Motivation. Eingebettetes System: Aufgabe:

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Ingrid Waldfogel
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1 Motivation n Aufgabe: n Eingebettetes System: Computersystem, das in einen technischen Kontext eingebettet ist - also ein Computer, der ein technisches System steuert oder regelt. Das sind z.b. das Antiblockiersystem, Mobiltelefone oder Telefonvermittlungsrechner. Eingebettete Systeme bestehen aus engverzahnten Hardware- und Softwarekomponenten und haben eine festvorgegebene Funktion. 4

2 Motivation Hardware: Burst-Mode-Logik Software: Protokoll- und Signalverarb. 5

3 Motivation n n Integriertes System zusätzlich zu Prozessor und Software wird anwendungsspezifische Hardware benötigt. Warum kein stärkerer µp: Fertigungstechnik: Wohin mit dem Lüfter? Elektrotechnik: Wo bekomme ich günstig Autobatterien? Betriebswirtschaft: Wer soll das bezahlen? 6

4 Program counter Instruction memory 1000 LOAD R 1, p LOAD R 2, M + i 1004 MUL R 1, R LOAD R 2, t 1010 ADD R 1, R STORE R 1, t Controller Controll unit Instruction Data memory M file Arithmetic locical unit Data path Verarbeitungseinheiten Instruction Set Processor (ISP) Maschine, die eine Sequenz von Befehlen abarbeitet - also ein Programm ausführt. Dazu ist folgender Zyklus abzuarbeiten: 1. Befehl holen. 2. Befehl dekodieren. 3. Befehl ausführen. 7

5 Verarbeitungseinheiten Program counter Instruction memory 1000 LOAD R 1, t 1002 LOAD R 2, M + i 1004 MULADD p 1, R 1012 STORE R 1, t Controller Controll unit Instruction Data memory M file Arithmetic locical unit Data path Multiplyaccumulate Application Specific Instruction Set Processor (ASIP) Maschine, die eine Sequenz von Befehlen abarbeitet - also ein Programm ausführt. Befehlssatz ist speziell auf eine Anwendung optimiert, z.b.: 1. Signalprozessoren. 2. Multiomediaprozessoren. 8

6 Verarbeitungseinheiten Coprozessor Datenpfad für speziell eine Aufgabe. Arbeitet eine Operation in einem Zyklus ab. Controller t M Beispiel: Hash-Prozessor, FFT- Prozessor, Burst-Mode Controller im Handy. Multiplyaccumulate Control unit Data path 9

7 Eingebettete Systeme sind oft heterogene Systeme: Kopplung und Kommunikationsaufwand erforderlich. ggf. über direkte Verbindungen. Kommunikation Channel processor Input/Output Dedicated channel Input/Output Processing Element Buffer Buffer Processing Element 10

8 Kommunikation Kopplung über gemeinsame Ressource: Buskopplung. Input/Output Processing Element Buffer Bus Buffer Input/Output Processing Element Bus processor Input/Output Processing Element 11

9 Kommunikation Kopplung über gemeinsame Ressource: Speicherkopplung. Input/Output Communication channel 1 Communication channel 1 Input/Output Processing Element Buffer Buffer Processing Element Arbiter Common data Common data Shared memory 12

10 Implementierung Gate fabrics Processing elements (processors) Logikstruktur Rechnerstruktur Program counter Instruction memory 1000 LOAD R 1, p LOAD R 2, M + i 1004 MUL R 1, R LOAD R 2, t 1010 ADD R 1, R STORE R 1, t Controller Controll unit Instruction Data memory M file Arithmetic locical unit Data path Program counter Instruction memory 1000 LOAD R 1, t 1002 LOAD R 2, M + i 1004 MULADD p 1, R 1012 STORE R 1, t Controller Controll unit General-purpose instruction set processor Application specific instruction set processor Custom processor Instruction Data memory M file Arithmetic locical unit Data path Controller Control unit t Multiplyaccumulate Multiplyaccumulate Data path M Programmable gate fabric Semicustom gate fabric Custom gate fabric Integrated Circuit 13

11 Takt 4 Bit 8 Bit 8 Bit 16 Bit 16 Bit 32 Bit n Motivation Anforderungen an ein eingebettetes System so schnell wie nötig preiswert zuverlässig leistungsarm ISP ISP + CoProc Chip-Fläche 14

12 Motivation n Der Entwurf eines eingebetteten Systems erfordert: Auswahl eines oder mehrerer geeigneter ISP Design peripherer Hardware Entwurf eines Customprozessors Auswahl einer geeigneten Logikentwurfstechnik und ggf. Auswahl der Halbleitertechnologie Entwurf der Anwendungssoftware und der Hardwaretreiber ggf. Auswahl oder Implementierung eines Laufzeitsystems System on Chip ISP CoP Speicher ASIC 15

13 Motivation Transistoren pro Chip (in Mio) Speichertechnologie Prozessoren Produktivität Transistoren pro MM (in T) ITRS

14 Motivation Transistoren pro Chip (in Mio) Komplexitätssteigerung 58% pro Jahr Entwurfswerkzeuge Produktivitätssteigerung 21% pro Jahr Produktivität Transistoren pro MM (in T) ITRS

15 Motivation Transistoren pro Chip (in Mio) RTL-Synthese Logiksynthese Layout Systemsynthese Produktivität Transistoren pro MM (in T) ITRS

16 Motivation Werkzeuge benötigen: Neue mathematische Konzepte und Modelle (ggf. Adaption bekannter Verfahren). Neue Algorithmen. Neue Programmiersprachen. => Möchte man Werkzeuge für die Systemsynthese (Codesign) entwerfen sind neue Modelle und Algorithmen zu entwickeln. => Auch Anwender benötigen die Kenntnisse! 19

17 Codesign-Aufgaben Verhalten Komponenten Anforderung Anwendung Bindung Architektur Allokation Technologie Systemsynthese Ablaufplanung System 20

18 Modellbasiertes Codesign Specification Components Estimation Modell Evaluation Optimization System synthesis Refinement Hardware Software 21

19 Thema der Vorlesung Specification Components Estimation Modell Evaluation Optimization System synthesis Refinement Hardware Software 22

20 Thema der Vorlesung n Schätzen: Bestimmen der Parameter zur Analyse des Optimierungsmodells. Estimation Modell Evaluation Optimization System synthesis Refinement 23

21 Thema der Vorlesung n Auswerten: Analysieren des Modells bezüglich unterschiedlicher Eigenschaften (Zeit, Fläche, Energie). Estimation Modell Evaluation Optimization System synthesis Refinement 24

22 Thema der Vorlesung n Optimieren: Finden der günstigsten Allokation und Bindung im Hinblick auf die unterschiedlichen Eigenschaften. Estimation Modell Evaluation Optimization System synthesis Refinement 25

23 I. Einführung II. Codesign und Partitionierung in der Praxis Verarbeitungs, Kommunikations- und Peripherieeinheiten Programmierbare Logikstrukturen Befehls-Codesign Ein HDLC-Prozessor System on Chip für Schnurlos-Telefonie (DECT) III. Optimierung Grundlagen Exakte Verfahren Heuristiken Mehrzieloptimierung Beschreibung der Funktionalität und Randbedingungen Aufbau der Vorlesung 26

24 Aufbau der Vorlesung IV. Modelle Beschreibung der Hardware-Architektur Systemmodelle V. Schätzung VI. Analyse und Bewertung VII. Hardware/Software Partitionierung VIII.System-Synthese 27

25 Literatur Daniel D. Gajski et al.. Specification and Design of Embedded Systems. Prentice Hall, New Jersey, 1994 Giovanni De Micheli. Synthesis and Optimization of Digital Circuits. MacGraw Hill,New Jersey, 1994 Jürgen Teich. Digitale Hardware/Software Systeme. Springer Verlag, Berlin, 1997 Zbigniew Michalewicz, David B. Fogel. How to Solve It: Modern Heuristics. Springer Verlag, Berlin Zeitschrift: Design Automation for Embedded Systems. Kluwer Verlag. Online Zugriff in Oldenburg möglich. 28

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