Biologische Motivierte Robotersysteme V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten INTERAKTIVE DIAGNOSE- UND SERVICESYSTEME (IDS) FORSCHUNGSZENTRUM INFORMATIK (FZI), INSTITUT FÜR ANTHROPOMATIK (IFA), FAKULTÄT FÜR INFORMATIK 1 KIT 12.04.2011 Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft www.kit.edu
Übersicht The last Frontier of the biological science: Understanding the biological basis of consciousness! Neuronen, Synapsen und Nervenfasern Hierarchien der Informationsverarbeitung im Gehirn Rechnerarchitektur für biologisch motivierte Roboter Beispielarchitekturen 2 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Übersicht The last Frontier of the biological science: Understanding the biological basis of consciousness! Neuronen, Synapsen und Nervenfasern Hierarchien der Informationsverarbeitung im Gehirn Rechnerarchitektur für biologisch motivierte Roboter Beispielarchitekturen 3 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Neuron als Basisrecheneinheit Kurze Wiederholung: Reizverarbeitung und Informationskodierung Die Nervenzelle Übersicht Übertragung von Nervenimpulsen Na + und K + Synapse Knotenpunkte Nervenfaser (Axom) Verkabelung 4 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Wdh: Rezeptoren und Reizverarbeitung Aufnahme, Bewusstmachung und Abgabe von Information 5 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Wdh: Reizverarbeitung und Informationskodierung 6 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Nervenzelle Dendriten 3 wichtige Teile: Zellkörper Dendriten Nervenfaser 7 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Signale auf Nervenfasern I # K+ = 10*Na+ außen Membran innen + + + + + 1 2 3 4 - - - - - # Na+ = 10*K+ (1) Fasermembran (2) Ionenpumpe (3) Kalium Kanal (4) Natrium Kanal K+ Ionen Na+ Ionen Na: Normalpotential: 2,713 V Ka: Normalpotential: 2.931 V Ruhezustand: Innenseite der Membran um 70mV negativer 8 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Signale auf Nervenfasern I 9 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Synapse Synapsen: Verbindungsstelle einer Nervenfaser (Sender) und Dendriten (Empfänger) 10 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Nervenfaser (Axon) 11 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Nervenfaser I 12 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Nervenfaser II 13 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Nervenfaser III 14 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Übersicht The last Frontier of the biological science: Understanding the biological basis of consciousness! Neuronen, Synapsen und Nervenfasern Hierarchien der Informationsverarbeitung im Gehirn Rechnerarchitektur für biologisch motivierte Roboter Beispielarchitekturen 15 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Hierarchien der Informationsverarbeitung im Gehirn Das Zentrale Nervensystem Aufteilung der Rindenfeldes Aufteilung der Großhirnhälften Stabheuschrecke Abstraktion des Steuerungskonzeptes 16 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Teile des Zentralnervensystems 17 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Aufteilung des Rindenfeldes sensorisches motorisches Rindenfeld 18 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Aufteilung der Großhirnhälften 19 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Abstraktion des Steuerungskonzeptes Intelligente Einheiten Definition der Einheiten über gefordertes Steuerungsverhalten Adaptivität auf den Verhaltensebenen Kommunikation der Einheiten auf einer Verhaltensebene Hierarchisch, verteilte Steuerung 20 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Übersicht The last Frontier of the biological science: Understanding the biological basis of consciousness! Neuronen, Synapsen und Nervenfasern Hierarchien der Informationsverarbeitung im Gehirn Rechnerarchitektur für biologisch motivierte Roboter Beispielarchitekturen 21 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Rechnerarchitektur für biologisch motivierte Roboter Anforderungen an die Rechnerarchitektur Systemkomponenten Die einzelnen Bausteine Koppelung Bus-Systeme 22 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Anforderungen an eine Rechnerarchitektur Komplexes Verhalten Sicherheit Echtzeitfähigkeit Fehlertoleranz Modularität Skalierbarkeit 23 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Probleme bei der Umsetzung Platzmangel Gewicht der Komponenten Energieversorgung Energieeffizienz Resistenz gegen elektromagnetische Störungen 24 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Energieversorgung Energieversorgung im Falle von Rechnerbauteilen durch elektrische Energie Problem: elektrische Energie lässt sich schlecht kompakt speichern Batterien: Schwer Groß Kurze Laufzeit, lange Ladezeit Verbesserung durch LiPo-Akkus, Grundproblem bleibt bestehen Brennstoffzellen werden zunehmend interessanter noch kein breiter kommerzieller Einsatz noch in der Erprobung High-Tech Akku 22,2V 8000mAh Max Entladestrom 128A Gewicht: 1kg 29x50x375 mm (L x H x B) 25 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Vergleich Energiebedarf Herkömmliche PC PC-System Pentium IV 3GHz mit Monitor ca. 400 Watt Pentium M ohne Monitor ca. 150 Watt Intel Core2 Duo ca. 65 Watt Im Vergleich dazu Mikrocontroller ca. 0,4 Watt (C167 Infineon) DSP ca. 0,55 Watt (DSP56F803 Motorola) CPLD / FPGA ca. 0,7 Watt (Altera Flex 10k10) PC/104-System (Pentium M @1GHZ) ca. 20 Watt (DigitalLogic) PC/104-System (Core 2 Duo @ 2 x 1,5Ghz ) ca. 25 Watt 26 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Komponenten - Mikrocontroller Mikrocontroller besteht aus: Mikroprozessor Speicher Ein-/Ausgabe- Schnittstellen Peripheriegeräten 27 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Komponenten Digital Signal Prozessor (DSP) Die Mikrorechnerarchitektur von DSPs ist auf die Verarbeitung digitaler Signale optimiert DSPs sind im Bereich der Arithmetik, speziell bei der Multiplikation, leistungsfähiger als Mikrocontroller Anwendungsbereiche für Signalprozessoren Digitale Filter Signalaufbereitung (Bsp. Sensordaten) Spracherkennung Audio- / Videokompression 28 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Beispiel DSP 56F803 (Motorola) 29 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Komponenten Programmable Logic Device (PLD) Im allgemeinen zweistufige Logik (Und/Oder-Gatter) Programmierbare Logik-Operationen Sehr schnell bei parallelen Prozessen 30 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Komponete - UCoM UCoM Universal Controller Module Regelung von bis zu drei Motoren Auslesen von verschiedenen Sensoren Echtzeitfähig Größe: 80 mm * 70 mm * 20 mm 80 MHz DSP: Motorola Externes RAM FPGA: Altera Interfaces: CAN, SCI, SPI, JTAG DSP programmierbar über CAN-Bus Bis zu 3 Motoren (24 V) bis zu 5 A 6 Encoder-Ports (6-pin; 2 Spannungsversorgung, 4 IO) Differenzielle Motorstrommessung für jeden Motor 31 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Komponenten - Formfaktoren Netbook und Multimedia-PC-Boom führt zur Verkleinerung der PC- Formfaktoren Früher: Aktuell Consumer: ATX (305 244mm), Micro-ATX (244 244mm) Roboter/Industrie: PC/104 (90 96mm) dafür aber höher! Consumer: Mini-ITX (170 170mm) weit verbreitet Roboter/Industrie: Pico-ITX (100 72 mm), ETX (114 95mm), PC/104 (90 96mm) 32 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Komponenten PC/104 Modulares Stecksystem PCI-Bus bei PC104+ Systemen Basisplatine mit Prozessor (bis 2 GHz) Erweiterungsplatinen Framegrabberkarten CAN-Schnittstellenkarte Karte für PCMCIA-Steckplatz Funk-LAN Microdrive-Festplatte 33 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Bussysteme - Topologien Linientopologie Ringtopologie Sterntopologie Baumtopologie Gemischt 34 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Bussysteme - Übertragungsarten Elektrisch Signale werden durch elektrische Impulse über Kabel übertragen Vorteile Einfache Verkabelung Flexible Leitungen Nachteile Anfälligkeit gegen elektromagnetische Störung 35 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Bussysteme - Übertragungsarten Optisch Signale werden über Lichtwellenleiter durch gepulstes Licht übertragen Vorteile Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen Nachteile Aufwendiges Konfektionieren und Verlegen der Lichtwellenleiter Begrenzter Biegeradius der Lichtwellenleiter 36 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Bussysteme - Beispiele Vielzahl von seriellen Bussystemen: CAN Controller Area Network (eletkrisch) FlexRay (elektrisch) IEEE1394 oder FireWire oder ilink (elektrisch oder optisch) Industrial Ethernet (elektrisch) Profibus (elektrisch) USB 1.1, 2.0, 3.0 SERCOS Serial Realtime Communication System (optisch)... 37 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Beispiel CAN Bus (Controller Area Network) asynchrones, serielles Bussystem (1983 von Bosch entwickelt) Vernetzung von Steuergeräten in Automobilen Zweidrahtleitung -> Einfache Verkabelung Linientopologie Multimaster-Netzwerk mit Broadcastübertragung Sehr robust, geringe Störanfälligkeit, daher auch weite Verbreitung in der Industrie Echtzeitfähig es kann eine maximale Latenzzeit angegeben werden Bandbreite maximal 1 Mbit/s Leitungslänge beträgt bei 1 Mbit/s 40 m und bei 125 kbit/s 500 m 38 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Beispiel IEEE1394 / FireWire serielles Bussystem (von Apple entwickelt) asynchrone oder isochrone Datenübertragung Paketlänge variabel mit Empfangsbestätigung Broadcast-Pakete variabler Länge in festen Intervallen ohne Empfangsbestätigung) Integrierte Spannungsversorgung (8V 33V bei max. 1,5A) Firewire 400 / IEEE1394a: 100, 200 oder 400 Mbit/s Übertragungsbandbreit Firewire 800 / IEEE1394b: 800 Mbit/s Übertragungsbandbreite Multimedia-Anwendung (Video-Kamera) Shielded Twisted Pair: Komplexe Verkabelung: vier Adern für Daten, zwei für Versorg.-Spannung IEEE1394a: Beliebige Topologie außer Ring, IEEE1394b: auch Ringtopologie Daisy Chain möglich 39 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Beispiel USB 1.1, 2.0, 3.0 Universal Serial Bus: serielles Bussystem (1996 von Intel entwickelt) Zweidrahtleitung -> Einfache Verkabelung Zusätzliche 5V Versorgungsspannung (max. 500mA) USB-Host für Kommunikation erforderlich Baumtopologie Robust und weit verbreitet (Festplatten, Tastatur, Maus, ) NICHT Echtzeitfähig USB 1.1: 12 MBit/s, USB 2.0: 480 MBit/s, USB 3.0: 5 Gbit/s Maximale Leitungslänge 5 m und mit Repeatern max. 25m 40 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Übersicht The last Frontier of the biological science: Understanding the biological basis of consciousness! Neuronen, Synapsen und Nervenfasern Hierarchien der Informationsverarbeitung im Gehirn Rechnerarchitektur für biologisch motivierte Roboter Beispielarchitekturen 41 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Beispielarchitekturen It s alive! It s alive!!! Rechnerarchitektur von LAURON IV Rechnerarchitektur von MakroPlus 42 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Beispiel Laufmaschine LAURON IVc Autonom Steuerung auf LAURON Erfassung und Verarbeitung der Sensorwerte 7 UCoMs 2 x PC/104 System CAN-Bus MCA2 43 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Beispiel Laufmaschine LAURON IVc 46 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Beispiel Rechnerarchitektur auf LAURON IVc WLAN Leitrechner Bein2 Bein6 Embedded PC1 (Robotersteuerung) CAN LAN Embedded PC2 (Bildverarbeitung) Firewire Framegrabber Kamera 1 Kamera 2 Omnidirek. Kamera Kamerasysteme Bein1 DSP UCoM PWM Kopf DSP UCoM PWM Daten/Addres. Daten/Addres. Seriell FPGA Treiber Seriell FPGA Treiber Opt. Encoder A Motor Encoder A Motor A Motor Encoder P Motor Pitch Opt. Encoder A Motor Encoder A Motor B Neigungssensor Motor Encoder Y Motor Yaw Fußsensor Opt. Encoder A Sensoren Motor Encoder A Motor C Aktoren Sensoren Aktoren 47 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Beispiel - MakroPLUS Fahrten im grob gereinigten Kanal Abwasseranalyse Lokalisierung Vermessung Diverse Inspektionsaufgaben 48 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Beispiel - MakroPLUS Anforderungen: Maximale Effizienz Maximale Ressourcen Maximale Modularität Maximale Flexibilität Maximale Konfigurierbarkeit 49 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Beispiel - MakroPLUS HW/SW Struktur Getrennte Funktionen Signalverarbeitung Datenübertragung Energieversorgung Adaptierbare Rechenleistung Embedded PC 1 Embedded PC N Sensor Aktor 1 DSP PWM Daten /Addr. FPGA Treiber 2 DSP FPGA Steuerplatine Steuerplatine Steuerplatine N DSP FPGA Motor Sensor Aktor Sensor Aktor 50 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Beispiel - MakroPLUS HW/SW Struktur Maximale Resourcen durch Verteilte Recheneinheiten, Bussysteme CAN Embedded PC 1 Firewire Embedded Sensor PC N Aktor 1 PWM DSP DSP DSP Daten /Addr. FPGA Treiber 2 FPGA Steuerplatine Steuerplatine Steuerplatine N FPGA Motor Sensor Aktor Sensor Aktor 51 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Beispiel - MakroPLUS HW/SW Struktur 1 DSP FPGA PWM Daten /Addr. Treiber Prädestinierte Embedded Aufgabe PC 1 Flexible Aufgabe 2 DSP Regelung Gelenkwinkel Regelung Embedded Knickelement PC N PWM - Signal DSP Optimierte Rechenleistung und FPGA Stromverbrauch FPGA Auswertung Absolutcode Maximale Konfigurierbarkeit Steuerplatine Steuerplatine Steuerplatine N Generierung Sensor Motorstatus Platinen Aktor Management Optional: PWM Signal DSP Schnell und FPGA Flexibel Motor Sensor Aktor Sensor Aktor 52 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Beispiel - MakroPLUS HW/SW Struktur Maximale Effizienz durch Stromsparende Bauteile Master I²C Embedded PC 1 Embedded PC N Sensor Aktor 1 DSP PWM Daten /Addr. FPGA Treiber Motor DSP 2 DSP FPGA Optimierte FPGA Rechenleistung und Stromverbrauch Sensor Aktor Schnell und Flexibel Steuerplatine Steuerplatine Steuerplatine N DSP FPGA Sensor Aktor 53 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Beispiel - MakroPLUS HW/SW Struktur Maximale Modularität durch getrennte Rechenleistungen Master I²C Embedded PC 1 Embedded PC N Sensor Aktor 1 DSP PWM Daten /Addr. 2 DSP Steuerplatine Steuerplatine Steuerplatine FPGA Treiber FPGA FPGA N DSP Motor Sensor Aktor Sensor Aktor 54 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Beispiel - MakroPLUS HW/SW Struktur Maximale Flexibilität (HAL, modulares Softwarekonzept) High-Level Steuerung Embedded PC 1 Embedded PC N Sensor Aktor Low-Level Steuerung 1 DSP PWM Daten /Addr. FPGA Treiber 2 DSP FPGA Steuerplatine Steuerplatine Steuerplatine N DSP FPGA Motor Sensor Aktor Sensor Aktor 55 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Gegenüberstellung der Rechnerarchitektur Parallelität Redundanz Fehlertoleranz Rekonstruktion Verarbeitungsgeschwindigkeit Übertragungsgeschwindigkeit Schnittstellen Natur sehr hoch sehr hoch sehr hoch möglich niedrig niedrig hoch Technik niedrig-mittel niedrig niedrig nicht möglich hoch hoch niedrig 56 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten
Things to come Nächste Woche: Neuro-Biologisch motivierte Steuerungen 57 12.04.2011 V. Rechnerarchitektur und Systemkomponenten