik- (CLB s) und I/O-Blöcke: Multiplexer die Verbindungen werden meist über Multiplexer generiert Arten von Logik-Funktionen und Verbindungen SRAM-Zellen (Look-Up-Table: LUTs etc.) oder CMOS-Schalter: I/O-Blöcke Verbindungen (CMOS) Speichermöglichkeit (FFs, Block-RAM) beliebig oft wiederprogrammierbar, verliert die Funktion nach Abschalten der Energieversorgung Fuse und Anti-Fuse: Verbindung wird eingebrannt: einmal programmierbar, behält die Funktion nach Abschalten der Energieversorgung Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS FPGA: Beispiel: Marktführer Xilinx Xilinx-FPGA-Familie XC4000: Stark vereinfachter CLB G4 G3 G2 G1 F4 F3 F2 F1 Takt Look up Table (LUT) LUT C1 C2 C3 C4 LUT Selector Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS D-FF D-FF FPGA: Beispiel: Marktführer Xilinx Beispiele: Xilinx-FPGA-Familien: XC4000 und Virtex SRAM-Zellen Logik-Block: CLB: Configurable Logic Block XC40150: Gate equivalents: (GE), 5184 CLB s, FF s XC40250: GE, 8464 CLB s, FF s Virtex-Familie: 4 Slices (SL) = 1 CLB Virtex 2000E: 2 M GE, 9600 CLBs, LUTs + FF s, ca. 82 kb Block-RAM Virtex II 8000: 8 M GE, 46,6 k SL, 93 k LUTs, ca. 378 kb Block- RAM, 168 Multiplizierer Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS

12 1.4.3 FPGAs: Einige weitere bekannte Firmen und Produkte ACTEL: feinkörnige Struktur, Anti-Fuse und SRAM Zellen für kombinatorische und sequentielle Logik ALTERA, Flex-Bausteine : (SRAM): feinkörnige Struktur hohe Anzahl von Registern, geringe, kalkulierbare Verzögerungszeiten, daher vorhersagbare Geschwindigkeit ATMEL: (SRAM): feinkörnig, partiell rekonfigurierbar Interne Bus-Struktur, dadurch schnelle Kommunikation über den gesamten Baustein Lattice: GALs, (Generic Array Logic), PLDs. Für kleinere Schaltungen, feinkörnig. 1.4 Implementierungsarten und Technologien 1. Einführung in Eingebettete Systeme (ES) 1.1 Begriffsbestimmung, Bedeutung, Beispiele von ES 1.2 Anforderungen an ES, Eigenschaften von ES 1.3 Grundstrukturen und Typischer Aufbau von ES 1.4 Implementierungsarten und Technologien 1.5 Beispiel: Bluetooth-ES 1.6 Zukünftige Trends Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS Beispiel für eine schrittweise SoC-Entwicklung: Bluetooth-ES Kommunikationsfähigkeit: wesentliche Eigenschaft heutiger ES. Z.B. Internetzugang, eingebetteter Webserver Mobilität verlangt drahtlosen Zugang, z.b. Bluetooth Bluetooth: drahtlose Schnittstelle z.b. zwischen PC und Peripherie Initiative von Intel, Ericsson, Nokia, IBM, Toshiba Eigenschaften: 10 bis 100 m Sendebereich, ISM-Band (2,45 GHz), Punkt-zu-Punkt-Verbindung, Frequenzumschaltung (Sperad- Spektrum), max 1MBit/s Bandbreite, 1mW Ausgangsleistung, 80 mw Leistungsverbrauch im Sendemodus Paketorientiertes komplexes Sendeprotokoll Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS Prozessor 1.5 Beispiel: Bluetooth-ES: Hauptfunktionen unterstützt breite Datenpakete und Operationen auf Teilpaketen. Steuerungsorientierte Aufgaben Beispiel: 32 Bit Mikrocontroller: ARM-7 Baseband Timing Innerhalb der Übertragung einer halben Paketlänge (321.5 μs) müssen Datenpakete zusammengestellt bzw. verarbeitet werden. Funktionalität der Verbindungssteuerung muss in dieser Zeit abgeschlossen sein (Link Manager: LM) HW-SW-Partitionierung Zeitaufwändige und zeitkritsche Prozeduren werden in HW implementiert (Header, Fehlerkorrektur, FEC, Verschlüsselung,...), SW: Hauptablauf des Prozesses, zeitunkritische Prozeduren Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS

13 1.5 Beispiel: Bluetooth-ES: Die 5-Chip Lösung 1.5 Beispiel: Bluetooth-ES: Die 3-Chip Lösung Link Manager Link Controller SRAM SRAM FLASH (LM, (LM, HCI) HCI) CPU CPU ARM-7 ARM-7 Baseband Timing Radio Radio FLASH (LM, (LM, HCI) HCI) SRAM CPU ARM-7 Baseband Timing Radio Radio Quelle: (4) Teich/Thiele Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS Beispiel: Bluetooth-ES: Die 1-Chip Lösung (SoC) 1.4 Implementierungsarten und Technologien Integration ist technologisch und schaltungstechnisch komplex. (analog-digital, hohe Frequenzen im CMOS-Baustein) 1. Einführung in Eingebettete Systeme (ES) 1.1 Begriffsbestimmung, Bedeutung, Beispiele von ES 1.2 Anforderungen an ES, Eigenschaften von ES FLASH (LM, HCI) SRAM CPU ARM-7 Baseband Timing Radio 1.3 Grundstrukturen und Typischer Aufbau von ES 1.4 Implementierungsarten und Technologien Bluetooth Single Chip Lösung ist realisiert in der Bluetooth-Maus Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS Beispiel: Bluetooth-ES 1.6 Zukünftige Trends Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS

14 1.6 ES: Zukünftige Trends Eingebettete Systeme dringen weiter in alle Bereiche unserer Umgebung ein: (pervasive, ubitiquous computing) z.b. Haushalt, Industrie, Verkehr, Medizin, Unterhaltung Intelligenz in Sensoren und Aktoren in unserer Umgebung wird wachsen (Ambient Intelligence: AmI) Die ES in unserer Umgebung werden mehr und mehr drahtlos mit uns und untereinander kommunizieren. Beispiele: Computer zum Anziehen (ES in Hemd und Jacke) Smart Labels bzw. RFIDs an den meisten Konsumgütern Intelligente Gebäude (z. B.: Krankenhaus, Bürogebäude) Computer im Körper (Implantate: z.b.: Herzschrittmacher, Prothesen, Dialysemelder, Thrombosenwarner, Bluthochdruck-Warner, etc.) Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS ES: Trends (2) zu niedrigerem Energieverbrauch Power Efficiency (MOP/s pro mwatt): Leistungs-Effizienz Ambient Intelligence (AmI) ASICs FPGAs Prozessoren DSPs/ASIPs 1,0μ 0,5μ 0,25μ 0,13μ 0,07μ Strukturbreite MOP/s: Millionen Operationen pro sec Quelle: DeMan it 6/03, T. Claasen (ISSCC 99) Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS ES: Trends (3) Zukünftige Plattformen sind flexibler 1.6 ES: Trends: Zukünftige Plattformen Adaptive Computing Machine DRCP ASIP PE ME Com PM Tst PE: Processing Element ME: Memory Element (Configuration Data) PM: Power Management Tst: Test DRCP: Dyn. Reconfigurable Processor Kacheln (tiles) I/O Peripherie Kommunikations- Netzwerk Quelle: DeMan it 6/03, Gartner Dataquest Flexibles, Verteiltes Computer-Netzwerk (Adaptive Computing Machine) erlaubt ein hohes Maß an Anpassung Reguläre Formen Kacheln (tiles) nicht größer als 2 x 2 mm mit ca. 4 M Transistoren (Iso-synchrone Zonen) Dadurch bleiben Verzögerungen als Folge von Signal-Laufzeiten klein und besser berechenbar Ein Kachel kann ein Speicher-Block oder ein Prozessorknoten sein, der ein oder mehrere Prozessor-Elemente (PE: ASIP oder DRCP) enthält. DRCP enthält Soft-IPs. Erlaubt hohes Maß an Parallelverarbeitung Kommunikation der Kacheln asynchron über ein paketorientiertes Netzwerk Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS

15 Nächste Vorlesung beginnt am um 10:00 Uhr st 1. Einführung in Eingebettete Systeme (ES) 2. Entwurfsmethodik von ES (2 Teile) 3. Mikroprozessoren in ES (3 Teile) 4. Netzwerke von ES (1 Teil) 5. Architektur-Synthese (High-Level-Synthese) (2 Teile) 6. Die HW-Beschreibungssprache VHDL (3 Teile) 7. SystemC (1 Teil) 8. Entwicklung der Computer-Technologie (1 Teil) (Anm.: Teil 6 wird wegen der Übungen vorgezogen) Uni Tübingen, WSI, TI, Dr. W. Lange Vorlesung Eingebettete Systeme Teil 1 SS