1. Grundlagen
Grundlagen für eingebettete Systeme
1.1 Eingebettete Systeme
1.2 Ubiquitäre Systeme
1.3 Mikroprozessoren, Mikrocontroller, Signalprozessoren und SoC
1.4 PC Systeme
1.5 Modellierung
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1.1 Eingebettete Systeme
Eingebettete Systeme:

Datenverarbeitungssysteme, die in ein technisches
Umfeld eingebettet sind

Steuern, Überwachen und Regeln dieses Umfeld

Beispiel: Steuerung einer Kaffeemaschine:
Koordination von Wasserbehälter, Heizung und
Ventilen zur Bereitung eines Kaffees
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1.1 Eingebettete Systeme
Weiteres Beispiel:
PC auf dem Schreibtisch zu Hause
kein eingebettetes System, stellt seine
Datenverarbeitungsleistung dem Menschen zur
Verfügung
PC in der Fabrikhalle zur Steuerung einer Anlage
eingebettetes System
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1.1 Eingebettete Systeme
Mehr Beispiele:
Alltagsgegenstände
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1.1 Eingebettete Systeme
Raumfahrt
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1.1 Eingebettete Systeme
KFZ-Technik
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1.1 Eingebettete Systeme
Robotik
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1.1 Eingebettete Systeme
Autonomes
Fahrzeug (z.B. für
die
Fabrikautomation)
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1.1 Eingebettete Systeme
Gegenüber reinen Rechensystemen stellen eingebettete
Systeme weitere Anforderungen:
Schnittstellenanforderungen
mehr und vielfältigere Schnittstellen als bei reinen
Rechensystemen
Mechanische Anforderungen
robuster Aufbau, rauhe Umgebung, mechanische
Belastung, begrenzter Raum, vorgegebene
geometrische Form
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1.1 Eingebettete Systeme
Elektrische Anforderungen
vorgegebene Versorgungsspannung, limitierter
Energieverbrauch, geringe Abwärme
Zuverlässigkeitsanforderungen
Ausfallsicherheit, Notbetrieb, z.B. bei Bremsen, der
Steuerung eines Kernreaktors, einem Flugzeug, ...
Zeitanforderungen
Ausführung von Tätigkeiten innerhalb einer
vorgegebenen Zeit => Echtzeitsysteme
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1.1 Eingebettete Systeme
Einige zusätzliche Bemerkungen zu Echtzeitsystemen
Nicht-Echtzeitsystem:
logische Korrektheit
Echtzeitsystem:
logische Korrektheit +
zeitliche Korrektheit
Ein Ergebnis ist nur korrekt, wenn es logisch korrekt ist und zur
rechten Zeit zur Verfügung steht!
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1.1 Eingebettete Systeme
Klassen von Echtzeitsystemen:
Harte Echtzeitsysteme
Zeitbedingungen müssen unter allen Umständen
eingehalten werden. Das Verpassen einer Zeitschranke ist
nicht tolerierbar
Beispiel:
Kollisionserkennung in einem automatischen
Fahrzeug
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1.1 Eingebettete Systeme
Klassen von Echtzeitsystemen:
Feste Echtzeitsysteme
Feste Zeitschranken
Ein Ergebnis ist nach Überschreiten der Zeitschranke
wertlos (Verfallsdatum)
Die Folgen sind jedoch nicht unmittelbar katastrophal
Beispiel:
Positionserkennung in einem automatischen
Fahrzeug
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1.1 Eingebettete Systeme
Klassen von Echtzeitsystemen:
Weiche Echtzeitsysteme
Weiche Zeitschranken
Ein Überschreiten um einen gewissen Wert ist tolerierbar
Mehr Richtlinie denn harte Zeitschranke
Beispiel:
Periodische Temperaturmessung für eine
Anzeige
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1.1 Eingebettete Systeme
Wesentliche Anforderungen an Echtzeitsysteme
Zeitliche Vorhersagbarkeit
 spielt die dominierende Rolle
 eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit ohne
Vorhersagbarkeit ist wertlos
 wichtige Größe: WCET (Worst Case Execution Time)
 heutige Prozessoren mit Caches und spekulativer
Programmausführung sind hier problematisch
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1.1 Eingebettete Systeme
Längerfristige Verfügbarkeit
 Leistung muss über einen längeren Zeitraum erbracht
werden
 Betriebspausen, z.B. zur Reorganisation, sind nicht
zulässig (Beispiel Garbage Collection)
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1.2 Ubiquitäre Systeme
Ubiquitäre Systeme
allgegenwärtig = überall verbreitet = ubiquitär
Computer  „unsichtbar“, hinter Alltagsgegenständen verborgen
Neuer Begriff:
Ubiquitous Computing
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1.2 Ubiquitäre Systeme
 Begriff Anfang der 90er Jahre von Mark Weiser geprägt
 Zukunftsvision: Mit Mikroelektronik angereicherte Gegenstände
sollen so alltäglich werden, dass die enthaltenen Rechner als
solche nicht mehr wahrgenommen werden.
 Ubiquitäre Systeme sind eine Erweiterung der eingebetteten
Systeme.
 Zusätzlich zu einem eingebetteten System kommt noch
Umgebungswissen hinzu, das es diesem System erlaubt, sich
in hohem Maße auf den Menschen einzustellen.
 Als ubiquitäre (allgegenwärtige) Systeme bezeichnet man
eingebettete Rechnersysteme, die selbstständig auf ihre Umwelt
reagieren.
 Rechner in dienender und nicht beherrschender Rolle.
 Die Benutzer sollen nicht in eine virtuelle Welt gezogen werden,
sondern die gewohnte Umgebung soll mit Computerleistung
angereichert werden.
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1.2 Ubiquitäre Systeme
Die dritte Ära der Rechnernutzung
Phase 1: Großrechner
Phase 2: Personal Computer
Phase 3: Ubiquitäre Systeme
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1.2 Ubiquitäre Systeme
Merkmale ubiquitärer Systeme
 Ubiquitäre Systeme sind eine Erweiterung sogenannter
„eingebetteter Systeme“
Rechner, die in technische Systeme eingebettet sind, also
z.B. Waschmaschine, Fahrkartenautomaten, ABS im Auto
etc.
 überall in hoher Zahl vorhanden - Allgegenwart
 ubiquitäre Systeme nutzen drahtlose Vernetzung
Handytechnologien, Funk-LAN, Bluetooth, Infrarot
 Umgebungswissen, das es ubiquitären Systemen erlaubt,
sich in hohem Maße auf den Menschen einzustellen
 Neue Geräte wie z.B. Handhelds, tragbare Rechner
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1.2 Ubiquitäre Systeme
Technologien ubiquitärer Systeme
• Einbeziehung von Informationen aus der natürlichen
Umgebung der Geräte
• Umgebungswissen erstellt durch Erfassung, Interpretation,
Speicherung, Austausch und Verbindung von
Sensorendaten
• Umgebungswissen erlaubt ubiquitären Systemen sich in
hohem Maße auf den Menschen einzustellen
 Gerät kann Informationen in Abhängigkeit vom jeweiligen
Aufenthaltsort auswählen und anzeigen
 Gerät passt sich in seinem Verhalten der jeweiligen
Umgebung an
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1.2 Ubiquitäre Systeme
Anwendungsbeispiel: MediaCup (Teco Karlsruhe)
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1.2 Ubiquitäre Systeme
 Der Boden der MediaCup enthält




die Elektronik in einem
abnehmbaren Gummiüberzieher.
Kern ist ein kleiner Mikroocontroller
Die Elektronik wird kabellos mit
Energie versorgt; ein 15 minütiger
Aufladevorgang kann die Tasse
etwa 10 Stunden mit Energie
versorgen.
Sensoren erkennen Temperatur und
Bewegungszustand der Tasse.
Diese Informationen wird von der
Tasse in den Raum gesendet.
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1.3 Mikroprozessoren, Mikrocontroller,
Signalprozessoren und SoC
Einige grundlegende Begriffe zu Mikroprozessoren
Mikroprozessor:
 Zentraleinheit eines Datenverarbeitungssystems
 heute meist mit weiteren Komponenten auf einem
einzigen Chip untergebracht
 Zentraleinheit = CPU, Central Processing Unit
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1.3 Mikroprozessoren, Mikrocontroller,
Signalprozessoren und SoC
Basiskomponenten eines Mikroprozessors
Rechenwerk
Steuerwerk
Prozessorkern
Schnittstelle zur Außenwelt
Weitere Komponenten (je nach Komplexität)
Cache
Virtuelle Speicherverwaltung
Ziel: möglichst effiziente Ausführung eines Programms
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1.3 Mikroprozessoren, Mikrocontroller,
Signalprozessoren und SoC
Weitere Begriffe:
Mikroprozessorsystem
Technisches System, welches einen Mikroprozessor
enthält. Dies muss kein Rechner sein.
Mikrorechner (Mikrocomputer)
Rechner, der als Zentraleinheit einen oder mehrere
Mikroprozessoren enthält.
Enthält weiterhin Speicher, Ein-/Ausgabeschnittstellen
sowie ein Verbindungssystem.
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1.3 Mikroprozessoren, Mikrocontroller,
Signalprozessoren und SoC
Mikrorechnersystem (Mikrocomputersystem)
Mikrorechner mit an die Ein-/Ausgabeschnittstellen
angeschlossenen Peripheriegeräten,
=> Kontakt zum Umfeld im eingebetteten System
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1.3 Mikroprozessoren, Mikrocontroller,
Signalprozessoren und SoC
Mikrorechner
Mikroprozessor
Zentraleinheit
Prozessorkern
Steuerwerk Rechenwerk
Speicher
Verbindungseinrichtun
g
Ein-/Ausgabe-
(für Programme und
Daten)
Mikrorechnersystem
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Schnittstellen
PeripherieGeräte
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1.3 Mikroprozessoren, Mikrocontroller,
Signalprozessoren und SoC
Mikrocontroller
 Mikrorechner auf einem Chip
 Ziel: Steuerungs- oder Kommunikationsaufgabe mit
möglichst wenigen Bausteinen lösen
 Prozessorkern, Speicher und Ein-/Ausgabeschnittstellen
sind auf die Lösung solcher Aufgaben zugeschnitten
 es existiert eine Vielzahl verschiedener
Mikrocontroller
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1.3 Mikroprozessoren, Mikrocontroller,
Signalprozessoren und SoC
Deshalb meist: Organisation in Mikrocontrollerfamilien
Die Mitglieder einer Familie besitzen
meist gleichen Prozessorkern
unterschiedlichen Speicher
unterschiedliche Ein-/Ausgabeschnittstellen
Ideale Hardware-Plattform für eingebettete Systeme
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1.3 Mikroprozessoren, Mikrocontroller,
Signalprozessoren und SoC
SoC (Systems on Chip)
 Konsequente Weiterentwicklung der Mikrocontrolleridee,
Systeme mit möglichst wenigen Bausteinen zu realisieren
 Mikrocontroller: standardisierter Rechnerbaustein, mit
wenigen anderen Komponenten entsteht
anwendungsspezifisches System
 SoC: vollständiges anwendungsspezifisches System auf
einem einzigen Chip
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1.3 Mikroprozessoren, Mikrocontroller,
Signalprozessoren und SoC
Realisierungsmöglichkeiten von SoC
 Bereitstellung und Kombination von
Hardwarebibliotheken => FPGA, ASIC
 Rekonfigurierbare Hardware
- Fester Prozessorkern und Speicher
- Rekonfigurierbare Zellen
Weitere Herausforderung bei SoC: Kombination von analogen
und digitalen Komponenten
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1.3 Mikroprozessoren, Mikrocontroller,
Signalprozessoren und SoC
Signalprozessoren
 Spezielle Prozessorarchitekturen zur Verarbeitung
analoger Signale
 Hochleistungsarithmetik zur schnellen fortgesetzten
Multiplikation und Addition (MAC, Multiply and
Accumulate)
=> schnelle Berechnung von Polynomen
 vom Anwender steuerbare Parallelität
 spezielle Schnittstellen zur Ein- und Ausgabe von
analogen Signalen
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1.4 PC-Systeme
PC-Systeme
Heute verbreitetste Form von Mikrorechnern
1980 von IBM eingeführt
unter ständiger Weiterentwicklung zum Quasi-Standard
geworden
Merkmale: zentrales Motherboard (Mainboard),
zusätzliche Komponenten in Form von Steckkarten
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1.4 PC-Systeme
Grundlegende Bestandteile eines PCs:
Mikroprozessor
Cache
Northbridge
verbindet
Systembus und Hauptspeicher
Southbridge
verbindet
Ein-/Ausgabeeinheiten
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1.4 PC-Systeme
Beispiel:
Intel Pentium 4
(775 Package)
Front Side Bus
Memory Bus
P5AD2-E
Motherboard
von Asus
Intel 82925XE
Memory Controller Hub
(North Bridge)
DDR-RAM
PCI Express x16
Graphics
DMI x4
PCI Bus
Intel ICH6R
IO Controller Hub
(South Bridge)
Gigabit
LAN
PCI Express x1
USB
Serial ATA
IDE (UDMA/133, ATA/ATAPI-7)
1.4 PC-Systeme
Eigenschaften der
verschiedenen Busse:
Bus
Übertragungsart
Taktrate
Übertragungsrate
Front Side Bus
64 Bit parallel,
4-fache Datenrate
266 MHz
8,5 GByte/s
Memory Bus
64 Bit parallel,
2-fache Datenrate
533 MHz
8,5 GByte/s
PCI Express x16
16 x 1 Bit seriell,
vollduplex,
2-fache Datenrate,
8B10B Kode
1250 MHz
8 GByte/s
PCI Express x1
1 x 1 Bit seriell,
vollduplex,
2-fache Datenrate,
8B10B Kode
1250 MHz
500 MByte/s
DMI x4
4 x 1 Bit seriell,
vollduplex,
2-fache Datenrate,
8B10B Kode
1250 MHz
2 GByte/s
PCI Bus
32 Bit parallel,
Adress/DatenMultiplex
33 MHz
133 MByte/s
USB
1 Bit seriell,
halbduplex,
1-fache Datenrate,
NRZI Kode
480 MHz
60 MByte/s
Serial ATA
1 Bit seriell,
halbduplex,
1-fache Datenrate,
8B10B Kode
1500 MHz
150 MByte/sec
16 Bit parallel,
1-fache Datenrate
66 MHz
133 MByte/sec
IDE
(UDMA/133,
ATA/ATAPI-7)
IDE
DDR-RAM
USB
DDR-RAM
PowerConnector
P5AD2-E von
Asus
LGA 775
Intel
82925XE
Audio
Motherboard
Intel Pentium 4
DDR-RAM
Layout:
CPULüfter
DDR-RAM
Parallel-Port
1.4 PC-Systeme
PCI Express x16 (Graphik)
PCI
PCI
Intel
ICH6R
Serial
ATA
PCI
PCI Express x1
PCI Express x1
Seriell-Port
Game-Port
1.4 PC-Systeme
Standard PCs sind problematisch für eingebettete Systeme wegen:
 Großem Platzbedarf
 Hohem Gewicht
 Hohem Energieverbrauch
 Geringer mechanischer Robustheit
 Standard-Betriebssysteme nicht echtzeitfähig
Abhilfe: IndustriePCs
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1.4 PC-Systeme
CPU-Karte
CPU
SpeicherErweiterungsKarte
IO-Karte
serielle IOKanäle
L2Cache
Speicher
parallele IOKanäle
CPU- Lokaler
PCISpeiBridge cher
Bustreiber
Bustreiber
...
Bustreiber
Backplane-Bus
Backplane
Mechanisch robuste PC-Variante zur Steuerung von eingebetteten Systemen, die hohe
Rechenleistung und Speicherkapazität benötigen und unkritisch bei Platzbedarf,
Energiebedarf und Gewicht sind, z.B. in der Robotik.
Vorteil: Software kann auf normalem PC entwickelt und fast direkt übernommen werden
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1.5 Modellierung
Da eingebettete Systeme neben digitalen zeitdiskreten
auch analoge zeitkontinuierliche Komponenten besitzen
können, kommen unterschiedliche Modelle zum Einsatz
Modell
kontinuierlich
statisch
dynamisch
diskret
statisch
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dynamisch
41
1.5 Modellierung
Zeitdiskrete Modelle:
Automaten
Petri-Netze
UML
Z-transformierte Übertragungsfunktion
...
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1.5 Modellierung
Beispiel: Zeitdiskretes Modell einer Steuerung „Fräsen einer Nut“
in einem eingebetteten System
z
y
x
Ausgangsstellung
Hilfsstellung
Reduzierpunkt
Nut-Ende
Nut-Tiefe
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1.5 Modellierung
Modellierung mit einem Automaten (Moore-Automat)
Ausgangszustand
Ausgangsposition
erreicht
Start
Eilgang
-z
.
Eilgang
-x
Reduzierpunkt
erreicht
Hilfsstellung
erreicht
Vorschub
-z
Nuttiefe
erreicht
Vorschub
+x
Nutende
Zustand/
Ausgabe
Übergang
Eilgang
+z
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1.5 Modellierung
Modellierung mit einem Petri-Netz
Start
Ausgangsposition
erreicht
Eilgang -z
Reduzierpunkt
erreicht
Vorschub -z
Nuttiefe
erreicht
Vorschub +x
Eilgang -x
Hilfsstellung
erreicht
Eilgang +z
-
Stellen
-
Transitionen
-
Marken
Nutende
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1.5 Modellierung
Zeitkontinuierliche Modelle:
Differentialgleichungen
Übertragungsfunktion (Zeit-/Bildbereich)
Sprungantwort (Zeit-/Bildbereich)
Zustandsraumdarstellung
Frequenz- und Phasengang
...
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1.5 Modellierung
Modellierung mit Differentialgleichungen
Eingangssignal
w(t)
System
(Übertragungsglied)
Ausgangssignal
x(t)
Differenzialgleichung n-ter Ordnung
F x n  ,...x,wm  ,...w,t   0
Beispiel: homogene lineare Differenzialgleichung:
x( n )  an1 x( n1)  ...  a1 x  a0 x  0
Lösung :
x(t )  Ck ek t  Ck e( k  jk )t  Ck e k t (cosk t  j sin k t )
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1.5 Modellierung
Modellierung mit Übertragungsfunktionen im Zeitbereich
w(t)
g(t)
g(t)
x(t)
g(t): Übertragungsfunktion (Gewichtsfunktion, Impulsantwort)
t
Faltung:
x(t )   g (t   )  w( )d  g (t ) * w(t )
0
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1.5 Modellierung
Modellierung mit Übertragungsfunktionen im Bildbereich
W(s)
G(s)
g(t)
X(s)
W(s), G(s), X(s): Laplace-Transformierte von w(t), g(t), x(t)
Laplace-Transformation:

F s   L f t    ets f t dt
0
mit s = δ + jω
Aus der Faltung wir im Bildbereich (Laplace-Bereich) eine Multiplikation:
X(s) = G(s) ∙ W(s)
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1.5 Modellierung
Steuerung und Regelung: Steuerung
Sollwert
(Führungsgröße)
w(t)
Steuersignal
u(t)
Steuerglied
Stellgröße
y(t)
Stellglied
Steuergröße
x(t)
Umfeld/
Strecke
Offene Wirkungskette
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1.5 Modellierung
Steuerung und Regelung: Regelung
Störungen
Regelabweichung Reglersignal
Stellgröße
u(t)
e(t)
y(t)
+
Sollwert
StellRegler
(Führungsgröße)
glied
w(t)
xr(t)
Istwert (gemessene
Größe)
Regelgröße
x(t)
Umfeld/
Strecke
Messglied
Geschlossene Wirkungskette
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