zwei Folien pro Seite - CES
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Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />
Vorlesung im Sommersemester 2005<br />
Modellbildung zur Bewertung und<br />
Optimierung von eingebetteten Systemen<br />
Institut für Rechnerentwurf und Fehlertoleranz<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
(Prof. D. Schmid)<br />
Dr. M. Syrjakow<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
Organisatorisches<br />
Termin: Montags, 11:30 - 13:00, wtl.<br />
(Sommersemester 2005)<br />
Ort: Raum 062, Gebäude 20.20<br />
Prüfbar: Schwerpunktgebiete<br />
Entwurf eingebetteter Systeme<br />
Systemtechnik<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
Dr. Michael Syrjakow<br />
1<br />
2<br />
1
Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />
Literatur: Wird jeweils bekanntgegeben<br />
Skript: <strong>Folien</strong> sind im Postscript und PDF-Format<br />
auf der WWW-<strong>Seite</strong> zur Vorlesung unter<br />
folgender Adresse erhältlich:<br />
http://goethe.ira.uka.de/people/syrjakow/mod_vorlesung/seiten/modvorl.html<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
Organisatorisches<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
Who is Who?<br />
Michael Syrjakow<br />
Raum 061.3 (Geb. 20.20), Tel.: 608-4258<br />
syrjakow@ira.uka.de<br />
http://goethe.ira.uka.de/~syrjakow/<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
Dr. Michael Syrjakow<br />
3<br />
4<br />
2
Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />
√ Organisatorisches<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
Inhalt der Vorlesung<br />
Übersicht über die Vorlesung<br />
System und Modell<br />
Verfahren zur Leistungsbewertung von<br />
– Rechen- und Kommunikationssystemen<br />
– Eingebetteten Systemen<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
Inhalt der Vorlesung<br />
Leistungsbewertung durch modelltheoretische Verfahren<br />
– Allgemeine Vorgehensweise bei der Modellierung<br />
– Modellierungstechniken<br />
Modellauswertung durch Simulation<br />
– Einführung in die rechnergestützte Simulation<br />
– Teil<strong>pro</strong>bleme bei der rechnergestützten Simulation<br />
– Simulationswerkzeuge<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
Dr. Michael Syrjakow<br />
5<br />
6<br />
3
Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
Inhalt der Vorlesung<br />
Zukunftstechnologien in der Modellierung und Simulation<br />
– Java<br />
– World Wide Web<br />
– Komponenten<br />
Fallstudien zur modellbasierten Leistungsanalyse<br />
– Speichergekoppeltes Multi<strong>pro</strong>zessorsystem<br />
– Vernetzung eingebetteter Systeme durch ein<br />
Feldbussystem<br />
Modelloptimierung<br />
– Problemstellung<br />
– Vorgehensweise<br />
– Verfahren<br />
– Fallstudien<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
Inhalt der Vorlesung<br />
Zusammenfassung und Ausblick<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
Dr. Michael Syrjakow<br />
7<br />
8<br />
4
Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />
Charakterisierung eingebetteter Systeme<br />
Bei eingebetteten Systemen handelt es sich um einen durch<br />
Software kontrollierten Computer oder Mikro<strong>pro</strong>zessor,<br />
der Teil eines größeren Systems ist, dessen primäre<br />
Funktion nicht rechenorientiert ist.<br />
Anwendungen finden sich in der Wehrtechnik, Luft- und<br />
Raumfahrt, Automobilbau, Konsumelektronik, bei<br />
Messgeräten und peripheren Einheiten in der<br />
Computerindustrie.<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
Charakterisierung eingebetteter Systeme<br />
Eingebettete Systeme werden eigens für spezielle<br />
Anwendungen entworfen und führen dedizierte Funktionen<br />
innerhalb eines Gesamtsystems aus.<br />
Eingebettete Systeme bestehen aus Hard- und Software.<br />
Neben Standardhardware wie Mikro<strong>pro</strong>zessoren bzw.<br />
Mikrokontrollern wird häufig auch speziell entworfene<br />
Hardware verwendet (z.B. MPEG-Dekoder in der<br />
Videotechnik, etc.)<br />
Eingebettete Systeme können Echtzeitsysteme sein,<br />
müssen es allerdings nicht.<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
Dr. Michael Syrjakow<br />
9<br />
10<br />
5
Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />
Charakterisierung eingebetteter Systeme<br />
Speicher<br />
Prozessor<br />
Schematische Darstellung eines eingebetteten Systems<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
Kopplung<br />
ASIC<br />
eingebettetes System<br />
Systemumgebung<br />
Prozessor<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
Dr. Michael Syrjakow<br />
- Standard<br />
Komponente<br />
Bedeutung eingebetteter Systeme<br />
Nahezu neun Zehntel aller elektronischen Bauelemente<br />
sind in Geräten implementiert, die als eingebettete Systeme<br />
bezeichnet werden.<br />
Eingebettete Systeme sind heute auf breiter Front in alle<br />
Bereiche der Technik eingedrungen.<br />
Die Hauptgründe für das große Interesse an eingebetteten<br />
Systemen sind<br />
– Fortschritte in Schlüsseltechnologien (Mikroelektronik,<br />
formale Methoden) und die sich daraus ergebende<br />
– Vielfalt von Anwendungen<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
11<br />
12<br />
6
Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />
Gefahrenpotential eingebetteter Systeme<br />
Eingebettete Systeme haben immer dann ein großes<br />
Risikopotential, wenn es sich um Echtzeitanwendungen<br />
handelt, wenn also harte Forderungen in Bezug auf das<br />
Zeitverhalten existieren.<br />
Dieses Gefahrenpotential wird häufig nicht erkannt oder in<br />
seiner Auswirkungen unterschätzt.<br />
Um das Risikopotential zu minimieren, bedarf es eines<br />
systematischen Entwicklungs- und Bewertungs<strong>pro</strong>zesses.<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
Vorlesungsziele<br />
Grundlegende Einführung in Methoden zur Bewertung<br />
und Optimierung von eingebetteten Systemen, mit<br />
Hauptaugenmerk auf dem (digitalen) elektronischen<br />
Systemanteil (Speicher-Prozessor-Bus Ebene).<br />
Ausgangspunkt: Konventionelle Methoden zur Bewertung<br />
und Optimierung von Rechen- und Kommunikationssystemen.<br />
Anschließend: Anpassungen und Erweiterungen<br />
hinsichtlich der speziellen Problematik eingebetteter<br />
Systeme.<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
Dr. Michael Syrjakow<br />
13<br />
14<br />
7
Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
Fallstudien<br />
Speichergekoppeltes Multi<strong>pro</strong>zessorsystem mit<br />
Mehrfachbus<br />
Vernetzung eingebetteter Systeme durch ein<br />
Feldbussystem mit Multi-Master-/Slave-<br />
Zugriffsverfahren<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
Speichergekoppeltes Multi<strong>pro</strong>zessorsystem<br />
mit Mehrfachbus<br />
PE 1 PE 2 PE p<br />
P1 P2 Pp LS2 LS1 ···<br />
LB 1 LB 2 LB p<br />
GS 1 GS 2<br />
·<br />
···<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
Dr. Michael Syrjakow<br />
LS p<br />
GS s<br />
GB 1<br />
GB 2<br />
GB b<br />
15<br />
16<br />
8
Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />
Vernetzung eingebetteter Systeme<br />
durch ein Feldbussystem<br />
Feldbus-<br />
Komponente<br />
SW<br />
Anwendungs-<br />
<strong>pro</strong>zeß<br />
BUS<br />
HW<br />
HW<br />
SW<br />
Prozeß<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
Logischer Tokenring<br />
Aktive Teilnehmer T a<br />
Prozeß<br />
SW<br />
HW<br />
SW<br />
HW<br />
Prozeß<br />
Passive Teilnehmer T p<br />
Prozeß<br />
SW<br />
HW<br />
SW<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
Dr. Michael Syrjakow<br />
HW<br />
Prozeß<br />
Modellierungstechniken<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
Anwendungsgebiete:<br />
• Automobiltechnik<br />
• Gebäudeautomatisierung<br />
Warteschlangennetze und deren Erweiterungen<br />
ankommende<br />
Aufträge<br />
Petrinetze und deren<br />
Erweiterungen<br />
Bedienstation<br />
Warteschlange<br />
gerichtete Kante<br />
1<br />
n<br />
identische<br />
n<br />
Bedieneinheiten<br />
Platz p<br />
Marke<br />
Transition t<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
bediente<br />
Aufträge<br />
zur<br />
Eingangsplätze<br />
t<br />
Transition<br />
zur<br />
Ausgangsplätze<br />
t<br />
Transition<br />
17<br />
18<br />
9
Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />
Erweitertes Warteschlangenmodell des speichergekoppelten<br />
Multi<strong>pro</strong>zessorsystems mit Mehrfachbus<br />
Bedienstation1<br />
P λ<br />
3<br />
P 1<br />
1<br />
3<br />
1<br />
3<br />
1<br />
3<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
GS 3<br />
GS 1<br />
GS 2<br />
µ<br />
GB<br />
Bedienstation2<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
Dr. Michael Syrjakow<br />
µ<br />
µ<br />
Bedienstation3<br />
Bedienstation4<br />
GSPN-Modell des speichergekoppelten<br />
Multi<strong>pro</strong>zessorsystems mit Mehrfachbus<br />
1<br />
3<br />
t 5<br />
t 8<br />
p 1<br />
t 1<br />
p λ<br />
3<br />
p4 p5 p6 t 2<br />
t 3<br />
t 4<br />
1<br />
1<br />
3<br />
3<br />
P<br />
GB<br />
p 2<br />
p7 p8 p9 p10 p11 p12 t6 t 7<br />
GS1 GS2 GS3 t 9<br />
t µ µ µ<br />
10<br />
P 4<br />
P 2<br />
P 5<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
19<br />
20<br />
10
Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />
Noch ein GSPN-Modell des speichergekoppelten<br />
Multi<strong>pro</strong>zessorsystems mit Mehrfachbus<br />
P2<br />
t6<br />
P9<br />
P2<br />
T11<br />
m9*µ<br />
t5<br />
P8<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
P2<br />
T10<br />
m8*µ<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
P2<br />
t4<br />
P7<br />
P2<br />
T9<br />
m7*µ<br />
t3<br />
P6<br />
P1<br />
T1<br />
T8<br />
m6*µ<br />
P1 P1 P1 P1<br />
P3<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
Dr. Michael Syrjakow<br />
m1*λ<br />
P4<br />
t2<br />
P5<br />
T7<br />
m5*µ<br />
Parameteroptimierung von Simulationsmodellen<br />
mit direkten Optimierungsverfahren<br />
ß<br />
e<br />
z<br />
o<br />
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s<br />
p<br />
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Prozeß-<br />
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u<br />
la<br />
S<br />
im<br />
Parametervektor<br />
{<br />
x1 Modelleingabeparameter<br />
Direkte Optimierungsstrategie<br />
Zielfunktionswert<br />
synchronisation x Schnittstelle<br />
x<br />
x 2<br />
x n<br />
Simulationsmodell<br />
fM D⊂ : R n R → m<br />
Modellausgabegrößen<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
} am a1 a2 F( )<br />
21<br />
22<br />
11
Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />
Simulationsbasierte Zielfunktionen<br />
Multi<strong>pro</strong>zessorsystem Feldbussystem<br />
F<br />
x1<br />
x2<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
Direkte Optimierungsverfahren<br />
Genetische Algorithmen<br />
Simulated Annealing<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
global lokal<br />
Dr. Michael Syrjakow<br />
F<br />
hybrid<br />
x1<br />
Hill-Climbing Methoden<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
x2<br />
23<br />
24<br />
12
Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />
Ziel des Systementwurfs:<br />
Prototypische<br />
Realisierung<br />
Zu entwickelndes System<br />
- Funktionale Spezifikation<br />
- Lösungsprinzipien<br />
- Technologie<br />
Modellbildung<br />
u<br />
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Systemmodell<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
g<br />
n<br />
u<br />
lis<br />
ie<br />
r<br />
R<br />
e<br />
a<br />
Optimierung<br />
experimentelle<br />
realen System<br />
am<br />
Modelloptimierung<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
System und Modell<br />
Der Systembegriff und sein Umfeld<br />
System:<br />
Dr. Michael Syrjakow<br />
“optimale“ Systeme<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
System*<br />
g<br />
n<br />
u<br />
lis<br />
ie<br />
r<br />
R<br />
e<br />
a<br />
Systemmodell*<br />
• Abgegrenzte Anordnung von aufeinander einwirkenden Gebilden<br />
[Lexikon der Informatik und Datenverarbeitung].<br />
• Solche Gebilde können sowohl Gegenstände als auch<br />
Denkmethoden und deren Ergebnisse (z.B. Organisationsformen,<br />
mathematische Methoden, Programmiersprachen) sein.<br />
• Diese Anordnung wird durch eine Hüllfläche von ihrer Umgebung<br />
abgegrenzt oder abgegrenzt gedacht.<br />
25<br />
26<br />
13
Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />
Der Systembegriff und sein Umfeld<br />
Weitere Systemdefinitionen:<br />
Menge von miteinander in Beziehung stehender Teile<br />
(Komponenten), die zu einem gemeinsamen Zweck interagieren.<br />
[Forrester 72]<br />
Ein von seiner Umwelt abgegrenzter Wirklichkeitsbereich<br />
[Schmidt 85]. Ein reales System ist immer offen, d.h. es<br />
steht mit seiner Umwelt in Beziehung.<br />
Sehr allgemeine Begriffsdefinitionen, die sich auf alle<br />
Formen von Systemen (technische, biologische, soziale,<br />
organisatorische, etc.) anwenden lassen.<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
Der Systembegriff und sein Umfeld<br />
In dieser Vorlesung werden technische Systeme betrachtet.<br />
Technisches System:<br />
System, das ausschließlich aus technischen Bestandteilen<br />
besteht. [Lexikon der Informatik und Datenverarbeitung]<br />
Die Beschreibung eines technischen Systems umfasst dessen<br />
statische Struktur (Systemkomponenten und deren<br />
Verknüpfung über Schnittstellen) sowie dessen dynamisches<br />
Verhalten, das durch die im System ablaufenden<br />
Prozesse festgelegt wird.<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
Dr. Michael Syrjakow<br />
27<br />
28<br />
14
Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />
Prozess:<br />
Der Systembegriff und sein Umfeld<br />
Geschlossener Vorgang in einem System, bei dem Materie,<br />
Energie und/oder Information umgeformt wird und/oder<br />
transportiert wird. [DIN 66201]<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
Der Systembegriff und sein Umfeld<br />
Systemanalyse:<br />
• Systematische Untersuchung komplexer Systeme mit dem Ziel, den<br />
Entscheidungsverantwortlichen umfassende Informationen über die mit<br />
ihren Handlungsmaximen und Handlungsalternativen verbunden<br />
zur Verfügung zu stellen. [Page 91]<br />
Konsequenzen<br />
Systemtheorie:<br />
• Allgemeine Theorie des Zusammenhangs zwischen Struktur und Verhalten<br />
von Systemen. Gesucht wird nach Grundprinzipien, die gleichermaßen für<br />
alle Systeme gelten, die in den unterschiedlichen wissenschaftlichen<br />
Disziplinen erforscht werden. [Page 91]<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
Dr. Michael Syrjakow<br />
29<br />
30<br />
15
Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />
System–<br />
eingang<br />
System–<br />
elemente<br />
System–<br />
eingang<br />
Grundlegende Systembegriffe<br />
S 1<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
S 4<br />
Systemumgebung<br />
System<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
Dr. Michael Syrjakow<br />
3 S3 S<br />
Rückkopplungen<br />
Grundlegende Systembegriffe<br />
Systemelement:<br />
• Nicht weiter unterteilbare oder als nicht weiter unterteilbar<br />
betrachtete Komponenten eines Systems, denen Eigenschaften<br />
zugeordnet werden können.<br />
(Attribute)<br />
Zustandsvariable:<br />
Veränderliche Eigenschaft eines Systems.<br />
•<br />
Zustand des Systems:<br />
• Menge der Werte aller Zustandsvariablen zu einem bestimmten<br />
Zeitpunkt.<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
S 2<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
System–<br />
ausgang<br />
31<br />
32<br />
16
Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />
Grundlegende Systembegriffe<br />
Systemverhalten:<br />
Zustandsfolgen, die sich ergeben, wenn sich die Werte der<br />
Zustandsvariablen im Verlauf der Zeit ändern.<br />
Komplexität eines Systems:<br />
Hängt von der Anzahl der Systemelemente und deren<br />
Beziehungen (kausale Beeinflussungen) untereinander<br />
(Verflechtungsgrad) ab.<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
Grundlegende Systembegriffe<br />
Offenes System:<br />
Steht mit seiner Umwelt (Systemumgebung) in Beziehung;<br />
reale Systeme sind praktisch immer offen.<br />
Geschlossenes System:<br />
Im Idealfall ein System, auf das keinerlei Umwelteinflüsse<br />
einwirken.<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
Dr. Michael Syrjakow<br />
33<br />
34<br />
17
Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />
Grundlegende Systembegriffe<br />
Statisches System:<br />
Der Systemzustand bleibt unverändert im Zeitverlauf.<br />
Dynamisches System:<br />
Der Systemzustand ändert sich im Zeitverlauf.<br />
h<br />
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KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
Einteilung dynamischer Systeme<br />
d<br />
n<br />
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Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
Dr. Michael Syrjakow<br />
a Kontinuierliche<br />
Systeme<br />
b Systeme diskreter<br />
Ereignisse<br />
c Diskrete Systeme<br />
d Ganzzahlige<br />
zeitdiskrete Systeme<br />
e Sonderfall von b) aber<br />
ohne festes Zeitraster:<br />
Ereignisorientierte<br />
diskrete Systeme<br />
35<br />
36<br />
18
Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />
Einteilung dynamischer Systeme<br />
Deterministische Systeme:<br />
• Systeme mit deterministischem Verhalten. Dieses liegt dann vor, wenn<br />
eine eindeutige Folge von Zuständen bzw. Abläufen gegeben ist, d.h.<br />
eine Ursache mit Notwendigkeit zu einer bestimmten Wirkung führt.<br />
Stochastische Systeme:<br />
• Systeme mit stochastischem Verhalten. Dieses liegt dann vor, wenn<br />
keine eindeutige Folge von Zuständen bzw. Abläufen gegeben ist, d.h.<br />
ein und dieselbe Ursache zu verschiedenen Wirkungen führen kann.<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
Einteilung dynamischer Systeme<br />
Gemischte oder hybride Systeme:<br />
Systeme, die aus verschiedenartigen Teilsystemen<br />
zusammengesetzt sind.<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
Dr. Michael Syrjakow<br />
37<br />
38<br />
19
Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />
Beziehung “System - Modell“<br />
Die gleichen Definitionen, die für Systeme aufgestellt<br />
wurden, können auch auf Modelle angewandt werden.<br />
Zu beachten ist:<br />
Bei der Modellbildung muss der Typ des Modells nicht mit<br />
dem Typ des Systems übereinstimmen.<br />
In den meisten Fällen liegt hier sogar keine<br />
Übereinstimmung vor.<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
Modelle<br />
Modelle sind das Ergebnis des Vorgangs der Modellbildung,<br />
bei dem Systeme auf Modelle abgebildet werden.<br />
Modelle sind selbst wiederum Systeme, die aber die<br />
Elemente und Relationen des Ursprungssystems in<br />
veränderter Weise darstellen. [Page 91]<br />
Modelle sind materielle oder immaterielle Systeme, die<br />
andere Systeme so darstellen, dass eine experimentelle<br />
Manipulation der abgebildeten Strukturen und Zustände<br />
möglich ist. [Niemeyer 77]<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
Dr. Michael Syrjakow<br />
39<br />
40<br />
20
Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />
Bedeutungsvielfalt<br />
– schwierig zu definieren<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
Der Modellbegriff<br />
– jede Definition greift zu kurz<br />
Ähnliche Probleme auch bei Begriffen aus dem Umfeld<br />
des Modellbegriffs<br />
– Original<br />
– Wirklichkeit<br />
– Abbild<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
Allgemeine Modelltheorie (Stachowiak, 1973)<br />
Original<br />
System<br />
(reales<br />
Modell)<br />
oder<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
Abstraktion<br />
Subjekt<br />
Zweck<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
Dr. Michael Syrjakow<br />
Modell<br />
Ab-<br />
(vereinfachtes<br />
des Originals)<br />
bild<br />
41<br />
42<br />
21
Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />
Prozess der Modellbildung beim Menschen<br />
Menschliches Bewusstsein<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
und<br />
Ordnen<br />
Interpretieren<br />
von Daten<br />
M odellaufbau<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
Wozu Modelle?<br />
Dr. Michael Syrjakow<br />
1<br />
Wirklichkeit<br />
Umwelt<br />
Originalsystem<br />
n<br />
a<br />
k<br />
tio<br />
tr<br />
s<br />
A<br />
b<br />
Abstraktes<br />
2 Systemmodell<br />
Abstraktes<br />
Systemmodell<br />
k<br />
u<br />
n<br />
g<br />
lis<br />
ie<br />
a<br />
I<br />
d<br />
e<br />
Abstraktes<br />
Systemmodell<br />
Durchführung von Experimenten, die am Original nicht durchgeführt<br />
•<br />
sollen, können oder dürfen<br />
werden<br />
• Verstehen eines Gebildes<br />
• Kommunizieren über ein Gebilde<br />
• Gedankliches Hilfsmittel zum Gestalten und Bewerten eines Gebildes<br />
• Spezifikation von Anforderungen an ein geplantes Gebilde<br />
Aufstellen/Prüfen von Hypothesen über beobachtete oder postulierte<br />
•<br />
Phänomene<br />
• Gefahrloses und kostengünstiges Training/Ausbildung<br />
• Ersatz für ein fehlendes oder defektes Originalsystem<br />
• Unterhaltung<br />
• etc.<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
43<br />
44<br />
22
Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />
Modelle in der Informatik<br />
• von zentraler Bedeutung aufgrund der hohen Komplexität von<br />
Informatiksystemen<br />
– permanente Erhöhung der (bereits zahlreichen)<br />
Abstraktionsebenen<br />
– zusätzliche orthogonale Sichten<br />
– Modell-getriebene Systementwicklung<br />
• grob klassifizierbar in<br />
– Modelle für die Informatik (als Hilfsmittel zum Verstehen,<br />
Konstruieren und Beurteilen von Informatiksystemen)<br />
– Modelle für Bereiche außerhalb der Informatik, die mit Mitteln der<br />
Informatik umgesetzt werden<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
Klassifikation von Modellen<br />
Möglichkeiten zur Klassifikation:<br />
Art der Untersuchungsmethode<br />
Abbildungsmedium<br />
Art der Zustandsübergänge<br />
Verwendungszweck<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
Dr. Michael Syrjakow<br />
45<br />
46<br />
23
Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />
Klassifikation nach Abbildungsmedium und<br />
Untersuchungsmethode<br />
materiell immateriell<br />
verbal<br />
Modelle<br />
informal<br />
grafischdeskriptiv<br />
mathematisch<br />
formal<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
grafischmathematisch<br />
analytisch simulativ analytisch simulativ<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
Dr. Michael Syrjakow<br />
• materielles Modell:<br />
Schiffsmodell<br />
• verbales Modell:<br />
umgangssprachliche Beschreibung<br />
• grafisch-deskriptives Modell:<br />
Flussdiagramm<br />
• mathematisches Modell:<br />
Gleichungssystem<br />
• grafisch-mathematisches Modell:<br />
Petri-Netz<br />
Klassifikation nach Art der Zustandsübergänge<br />
Modelle<br />
statisch dynamisch<br />
kontinuierlich diskret<br />
deterministisch stochastisch deterministisch stochastisch<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
47<br />
48<br />
24
Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />
Klassifikation nach dem Verwendungszweck<br />
Erklärungsmodelle<br />
Prognosemodelle<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
Modelle<br />
Gestaltungsmodelle<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
Literatur<br />
Modellierung und Simulation<br />
Dr. Michael Syrjakow<br />
Optimierungsmodelle<br />
Morgan, Byron J.: Elements of Simulation; Chapman and Hall, 1984.<br />
•<br />
Zeigler, B.P.: Multifacetted Modelling and Discrete Event Simulation;<br />
Academic Press, 1984.<br />
• Bernd Page: Diskrete Simulation; Springer, 1991.<br />
• Grams, Timm: Simulation: Strukturiert und objektorientiert <strong>pro</strong>grammiert;<br />
BI-Wissenschaftsverlag, 1992.<br />
• Liebl, Franz: Simulation: Problemorientierte Einführung; Oldenbourg, 1992.<br />
• Bossel, Hartmut: Modellbildung und Simulation; Vieweg, 1993.<br />
• Kaufmann, W.J.; Smarr, L.L.: Simulierte Welten; Spektrum Akademischer<br />
Verlag, 1994.<br />
• Fishwick, P.A.: Simulation Model Design and Execution: Building Digital<br />
Worlds; Prentice Hall, 1995.<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
49<br />
50<br />
25
Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />
Leistungsbewertung<br />
KARLSRUHE<br />
UNIVERSITÄT<br />
(M. Syrjakow)<br />
IRF<br />
Literatur<br />
Kobayashi, Hisashi: Modeling and Analysis - An Introduction to<br />
System Performance Evaluation Methodology; Addison-Wesley, 1978.<br />
MacNair, E.A.; Sauer, C.H.: Elements of Practical Performance<br />
Modeling; Prentice-Hall, 1985.<br />
Marsan, M.A.; Balbo, G.; Conte, G.: Performance Models of<br />
Multi<strong>pro</strong>cessor Systems; The MIT Press, 1986.<br />
Bolch, Gunter: Leistungsbewertung von Rechensystemen; B.G.<br />
Teubner-Verlag, Stuttgart, 1989.<br />
• Jain, Raj: The Art of Computer Systems Performance Analysis; Wiley, 1991.<br />
• Haas, M; Zorn, W.: Methodische Leistungsanalyse von Rechensystemen;<br />
OldenbourgVerlag; 1995.<br />
Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />
Dr. Michael Syrjakow<br />
51<br />
26