Rechner in Eingebetteten Systemen

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1 12 Rechner in Eingebetteten Systemen Peter Marwedel Informatik 12 Otto-Hahn-Str. 16 Tel Sprechstunde: Mo 13:00-14:00

2 Überblick Zukunft der IT? Gemäß Vorhersagen charakterisiert durch Begriffe wie Post-PC era Disappearing computer Ubiquitous computing Pervasive computing Ambient intelligence Eingebettete Systeme Cyber-physical systems P. Marwedel,

3 Was ist ein Eingebettetes System? - 3 -

4 Eingebettete Systeme Eingebettete Systeme (ES) = Informationsverarbeitende Systeme, die in ein umgebendes Produkt eingebettet sind Hauptgrund für den Kauf ist nicht die Informationsverarbeitung Berkeley Modell [Ed Lee]: Embedded software is software integrated with physical processes. The technical problem is managing time and concurrency in computational systems

5 Anwendungsbereiche (1) Automobil-Elektronik Flugzeug-Elektronik Schienenfahrzeuge Telekommunikation P. Marwedel,

6 Anwendungsbereiche (2) Roboter Gesundheitswesen Sicherheitstechnik Smart living P. Marwedel, 2010 Produktion - 7 -

7 Eingebettete Systeme benötigen alle Bereiche der Informationstechnik, einschl. Informatik + ET Informatik ET

8 Bedeutung der Energieeffizienz IPE=Inherent power efficiency AmI=Ambient Intelligence IPE GOPs/J Courtesy: Philips Hugo De Man, IMEC,

9 Hardware Eingebetteter Systeme Die Hardware eingebetteter Systeme wird häufig in einer Schleife benutzt ( hardware in a loop ): A/D-Konverter sample-and-hold Informationsverarbeitung Display D/A-Konverter Sensoren Umgebung Aktuatoren

10 Diskretisierung der Zeit V e V x V e ist e ist eine eine Abbildung R R Hier: Beschränkung auf digitale Informationsverarbeitung; Bekannte Digitalrechner können nur zeitdiskrete Folgen verarbeiten. Diskrete Zeit; sample and hold-devices. Ideal: Breite des Taktimpulses 0 V e V x V x ist x ist eine eine Folge bzw. bzw. eine eine Abbildung Z R

11 Aliasing Unmöglich, schnelle Signale nach langsamer Abtastung zu regenerieren: mehrere schnelle Signale haben dieselben Abtastwerte; Beispiel: Signal: 5.6 Hz; Abtastung: 9 Hz ~1 s [

12 Diskretisierung von Werten Successive approximation-wandler Kontroll-Logik Successive approximation-register Digitale Ausgabe D/A-Konverter Idee: Binäre Suche : Setze MSB= 1 Falls zu groß: setze MSB= 0 ; Setze MSB-1='1 Falls zu groß: setze MSB-1= 0 ; Zeitbedarf: ~ Anzahl Bits Bits Hardwarebedarf: ~Anzahl Bits Bitsmit Anzahl Bits Bits = ld(anzahl Spannungspegel) Langsam, aber aber große Genauigkeit

13 Sukzessive Approximation (2) V V x V - t

14 Quantisierungsrauschen N = (approximiertes - reales Signal) heißt Quantisierungsrauschen

15 Microcontroller - Beispiel: der MHS 80C5-8-bit CPU optimiert für Kontroll-Anwendungen Umfangreiche Boolesche Befehle 64 k Programmspeicher-Adressraum 64 k Datenspeicher-Adressraum 4 k Bytes on-chip Programmspeicher 128 Bytes on-chip Datenspeicher 32 bi-direktionale, einzeln adressierbare E/A-Leitungen Zwei 16-Bit Timer/Zähler Full duplex universal asynchronous receiver/transmitter (UART) 6 Quellen/5 Vektoren für Interrupts Taktgeneratoren auf dem Chip Sehr populärer Prozessor mit vielen Variationen Charakteristisch für Eingebettete Systeme

16 Multiprocessor Systems On A Chip (MPSoCs) - Beispiele - Hugo De Man, IMEC,

17 Hardware Eingebetteter Systeme Die Hardware eingebetteter Systeme wird häufig in einer Schleife benutzt ( hardware in a loop ): A/D-Konverter sample-and-hold Informationsverarbeitung Display D/A-Konverter Sensoren Umgebung Aktuatoren

18 Digital/Analog- (D/A) Konverter Verschiedene Typen, können sehr einfach sein, z.b.: Operationsverstärker

19 Hardware Eingebetteter Systeme Die Hardware eingebetteter Systeme wird häufig in einer Schleife benutzt ( hardware in a loop ): A/D-Konverter sample-and-hold Informationsverarbeitung Display D/A-Konverter Sensoren Umgebung Aktuatoren

20 Aktuatoren und Ausgabe Große Vielfalt an Aktuatoren und Ausgabegeräten, können nicht alle vorgestellt werden. Mikrosystem-Motore als Beispiel ( MCNC): ( MCNC)

21 Zusammenfassung Definition Eingebetteter Systeme Besprechung der Komponenten in der Hardware-Schleife A/D-Konverter sample-and-hold Informationsverarbeitung Display D/A-Konverter Sensoren Umgebung Aktuatoren

22 Ende Vorlesungen: Copyright: Übungen: Skripte: Folien: Technische Gernot Winfried Gernot Fink, Jansen, Universität Fink, Peter Peter Timon Marwedel Dortmund, Kelter MMXI et al