Verfügbarkeit: Eingebettete Systeme

Eingebettete Systeme: Entwurf, Modellierung und Synthese

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Hauptverfasser:	Bringmann, Oliver 1971- (VerfasserIn), Lange, Walter (VerfasserIn), Bogdan, Martin 1964- (VerfasserIn)
Format:	Buch
Sprache:	German
Veröffentlicht:	Berlin ; Boston De Gruyter Oldenbourg [2018]
Ausgabe:	3., durchgesehene und überarbeitete Auflage
Schriftenreihe:	De Gruyter Studium
Schlagworte:	Eingebettetes System Elektrotechnik Logiksynthese Computerarchitektur Personal Computer Systementwurf Technische Informatik Lehrbuch
Online-Zugang:	Inhaltsverzeichnis
Beschreibung:	XIV, 428 Seiten Illustrationen, Diagramme 24 cm x 17 cm
ISBN:	9783110518511 3110518511

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adam_text	INHALTSVERZEICHNIS 1 EINFUEHRUNG, BAUFORMEN UND TECHNOLOGIEN 1 1.1 BEGRIFFSBESTIMMUNG UND BEISPIELE................................................................. 1 1.2 SYSTEMKATEGORIEN............................................................................................. 3 1.3 TYPISCHER A UFBAU.......................................................................................... 4 1.3.1 BEISPIELE FUER SENSOREN UND A KTOREN ............................................................. 8 1.4 CYBER-PHYSISCHE SYSTEME (CYBER PHYSICAL SYSTEMS) .................................. 8 1.5 VERTEILTE SYSTEME............................................................................................ 11 1.6 BAUFORMEN VON EINGEBETTETEN SYSTEMEN..................................................... 12 1.6.1 PROZESSORARTEN ............................................................................................... 15 1.7 SCHALTKREISE FUER EINGEBETTETE SYSTEME.......................................................... 17 1.7.1 HERSTELLER KONFIGURIERTE SCHALTKREISE............................................................... 17 1.7.2 ANWENDERKONFIGURIERBARE SCHALTKREISE.......................................................... 18 1.8 ZUSAMMENFASSUNG.......................................................................................... 26 2 ENTWICKLUNGSMETHODIK 27 2.1 KUNDENANFORDERUNGEN UND SPEZIFIKATION..................................................... 28 2.1.1 NICHTFUNKTIONALE ANFORDERUNGEN .................................................................. 28 2.1.2 LASTENHEFT........................................................................................................ 31 2.1.3 PFLICHTENHEFT ................................................................................................... 33 2.1.4 SPEZIFIKATION................................................................................................... 34 2.2 DER BEGINN EINER ENTWICKLUNG...................................................................... 35 2.2.1 DER ARCHITEKTURBEGRIFF................................................................................... 35 2.3 HARDWARE/SOFFCWARE-CO-ENTWURF.................................................................... 37 2.4 SOFTWARE-ENTWICKLUNG...................................................................................... 38 2.4.1 DAS WASSERFALLMODELL..................................................................................... 38 2.4.2 DAS SPIRALMODELL............................................................................................ 40 2.4.3 AGILE SOFTWARE-ENTWICKLUNGSMETHODEN ........................................................ 40 2.4.4 DIE PROJEKT-ENTWICKLUNGSMETHODE SERUM ................................................... 41 2.4.5 PROGRAMMENTWICKLUNG................................................................................... 43 2.4.6 ENTWICKELN VON KLASSENDIAGRAMMEN MIT CRC-KARTEN............................... 44 2.4.7 ENTWURFSMUSTER............................................................................................. 46 2.5 HARDWARE-ENTWICKLUNGSMETHODIK................................................................. 47 2.5.1 DIE PRODUKTIVITAETSLUECKE ................................................................................ 47 2.5.2 DIE ABSTRAKTIONSEBENEN................................................................................ 48 2.5.3 EVOLUTION DER ENTWICKLUNGSMETHODEN.......................................................... 52 2.6 PLATTFORMBASIERTER ENTW URF........................................................................... 60 2.6.1 BEISPIELE VON ENTWICKLUNGSPLATTFORMEN ........................................................ 61 2.7 TRANSACTION-LEVEL-MODELLIERUNG (T L M )....................................................... 64 2.8 DIE MODELLBASIERTE ENTWICKLUNGSMETHODE ................................................... 65 2.9 ENERGIEBEDARF VON ELEKTRONISCHEN SYSTEMEN................................................ 67 2.10 ZUSAMMENFASSUNG .......................................................................................... 70 3 MODELLE 71 3.1 DEFINITION EINES M ODELLS................................................................................ 71 3.2 PROGRAMM-MODELLE......................................................................................... 72 3.3 MODELLKATEGORIEN............................................................................................ 73 3.4 MODELLE AUF SYSTEM- UND ALGORITHMISCHER EBENE: BERECHNUNGSMODELLE ... 75 3.4.1 PROZESSBASIERTE BERECHNUNGSMODELLE UND -NETZWERKE ................................ 76 3.4.2 KAHN-PROZESS-NETZWERKE (K P N )................................................................... 77 3.4.3 DATENFLUSS-NETZWERKE..................................................................................... 79 3.4.4 PROZESS-KALKULI (PROCESS CALCULI)................................................................. 81 3.5 ZUSTANDSBASIERTE MODELLE .............................................................................. 82 3.5.1 PETRI-NETZE...................................................................................................... 82 3.5.2 STATEC HARTS..................................................................................................... 84 3.5.3 PROZESS-ZUSTANDSMASCHINEN........................................................................... 87 3.6 UNIFIED MODELING LANGUAGE (UM L) ............................................................. 88 3.7 TRANSACTION-LEVEL-MODELLIERUNG (T L M )....................................................... 89 3.7.1 MODELLIEREN DER KOMMUNIKATION MIT T L M S................................................ 91 3.7.2 DAS NETZWERK-TLM....................................................................................... 92 3.7.3 PROTOKOLL-TLM UND BUS-ZYKLUSGENAUES MODELL........................................... 93 3.8 MODELLIEREN AUF RT-EBENE............................................................................. 94 3.8.1 DAS GRUNDLEGENDE VERHALTENSMODELL AUF RT-EBENE.................................... 94 3.8.2 DAS STRUKTURMODELL AUF RT-EBENE (PCAM) .............................................. 97 3.9 MODELLE AUF LOGIK-EBENE .............................................................................. 98 3.10 ZUSAMMENFASSUNG .......................................................................................... 98 4 BESCHREIBUNGSSPRACHEN FUER DEN SYSTEMENTWURF 101 4.1 VHDL - EINE HARDWARE-BESCHREIBUNGSSPRACHE............................................102 4.1.1 GRUNDLEGENDER A UFBAU................................................................................... 104 4.1.2 DAS SPRACHKONZEPT..........................................................................................107 4.1.3 DIE SCHALTUNGSBESCHREIBUNG ...........................................................................108 4.1.4 SIGNALE UND DATENTYPEN................................................................................. 112 4.1.5 ZUWEISUNGEN UND DIE NEUNWERTIGE STANDARD LOGIK.......................................116 4.1.6 OPERATIONEN..................................................................................................... 119 4.1.7 DIE EVENTGESTEUERTE VHDL-SIMULATION UND DER DELTA-ZYKLUS .................... 121 4.1.8 DER VHDL-PROZESS..........................................................................................124 4.1.9 BEISPIELE EINFACHER PROZESSBESCHREIBUNGEN .................................................... 128 4.1.10 GENERISCHE KOMPONENTEN MIT GROESSEREN DATENBREITEN ................................. 132 4.1.11 KONFIGURATIONSANWEISUNGEN............................................................................ 136 4.1.12 DER VHDL-PROZESS ALS BESCHREIBUNG FUER SCHALTWERKE..................................137 4.1.13 BEISPIEL EINES SIMULATIONSTREIBERS IN V H D L.................................................142 4.1.14 VHDL-ATTRIBUTE............................................................................................. 144 4.1.15 UNTERPROGRAMME UND PACKAGES ..................................................................... 146 4.1.16 TYP-KONVERTIERUNGEN...................................................................................... 149 4.1.17 DIE ASSERT-ANWEISUNG .................................................................................... 152 4.1.18 SIMULATIONSBEISPIEL FUER EIN ZWEIPROZESSORSYSTEM .......................................... 152 4.1.19 ENTWURF ENERGIESPARENDER HARDWARESYSTEME MIT VHDL ............................ 157 4.1.20 IMPLEMENTIERUNG VON POWER GATING MIT UPF UND VHDL ......................... 158 4.1.21 ZUSAMMENFASSUNG........................................................................................... 159 4.2 DIE SYSTEM-BESCHREIBUNGSSPRACHE SYSTEM C ................................................. 159 4.2.1 GRUNDLAGEN VON SYSTEMC ............................................................................... 161 4.2.2 BEISPIEL EINES SYSTEMC-MODULS..................................................................... 164 4.2.3 SIMULATIONSSEMANTIK........................................................................................173 4.2.4 TRANSACTION-LEVEL-MODELLIERUNG MIT SYSTEMC ............................................. 174 4.2.5 RTL-MODELLIERUNG MIT SYSTEM C ................................................................... 175 4.2.6 ZUSAMMENFASSUNG........................................................................................... 176 5 EINGEBETTETE SOFTWARE 177 5.1 BETRIEBSSYSTEME...............................................................................................177 5.1.1 WANN KANN AUF EIN BETRIEBSSYSTEM VERZICHTET WERDEN?................................177 5.1.2 KONZEPTE VON BETRIEBSSYSTEMEN..................................................................... 180 5.1.3 PROZESSE............................................................................................................ 180 5.1.4 AUFGABEN UND SCHICHTENMODELL EINES BETRIEBSSYSTEMS................................183 5.1.5 ARTEN VON BETRIEBSSYSTEMEN.......................................................................... 185 5.1.6 STRUKTUREN VON BETRIEBSSYSTEMEN..................................................................186 5.1.7 ECHTZEITBETRIEBSSYSTEME UND ECHTZEITSYSTEME ............................................. 188 5.1.8 ZEITABLAUFPLANUNG IN ECHTZEITBETRIEBSSYSTEMEN............................................189 5.1.9 PRIORITAETSUMKEHR............................................................................................. 194 5.1.10 PRIORITAETSVERERBUNG..........................................................................................195 5.1.11 BETRIEBSSYSTEM-BEISPIELE FUER EINGEBETTETE SYSTEME ................................... 196 5.2 COMPILER...........................................................................................................199 5.3 PROGRAMM-OPTIMIERUNGEN..............................................................................200 5.3.1 PROGRAMM-OPTIMIERUNG AUF HOEHERER E B E N E .................................................200 5.3.2 MINIMIERUNG DES ENERGIEBEDARFS IN PROGRAMMEN ........................................ 201 5.3.3 OPTIMIERUNG DER PROGRAMMGROESSE..................................................................202 5.4 PERFORMANZABSCHAETZUNGEN UND ZEITVERHALTEN (TIMING ANALYSE) ................. 203 5.4.1 TLM-BASIERTE PERFORMANZ-ABSCHAETZUNG........................................................203 5.4.2 PERFORMANZ-ABSCHAETZUNG AUS COMPILER-OPTIMIERTEM MASCHINENCODE ....... 206 5.5 SOFTWARE-SYNTHESE........................................................................................... 215 5.5.1 HERAUSFORDERUNGEN DER SOFTWARE-ENTWICKLUNG ............................................. 215 5.5.2 SOFTWARE-SYNTHESE VON EINGEBETTETEN SYSTEMEN .......................................... 216 5.5.3 CODE-GENERIERUNG IN DER SOFTWARE-SYNTHESE.................................................218 5.6 ZUSAMMENFASSUNG........................................................................................... 224 6 HARDWARE-SYNTHESE 225 6.1 SYNTHESE AUF VERSCHIEDENEN ABSTRAKTIONSEBENEN .......................................... 225 6.2 SYNTHESE AUF SYSTEMEBENE NACH GAJSKI ......................................................... 226 6.3 HIGH-LEVEL-SYNTHESE........................................................................................231 6.3.1 DIE WESENTLICHEN SCHRITTE DER HIGH-LEVEL-SYNTHESE.......................................237 6.3.2 ALLOKIERUNG....................................................................................................... 238 6.3.3 ZEITABLAUFPLANUNG (SCHEDULING)..................................................................... 240 6.3.4 RESSOURCEN-BINDUNG........................................................................................262 6.3.5 STEUERWERKSYNTHESE..........................................................................................276 6.4 REGISTER-TRANSFER- UND LOGIKSYNTHESE............................................................279 6.4.1 ELABORATION......................................................................................................280 6.4.2 OPTIMIERUNG ARITHMETISCHER TEILNETZE........................................................... 282 6.4.3 LOGIKSYNTHESE UND TECHNOLOGIEABBILDUNG......................................................286 7 VERIFIKATION, SIMULATION UND TEST 295 7.1 VERIFIKATION SIMULATION UND VALIDIERUNG........................................................295 7.2 SIMULATION....................................................................................................... 296 7.2.1 EINE SIMULATIONSANORDNUNG............................................................................ 296 7.2.2 SIMULATION AUF LOGIK- UND TECHNOLOGIEEBENE ............................................... 298 7.2.3 SOFTWARE-SIMULATION........................................................................................299 7.2.4 DEBUGGING IN EINGEBETTETEN SYSTEMEN ......................................................... 299 7.2.5 SOFTWARE-DEBUGGING........................................................................................299 7.2.6 HARDWARE-DEBUGGING...................................................................................... 300 7.3 FORMALE VERIFIKATION.........................................................................................302 7.3.1 AUSSAGEN-LOGIK...............................................................................................303 7.3.2 PRAEDIKATENLOGIK ERSTER ORDNUNG: FO L........................................................... 304 7.3.3 MODEL CHECKING...............................................................................................304 7.3.4 HIGHER ORDER LOGIC..........................................................................................305 7.4 WERKZEUGE FUER MODELLIERUNG UND SIMULATION ............................................... 305 7.5 TEST................................................................................................................... 307 7.5.1 BEGRIFFSBESTIMMUNGEN, BLACK-BOX- UND WHITE-BOX-TEST ............................ 308 7.5.2 EIN KLASSISCHES FEHLERMODELL .......................................................................... 309 7.5.3 TESTMUSTER....................................................................................................... 309 7.5.4 JTAG BOUNDARY-SCAN .................................................................................... 310 7.6 ZUSAMMENFASSUNG............................................................................................312 8 MIKROPROZESSOR-GRUNDLAGEN 313 8.1 EVOLUTION DER MIKROPROZESSOREN..................................................................... 313 8.2 MIKROPROZESSOREN IN EINGEBETTETEN SYSTEMEN...............................................314 8.2.1 MIKROPROZESSOR-ARCHITEKTUREN ........................................................................ 315 8.2.2 EIN- UND AUSGABE DURCH BEFEHLE UND INTERRUPTS..........................................320 8.2.3 SPEICHER-SYSTEME.............................................................................................322 8.2.4 WOZU BRAUCHEN WIR CACHES?.......................................................................... 323 8.2.5 HAUPTSPEICHER..................................................................................................327 8.2.6 FESTWERTSPEICHER (ROM).................................................................................329 8.2.7 BEFEHLS-VERARBEITUNGSMETHODEN UND PIPELINING ..........................................330 8.2.8 PERFORMANZ....................................................................................................... 334 8.2.9 LEISTUNGSAUFNAHME-STEUERUNG (POWER MANAGEMENT) ................................... 335 8.2.10 EIN-AUSGABE-GERAETE UND SCHNITTSTELLEN ....................................................... 337 8.3 MIKROCONTROLLER................................................................................................ 339 8.3.1 NIEDRIGPREIS-MIKROCONTROLLER.......................................................................... 339 8.3.2 MIKROCONTROLLER HOEHERER LEISTUNG..................................................................340 8.4 MULTI-CORE- UND MEHRPROZESSORSYSTEME ....................................................... 340 8.5 MIKROPROZESSOR-FAMILIEN.................................................................................342 8.6 ZUSAMMENFASSUNG........................................................................................... 350 9 KOMMUNIKATION UND NETZWERKE 351 9.1 DAS ISO-OSI-REFERENZMODELL ........................................................................ 351 9.2 DER PARALLELE B US.............................................................................................354 9.2.1 SCHEMA EINES BUSTREIBERS............................................................................... 355 9.2.2 BUS-KOMMUNIKATION........................................................................................357 9.2.3 BUS-ZEITABLAUFPLAENE........................................................................................357 9.2.4 MULTIPROZESSOR- UND MULTIBUS-SYSTEME ......................................................... 361 9.2.5 BEKANNTE BUS-PROTOKOLLE.................................................................................363 9.2.6 AMBA-BUS-SYSTEME........................................................................................363 9.3 NETZWERKE......................................................................................................... 371 9.3.1 KOMMUNIKATIONSMODI.................................................................................... 372 9.3.2 NETZWERK-TOPOLOGIEN......................................................................................372 9.3.3 DATENFORMATIERUNG......................................................................................... 374 9.4 BUSAEHNLICHE NETZWERKE ODER SERIELLE B U SSE................................................... 375 9.4.1 DER 72C-B US................................................................................................... 377 9.4.2 DER CAN-BUS..................................................................................................379 9.4.3 FLEXRAY, LIN UND MOST............................................................................... 381 9.4.4 PROFIBUS (PROCESS FIELD BUS).......................................................................... 382 9.4.5 WEITERE VERBINDUNGSNETZWERKE FUER VERTEILTE SYSTEME ................................... 384 9.5 SYNCHRONISIERUNG.............................................................................................385 9.5.1 KOMMUNIKATIONSPRIMITIVE..............................................................................385 9.5.2 SYNCHRONISIERUNG VON PROZESSORELEMENTEN .................................................... 388 9.6 SENSORNETZWERKE................................................................................................390 9.6.1 DRAHTLOSE SENSORNETZWERKE..............................................................................390 9.6.2 EINSATZ VON SENSORNETZWERKEN, TOPOLOGIE .................................................... 391 9.6.3 KOMMUNIKATION IM SENSORNETZWERK...............................................................393 9.6.4 DER SENSOR KNOTEN ........................................................................................... 401 9.6.5 BEISPIELE VON SENSORKNOTEN............................................................................ 403 9.6.6 KOMMUNIKATIONSSTANDARDS FUER DRAHTLOSE NETZWERKE ...................................... 405 9.7 ZUSAMMENFASSUNG............................................................................................ 407 LITERATURVERZEICHNIS 409 INDEX 419
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