Systemorientierte Informatik

Transkript

1 Systemorientierte Informatik Institut für Angewandte Informatik Professur Technische Informationssysteme Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus Kabitzsch (Nöthnitzer Str. 46 (INF), Zi. 1074) Webseite: 1

2 Systemorientierte Informatik Literatur Kabitzsch, K.: Informations- und Steuerungssysteme in: Werner, D., u.a.: Taschenbuch der Informatik, Fachbuchverlag Leipzig Lehrbuchsammlung Kabitzsch, K.: Skript zur Vorlesung Webseite weitere Literaturstellen siehe Skript 2

3 Systemorientierte Informatik Webseite beinhaltet alle Informationen zur Lehrveranstaltung: Beschreibung Organisatorisches Lehrmaterialien insbesondere Aktuelles beachten regelmäßig besuchen! 3

4 Systemorientierte Informatik Vorlesung Termin und Ort: Dienstag, 4. DS, HSZ 0003 findet jede Woche statt Ablauf siehe Zeitplan auf Webseite Skript und Folien werden auf Webseite bereitgestellt 4

5 Systemorientierte Informatik Übungen Organisation: Dr.-Ing. Alexander Dementjev weitere Übungsleiter: Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus Kabitzsch Dr.-Ing. Heinz-Dieter Ribbecke Dipl.-Ing. Burkhard Hensel bei Fragen oder Problemen am besten persönlich ansprechen oder eine schreiben: 5

6 Systemorientierte Informatik Übungen (2) Termine und Orte laut Stundenplan/jExam/Webseite finden wöchentlich statt vorherige Einschreibung über jexam erforderlich Beginn: Montag, Ablauf siehe Zeitplan auf Webseite 6

7 Systemorientierte Informatik Übungen (3) im eigenen Interesse: persönliche Angaben in jexam prüfen: Angaben teilweise fehlerhaft und/oder unvollständig selbst korrigieren oder per Änderung erbitten z.b. über -Adresse wichtige Infos verteilt 7

8 Systemorientierte Informatik Übungen (4) Aufgaben: stehen auf Webseite Ausdruck 2 auf 1 empfohlen bitte vorher lösen! 8

9 Systemorientierte Informatik Konsultationsmöglichkeit während des Semesters Ort: INF 1071 Termine siehe Webseite 9

10 Systemorientierte Informatik Klausur findet in der Prüfungszeit statt Dauer: 90 Minuten eine Konsultation wird nach dem Ende der Vorlesungszeit angeboten 10

11 Systemorientierte Informatik Und danach Lehrveranstaltungen in den Fach- und Vertiefungsgebieten Angewandte Informatik und Technische Informatik Master-Studium, z.b.: Programmierung von Echtzeitsteuerungen Netzwerke in der Gebäudeautomation Modellierung von technischen Prozessen 11

12 Jetzt geht s los 12

13 1. Objekte und Systeme (Vorbetrachtungen) 13

14 Beispiele: Textverarbeitung, Graphik, Zeichnungen, Tabellenkalkulation, Datenbanken, Programmentwicklung INPUT OUTPUT Mit diesen Beispielen werden wir uns nicht beschäftigen! (ausschließlich Rechner) 14

15 Beispiele: Textverarbeitung, Graphik, Zeichnungen, Tabellenkalkulation, Datenbanken, Programmentwicklung INPUT OUTPUT Netz Mit diesen Beispielen werden wir uns nicht beschäftigen! (ausschließlich Rechner) 15

16 Informationssysteme 16

17 Die Beispiele zu dieser Vorlesung sehen immer so aus: Zusätzlich zu den Rechnern gibt es noch weitere Bestandteile: Handel: Nachrichtentechnik: Produktionstechnik: Rundfunk: Transport: Verfahrenstechnik: Medizin: Konsumgüter: Umwelttechnik: Raumfahrt: Informationssysteme Technische Informationssysteme 17

18 Deshalb heißt die Vorlesung auch systemorientierte Informatik! Software: (aus Objekten) Informationssysteme Prozess: (aus Systemen) Signale Technische Informationssysteme 18

19 Beispiele Software: (aus Objekten) Informationssysteme Prozess: (aus Systemen) Signale Technische Informationssysteme 19

20 Die Rechner sind in den Prozess (das Auto) eingebettet! (heute meist vernetzt) 20

21 SATA DRAM USB PS2 I2C Grafik Normaler Rechner Eingebettetes System CPU +Cache Northbridge Southbridge Rechner + Peripherie Eigentlicher Rechner Festplatte DRAM Monitor + Tastatur TDI TDO TMS TCK MSP430x31x (TI): XIN XOut XBuf Oscillator FLL System Clock CPU incl. 16 reg. ACLK MCLK MAB, 16bit Test JTAG MDB, 16bit H/W MPY VCC VSS RST/NMI 24kB ROM 32kB ROM 32kB OTP Watchdog Timer 15bit TACLK 1024B RAM SRAM TimerA 5 CC Reg. TA0..5 Bus conv. UTX URX UCK Power- on- Reset UART MAB,4bit MCB MDB,8bit USART So kompakt wie möglich Oft alles auf einem Chip: System-on-Chip Riesige Vielfalt P4.x I/O Port 1x8 I/O's P2.x I/O Port 2x8 I/O's Dutzende Hersteller Hunderte von Familien 8 8bit Timer/ Counter TXD RXD 8 TimerA 6 P1.x P3.0 P3.7P0.0 P0.7 8 Timer/Port Appl. s: ADC TP C_in I/O Port 8 I/O's, all with interr. cap. 1 Int. Vectors Basic Timer f LCD I/O Port 8 I/O's, all with 8bT/C interr. cap. 3 Int. Vectors LCD 30 Segment Lines 1, 2, 3, 4 Mux R03 R23 R13 R33 21 Com0..3 S0..28/O S/O 29

22 Microcontroller Variationsbreite: Speicher, Wortbreite (8,16,32 Bit), Peripherie Wg. der Einbettung: Spezialisierung Nur die benötigte Peripherie Nur die unmittelbar benötigte SW HW-Unterstützung der Software Extreme SW-Bedingungen Kein oder minimales OS Sehr lange Laufzeiten 22

24 Die Rechner sind in die Fabrik eingebettet! (heute meist vernetzt) 24

26 Die Rechner sind in das Gebäude eingebettet! (heute meist vernetzt) 26

27 Die Rechner sind in das Gebäude eingebettet! (heute meist vernetzt) 27

29 29

30 30

31 Beispiele Software: (aus Objekten) Informationssysteme Prozess: (aus Systemen) Signale Technische Informationssysteme weitere Beispiele 31

32 Medizintechnik Halbleiterindustrie Universitäten Konsumgüter Bahntechnik 32

33 Modellfabrik an der Fakultät Informatik 33

34 Versuchsanlage: Vernetzte, eingebettete Rechner für das intelligente Gebäude an der Fakultät Informatik 34

35 Definitionen: Software: (aus Objekten) Informationssysteme Prozess: (aus Systemen) Signale Technische Informationssysteme 35

36 Definition Prozess: Unter einem Prozess versteht man Abläufe, mit welchen Materie, Energie und Information umgeformt, gespeichert bzw. transportiert werden. DIN EN ISO

37 Definition Technischer Prozess: ist ein Prozess, dessen Ein-, Ausgangs- und Zustandsgrößen mit technischen Mitteln gemessen, gesteuert und/oder geregelt werden können. Sensoren erfassen E/A/Z-größen durch Wandlung der phys. Größen und leiten diese über die Messperipherie zum Computer. Aktoren sind Stelleinrichtungen, über die mittels Informationen aktiv in den Prozess eingegriffen werden kann. 37

38 Definitionen: Software: Informationssysteme (aus Objekten) Prozess: Signale Sensoren Aktoren Technische Informationssysteme (aus Systemen) 38

39 2. Eigenschaften dynamischer Systeme 39

40 2.1. Allgemeine Systemeigenschaften 40

41 Software: (aus Objekten) Informatiker kennt sich sehr gut aus Signale Prozess: (aus Systemen) 41

42 Software: (aus Objekten) Informatiker kennt sich sehr gut aus Prozess: (aus Systemen) Signale? Informatiker hat wenig Ahnung! egal? 42

43 Software: (aus Objekten) Informatiker kennt sich sehr gut aus Prozess: (aus Systemen) Signale? Informatiker hat wenig Ahnung! In den meisten Unternehmen stehen Rechner nicht allein, sondern werden mit (technischen) Prozessen verknüpft (bzw. in diese eingebettet ). Auftraggeben (Kunden) erwarten vom Informatiker keine Programme, sondern Lösungen. Dazu muss dieser die Prozesse des Kunden verstehen wissen, wie er seine Rechner mit diesen Prozessen koppelt 43

44 Informatiker (für ihre Software) und Ingenieure / Ökonomen (für ihre Prozesse) benutzen die gleiche Methode, um sich Überblick zu verschaffen: Die Zerlegung komplexer Software bzw. Prozesse in kleine, einfach verständliche Teile: in Objekte und Systeme 44

45 Software: objektorientiert SOFTWARE OBJEKTE Materie Energie Information PROZESS SYSTEME Materie* Energie* Information* Prozess: systemorientiert 45

46 Objekt Ein Objekt ist in der objektorientierten Programmierung ein Softwaregebilde mit individuellen Merkmalen. Es definiert sich über: seine Identität, Zustand und sein Verhalten. seinen Der Zustand eines Objekts wird durch Instanzvariablen sein Verhalten durch Methoden implementiert. In objektorientierten Programmen bilden Objekte die Einheiten der Datenkapselung. System Ein System enthält eine Menge von Elementen zwischen denen Relationen bestehen. Es charakterisiert sich über: seine Identität, seinen seinen inneren Zustand Verhalten und sein Der Zustand eines Systems wird durch Zustandsgrößen sein Verhalten durch die Funktionalität der Elemente bestimmt. Systeme sind mehr oder weniger von der Umwelt abgegrenzt (offene oder geschlossene Systeme) 46

47 Software: objektorientiert SOFTWARE OBJEKTE Materie Energie Information PROZESS SYSTEME Prozess: systemorientiert Materie* Energie* Information* Gemeinsamkeiten von Objekten und Systemen: Ihr Zusammenwirken ist nur über Schnittstellen möglich (Botschaften zwischen Objekten, Signale zwischen Systemen) Es interessiert nur ihr Verhalten an den Schnittstellen, nicht ihr interner Aufbau (information hiding = Verbergen und Schützen der internen Implementierung): Es reicht aus, das Verhalten an den Schnittstellen zu kennen! Es gibt bewährte Ordnungsprinzipien zur Beherrschung der Vielfalt (Klassenbildung, Instanziierung) 47

48 S j-1 E S 1 S j A S 2 S i Prozess Was lernen Sie in dieser Vorlesung? Wie zerlegt man einen großen Prozess in kleine, einfache Systeme? Nach welchen Gesetzen verhalten (bewegen) sich diese (z. B. Zeitverläufe)? Wie kann man dieses Verhalten durch Rechner nachbilden (Simulation)? Wie werden Sensoren / Aktoren an den Rechner angeschlossen? Welche Algorithmen braucht der Rechner, um den Prozess gezielt zu bewegen? 48

49 Software: objektorientiert SOFTWARE OBJEKTE Materie Energie Information PROZESS SYSTEME Prozess: systemorientiert? x Materie* Energie* Information* Was lernen Sie in dieser Vorlesung? Wie zerlegt man einen großen Prozess in kleine, einfache Systeme? Nach welchen Gesetzen verhalten (bewegen) sich diese (z. B. Zeitverläufe)? Wie kann man dieses Verhalten durch Rechner nachbilden (Simulation)? Wie werden Sensoren / Aktoren an den Rechner angeschlossen? Welche Algorithmen braucht der Rechner, um den Prozess gezielt zu bewegen? t 49

50 SOFTWARE Sensoren Messwert - Erfassung Steuerwertausgabe Aktoren PROZESS Was lernen Sie in dieser Vorlesung? Wie zerlegt man einen großen Prozess in kleine, einfache Systeme? Nach welchen Gesetzen verhalten (bewegen) sich diese (z. B. Zeitverläufe)? Wie kann man dieses Verhalten durch Rechner nachbilden (Simulation)? Wie werden Sensoren / Aktoren an den Rechner angeschlossen? Welche Algorithmen braucht der Rechner, um den Prozess gezielt zu bewegen? 50

51 SOFTWARE? Messwert - Erfassung Steuerwertausgabe PROZESS Was lernen Sie in dieser Vorlesung? Wie zerlegt man einen großen Prozess in kleine, einfache Systeme? Nach welchen Gesetzen verhalten (bewegen) sich diese (z. B. Zeitverläufe)? Wie kann man dieses Verhalten durch Rechner nachbilden (Simulation)? Wie werden Sensoren / Aktoren an den Rechner angeschlossen? Welche Algorithmen braucht der Rechner, um den Prozess gezielt zu bewegen? 51

52 2.1.1 Signale 52

53 SOFTWARE Messwert - Erfassung Steuerwertausgabe PROZESS 53

54 Beispiel: Gebäudeautomatisierung Eing a b e -Pe rip he rie (z.b. Ta sta tur) I-Eing a b e Ausg a b e -Pe rip he rie (z.b. Bild sc hirm ) Re c hne r Info rm a tio ns-ve ra rb e itung I-Ausg a b e I-Nutzung Ste ll-pe rip he rie (z.b. Akto re n) A ö ffne n Ele ktro m o to r 100 % M Z sc hlie ße n I-G e winnung M e ß-Pe rip he rie (z.b. Se nso re n) Se nso r (Fo to ze lle ) La m p e 0 % Sc hie b e r- p o sitio n Flüg e l- ra d Durc hfluß Strö m ung s- g e sc hwind ig ke it VS 54

55 Beispiel: Gebäudeautomatisierung Eing a b e -Pe rip he rie (z.b. Ta sta tur) I-Eing a b e Ausg a b e -Pe rip he rie (z.b. Bild sc hirm ) Re c hne r Info rm a tio ns-ve ra rb e itung I-Ausg a b e Signale I-Nutzung Ste ll-pe rip he rie (z.b. Akto re n) A ö ffne n Ele ktro m o to r M Z sc hlie ße n I-G e winnung M e ß-Pe rip he rie (z.b. Se nso re n) Se nso r (Fo to ze lle ) Signale 100 % La m p e 0 % Sc hie b e r- p o sitio n Flüg e l- ra d Durc hfluß Strö m ung s- g e sc hwind ig ke it VS 55

56 Definition: SIGNAL Unter einem Signal versteht man den zeitlichen Verlauf x(t) einer physikalischen Größe, welcher Informationen in sich trägt. x x # t t x x # t k t t k t 56

57 Definition: kontinuierlich diskontinuierlich zeitkontinuierlich zeitdiskret analog diskret wertkontinuierlich wertdiskret 57

58 wertdiskret wertkontinuierlich Kombinationsmöglichkeiten: IP zeitkontinuierlich zeitdiskret analog digital ZEIT 58

59 wertkontinuierlich-zeitkontinuierlich x x(t) t Definition: x(t) ist ein Signal, das zu jedem Zeitpunkt existiert und (in einem bestimmten Intervall) jeden beliebigen Wert annehmen kann 59

60 wertkontinuierlich-zeitdiskret x x(t k ) Definition: x(t k ) ist ein Signal, das nur zu bestimmten Zeitpunkten existiert und (in einem bestimmten Intervall) jeden beliebigen Wert annehmen kann ( zeitdiskretes Signal) t k t 60

61 wertdiskret-zeitkontinuierlich x # x # (t) t Definition: x # (t) ist ein Signal, das zu jedem Zeitpunkt existiert und nur abzählbar viele Werte annehmen kann. 61

62 wertdiskret-zeitdiskret x # x # (t k ) Definition: x # (t k ) ist ein Signal, das nur zu bestimmten Zeitpunkten existiert und nur abzählbar viele Werte annehmen kann. Man spricht von digitalen Signalen, wenn die Werte aus einem Alphabet entnommen werden. t k t 62

63 x Wie entsteht aus einem zeitkontinuierlichen Signal x(t) ein zeitdiskretes Signal x(t k )? durch Abtasten x t Abtastelement x(t) x(t k ) t k t t k t k t k-1 = t falls t = T =const T Abtastsystem äquidistantes Abtastsystem := Abtastperiode f a = 1/T := Abtastfrequenz 63

64 Eing a b e -Pe rip he rie (z.b. Ta sta tur) I-Eing a b e Ausg a b e -Pe rip he rie (z.b. Bild sc hirm ) I-Ausg a b e I-Nutzung Ste ll-perip he rie (z.b. Akto re n) A ö ffne n Ele ktro m o to r Re c hne r Info rm a tio ns-ve ra rb e itung M Z sc hlie ße n I-G e winnung Me ß-Pe rip he rie (z.b. Se nsore n) Se nso r (Fo to ze lle ) Hier ist das Abtastelement eingebaut! 100 % La m p e 0 % Sc hie b e r- p o sitio n Flüg elra d Durc hfluß Strö m ung s- g e sc hwind ig ke it VS 64

65 Wie entsteht aus einem zeitkontinuierlichen Signal x(t) nach dem Abtasten [ x(t k ) ] auch noch ein wertdiskretes Signal x # (t k )? durch einen Analog-Digital-Umsetzer (ADU) Abtastelement x(t) ADU x # (t k ) t k Das Signal wird von seiner phys. Trägergröße gelöst und als digitaler Wert (abstrakte Zahl) abgebildet. 65

66 Eing a b e -Pe rip he rie (z.b. Ta sta tur) I-Eing a b e Ausg a b e -Pe rip he rie (z.b. Bild sc hirm ) I-Ausg a b e Im Rechner existieren nur noch Zahlenfolgen (=zeitdiskrete+wertdiskrete Signale) I-Nutzung Ste ll-perip he rie (z.b. Akto re n) A ö ffne n Ele ktro m o to r Re c hne r Info rm a tio ns-ve ra rb e itung M Z sc hlie ße n I-G e winnung Me ß-Pe rip he rie (z.b. Se nsore n) Se nso r (Fo to ze lle ) Hier ist auch der ADU eingebaut! 100 % La m p e 0 % Sc hie b e r- p o sitio n Flüg elra d Durc hfluß Strö m ung s- g e sc hwind ig ke it VS 66

67 Wie wird der ADU in der Praxis gebaut? Messgröße häufig keine Spannung! (Licht, Druck, Temperatur,...) Verschiedene Verfahren, je nach Ziel Minimale Kosten: Dual Slope Wandlung Maximale Abtastfrequenz: Flash-AD-Wandlung Beste Integrierbarkeit: Sukzessive Approximation Weitere Verfahren (aber selten in Embedded Systems) Je nach Variante integriert oder als extra Chip 67

68 Und die Aktor-Seite? Wie produziert man wert-kontinuierliche Ausgabewerte? Einfache Verfahren mit hoher Energieeffizienz gesucht! Naive Ansätze produzieren hohe Verlustleistung Was kann Microcontroller dazu beitragen? Spezielle Verfahren (Puls-Breiten-Modulation) Direkte HW-Implementierung 68