Kapitel 3 Systementwurf

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1 Kapitel 3 Systementwurf 1 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

2 Pflichtenheft Auf der Basis einer Marktanalyse erfolgt vor der Erarbeitung des Pflichten-, Lastenheftes eine Machbarkeitsstudie. Inhalt des Pflichten-, Lastenheftes: Zielsetzung des Projektes Projektplanung Funktionale Spezifikation (Eigenschaften aller Funktionen, die das System beinhalten soll) Spezifikation der Systemschnittstellen Toleranzspezifikationen (Mindestanforderungen für die spezifizierten Funktionen) Spezifikation der Energieversorgung Spezifikation der Einsatzumgebung Qualitätsmanagement (ISO 9001, Einhaltung von DIN-Normen) Test- und Abnahmebedingungen Juristische Fragen (Lizenzbedingungen, Haftung, Gewährleistung, Support) 2 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

3 Systementwurf Entwurfsschritte von der Idee des Gesamtsystems, dokumentiert im Pflichtenheft bis zur fertigen Systemspezifikation inklusive der Abbildung von der Verhaltens- auf die Strukturachse auf hoher Ebene Analyse möglicher Realisierungsvarianten Architekturentwurf Problempartitionierung, Hierarchieaufbau Festlegung der Funktionen der Subsysteme Entwurf der Algorithmen Verifikation und Vergleich der gefundenen Lösungen Nachweis der Funktionsfähigkeit Abschätzung der Entwurfsdauer Abschätzung der zu erwartenden Kosten potentielle Produzenten Verfügbarkeit von Vorleistungen 3 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

4 Systemspezifikation (I) Attribute Systembezeichnung Globale Einordnung (Ziele, Anforderungen) Schnittstellenbeschreibung Definition der Interaktionsstellen (Ports, Pins, u.a.) Signalformen an den Interaktionsstellen Absolute Grenzwerte und Aussteuerbedingungen kritische Signalpfade Signalübertragungspfade Signalübertragungsanforderungen Toleranzen Gehäuse, Aufbau- und Verbindungstechnik Verhaltensbeschreibung Funktionsdefinition Eingangs- und Ausgangsbeziehungen Simulationsmodelle Algorithmen, Übertragungsfunktionen 4 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

5 Systemspezifikation (II) Strukturbeschreibung Definition von Teilfunktionen, Hierarchiedarstellung Verbindungen von Gesamt- und Teilsystem Aspekte des testfreundlichen Entwurfs Systemumgebung Temperatur mechanische Belastungen chemische Belastungen Strahlungsbelastungen Anforderungen an EMV Zuverlässigkeitsforderungen 5 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

6 Systemspezifikation (III) Testumgebung Testsysteme, Testsystemverbindungen Sicherheitsgrenzen Funktionstest Produktionstest Qualitätssicherungsmaßnahmen Entwurfsmanagement Projektierung, Projektablaufplan Einsatzplanung von Personal und Entwurfshilfsmitteln Bewertung von Preis/Leistung Dokumentation 6 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

7 Herangehensweise bei der Systempartitionierung Ziel: Reduzierung der Komplexität durch ein modulares Konzept zur Verbesserung der Realisierbarkeit und Überprüfbarkeit - strukturierter Entwurf Ermöglichung des Einsatzes von Synthesewerkzeugen, die i. a. nicht die volle Komplexität eines Systems beherrschen können Ablauf: 1. Definition von Untereinheiten 2. Zuweisung von Funktionen an die Untereinheiten Beachtung der Vollständigkeit und Konsistenz der Spezifikation eindeutige Definition der Schnittstellen Analyse der Ausführbarkeit Analyse der Überprüfbarkeit der Spezifikation weitestgehende Verwendung bereits vorliegender komplexer Module (Entwurfsvereinfachung) 3. eventuelle Wiederholung der Punkte Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

8 Einige Grundsätze zur Systempartitionierung Zergliederung in Komponenten Komponenten: als Vorleistung verfügbar oder mit vorhandenen CAD-Methoden generierbar für sich testbar Komplexität reicht von einfachen Schaltungen (z. B. analoge Elemente) bis zu sehr umfangreichen Systemen (z. B. Prozessoren) niedrige sequentielle Tiefe, wenn Modultest im Verlauf der Produktion Prinzip der Modularität (Betrachtung von außen): wohldefiniertes, eindeutiges Interface Kenntnis des internen Aufbaus der Module für Betrachtung von außen nicht notwendig Prinzip der Loyalität (Betrachtung von innen): Details außerhalb einer Komponente sind für die Betrachtung ihrer internen Eigenschaften nicht notwendig Maximum an Informationen bleibt innerhalb des Moduls (Verdrahtung) wichtig für Test und physikalischen Entwurf globale Verdrahtung in Bussen (Leitungslängenproblem) 8 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

9 Hierarchische Architektur System Attribute Umgebung Schnittstelle n Funktion Test Struktur Komponent e 1 Komponent e 2 Komponent e n Attribute Schnittstelle n Funktion Test Struktur Komponent e 1 Komponent e 2 Komponent e n Attribute Schnittstelle n Funktion Test Struktur 9 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

10 Denkbare Partitionierungen auf der Systemebene Schnittstellenmodule digitale Module verarbeitende Module Universalprozessoren Signalprozessoren Spezialprozessoren (im weitern Verlauf des Entwurfs zu erarbeiten) speichernde Module (RAM, ROM) mit vorgegebener Konfiguration mit variabler Konfiguration verbindende Module (Dekoder) analog arbeitende Module AD und DA Wandler 10 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

11 Probleme bei der Taktverteilung Synchrones System: Gewährleistung der Synchronität bei vielen Flipflops clk Treiber Komp onent e 1 Komp onent e 2 t v1 t v2 t vn Komp onent e n Spezialfall: Pipeline Komp onent e 1 Komp onent e 2 clk t 11 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

12 Bussysteme Vorteile: 1. Übersichtlichkeit bei der Signalverabeitung 2. Erleichterung des Floorplanning: Bus kann im Prinzip wie eine einzelne Verbindung betrachtet werden Aufbau: 1. Adressen 2. Daten 3. Steuerleitungen 4. Spezialsignale (Takt, Systemreset) 12 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

13 Beispiel für eine asynchrone Kommunikation 13 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

14 Beispiel für eine asynchrone Kommunikation 14 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

15 A: Steuerflussdominierte Systeme Spezifikationsmethoden I 1. Automaten (FSM) bekannte Theorie 2 Teile des Modells Zustände und Übergänge Aktionen (Ausgaben) und Bedingungen in Form einer verhaltensorientierten Sprache Nachteile keine Hierarchie keine Parallelität keine integrierte Designunterstützung 2. STATECHARTS, SPEED CHARTS Unterstützung der Konzepte von Hierarchie Parallelität Verknüpfung von Elementen Überschreiben der Übergangsbedingungen Übersetzung in VHDL, Verilog, C möglich kommerzielle Werkzeuge verfügbar, Stateflow (MATLAB, Simulink) 15 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

16 STATECHARTS 16 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

17 STATECHARTS 17 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

18 STATECHARTS 18 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

19 STATECHARTS 19 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

20 STATECHARTS 20 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

21 STATECHARTS 21 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

22 STATECHARTS 22 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

23 STATECHARTS 23 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

24 STATECHARTS 24 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

25 STATECHARTS 25 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

26 STATE CHARTS: EXOR Dekomposition Mittel zum Aufbau hierarchischer Beschreibungen A D C B Defaults Historie X H A 26 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

27 STATE CHARTS: AND Dekomposition Mittel zum Aufbau orthogonaler (paralleler) Beschreibungen A C E B D A, B gleichzeitig mit C, D, E 27 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

28 Spezifikationsmethoden II B: Allgemeine Systeme 1. Structured Petri Nets (S-Nets) Transitionen können wieder Netze enthalten 2. Prädikat-Transitions-Netze 3. Logic Programming Modellierung durch Regeln und Inferenzmechanismen klassisches Beispiel: PROLOG 4. Functional Programming Modellierung durch Menge von Funktionen akzeptierte Ansatz für Ingenieurwissenschaften naheliegender als imperative Spezifikationen Kontinuierliche Systeme: Differentialgleichungen (analog Design) Beispiele: Glass (Elektronik), Lisp (KI) 28 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

29 Spezifikationsmethoden III 5. SDL (Specification and Description Language) CCITT Interprocess Communication Message Sequence Charts (MSC/PR MSC /GR) Extended Finite State Machines - Process Diagram (PD) SDL/PR SDL/GR 6. GRAPES (Weiterentwicklung von SDL) Communication Diagram (CD) (structure) Interface Table (IT) Process Diagram (PD) Data Structure Diagram (DD) 7. UML (Unified Modeling Language) 14 Diagrammtypen Sequence Diagram State Diagram 8. Prozedurale und Objektorientierte Ansätze 29 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt