Kapitel 1: Einleitung Rechnertechnologie I Prof. Dr.-Ing. Sorin A ...

Eingebettete Systeme I 

Einleitung 

S. A. Huss / Folie 1-1 

1. Einleitung 

• Motivation 

• Generischer Entwurfsablauf 

• HW/SW Ko-Entwurf 

• Fundamentale Syntheseprobleme 

• HW Entwurf 

• HW Synthese


Motivation 



Anforderungen an die Entwickler eingebetteter HW/SW Systeme: 

• Sehr gute Kenntnisse in der Beschreibung (Modellierung) bzw. 

Analyse komplexer informationstechnischer Systeme. 

• Gute Kenntnisse in HW-Architekturen (Prozessoren, Koprozessoren, 

Intellectual Property-Module, verteilte Systeme). 

• Verständnis der ingenieurtechnischen Grundlagen der 

Anwendung sowie der Einsatzumgebung. 

• Grundkenntnisse in Schaltungstechnik und vor allem in der 

elektrischen Datenerfassung sowie -übertragung. 

• Sehr gute theoretische und praktische Kenntnisse in den Bereichen 

SW-Entwicklung, Kommunikations-SW und RealTime-OS. 

Ganz schön n viel, oder? 

Deswegen werden solche Leute auch sehr gesucht ...

Motivation 



Embedded C 

Services 

Network 

opamp 

asp 

Filters AD/DA 

RF 

System on 

IC 

Software 

Hardware 

gate 

memory 

RT-ops 

FSM 

µC 

dspP 

µP 

ASIP 

ASIC 

FPGA 

IP 

VHDL 

Design Software 

1960 70 80 90 2000 

Silicon Board 

OO 

cC++ 

2010 

t 

© H.De Man EiS’99 

S. A. Huss / Folie 1-3


Eingebettetes System 



Definition: 

Ein (Mikro-) Computersystem, das in ein technisches System 

eingebettet ist, welches selbst nicht als Computer erscheint. 

Kopplung 

Besonderheiten: 

• feste Funktionalität 

Speicher 

ASIC 

Standard- 

Komponente 

• kontrolliert und verarbeitet 

physikalische 

Größen 

• in der Regel sicherheitsund 

zeitkritisch 

Prozessor 

Prozessor 

Eingebettetes System (EbS) 

Systemumgebung 

• eingeschränkte Ressourcen


Beispiele 



• Telekommunikation: Vermittlungssysteme, Endgeräte, ... 

• Unterhaltungselektronik: Video, Audio, Spiele, ... 

• Bürotechnik: Drucker, Fax, ... 

• Fahrzeugtechnik: Motor, Getriebe, Bremsen, Navigation, ... 

• Avionik, Raumfahrttechnik, Automatisierungstechnik, ...


Anwendungen in PKW 



Aussagen aus der Entwicklung Elektrik/Elektronik, BMW AG: 

• 80% der Funktionen eines Fahrzeugs werden 

künftig in Software realisiert. 

• Integration der Softwarefunktionen ist ein zentrales Problem. 

• Gängige Softwareprodukte sind hierzu nicht geeignet 

nicht geeignet: 

Hinreichende Qualität, Sicherheit, garantiertes Zeitverhalten, ...


Anforderungen an EbS 



• Enge Kostengrenzen 

• Harte Zeitbedingungen 

• Nebenläufige Operation 

• Geringe Verlustleistung (z. B. in Mobiltelefon, PDA) 

• Sicherheit - einschließlich EMV (inbesondere in Kfz, Avionik) 

• Grösse, Gewicht, ...


Herausforderungen 

an den Entwurf 



System Specs -> 7th Heaven of Software 

People 

x[i]= 

fft(4πy[k])... 

UML 

C++, Java 

MATLAB 

200M+ transistor 

200M+ transistors 

SoC Architecture 

S 

A 

CAE, IP, VSIA 

Reality -> Hell of Physics 

© H.De Man EiS’99 

1V,1Watt 

VHDL


…Herausforderungen 



• Auswahl geeigneter Standard-Prozessoren 

• Entwurf anwendungsspezifischer Prozessoren 

• Design peripherer Hardware 

• Entwicklung der Anwendungssoftware 

und der Hardware-Treiber 

• Auswahl und Konfiguration des Laufzeitsystems 

• Integration der Komponenten und Systemtest


Entwurfsproduktivität 



• Kürzere Lebenszeit der Produkte 

• "Time to Market" wird immer wichtiger


Trends 



• Wachsender Umfang der Anwendungen 

• Grosse Systeme mit "Legacy"-Funktionen 

• Kombination von reaktiven und transformierenden 

Prozessen 

• Anforderungen an Flexibilität und Betriebssicherheit 

• Kürzere Entwicklungszeiten 

• Zeitpunkt der Markteinführung entscheidend 

• Kürzere Produktlebenszeiten 

• Zunehmende Komplexität t der Zielsysteme 

• Verdoppelung der Gatterzahl pro IC ca. alle 18 Monate 

• Kombination verschiedener Technologien, Prozessortypen, 

Entwurfsstile, Signaldomänen, ... 

• Grosse heterogene SoC - zusammengestellt aus einer 

Kombination von Komponenten (HW und/oder SW) 

verschiedener Lieferanten am IP Markt 

SoC: : System-on 

on-Chip IP: Intellectual Property


Lösungsansätze für den 

Systementwurf 



• Das drastische Wachstum der Produktivität ist nur durch 

Fortschritte in der Entwurfsautomatisierung und in der 

Wiederverwendung von Komponenten erreichbar. 

• Entwurf mit klaren Schnittstellen 

• Ausführbare/Synthetisierbare Beschreibung von Moduln 

• Enge Marktfenster erfordern einen "First-Time-Right" Entwurf 

• Verifikation der Spezifikation 

• Simulation des Entwurfs während der Entwicklung 

• Vergleich der Spezifikation mit der Implementierung 

• Strukturierung des Entwurfs durch Einführung von 

Abstraktionsebenen und Nutzung von Hierarchie. 

• Ein Entwurf kann mehrere Hierarchie- und 

Abstraktionsstufen enthalten ("Mixed-Level"). 

• Berücksichtigung von Standardkomponenten 

• Hardware- und Softwarefunktionen eingebetteter Systeme 

(EbS) müssen gleichzeitig entworfen werden. 

• HW/SW Ko-Entwurf ("co-design") 

• Ko-Simulation des Gesamtssystems


Entwurfsablauf für EbS 



Requirements 

Top-down 

Entwurf 

Specification 

Architecture 

Components 

Während des Ablaufs: 

• Analysiere den Entwurf im Hinblick 

auf die Anforderungen 

• Verfeinere den Entwurf, indem 

Details hinzugefügt werden 

• Überprüfe 

das Entwurfsergebnis, 

damit die Zielsetzungen erfüllt 

werden 

System Integration 

Bottom-up 

Entwurf


Anforderungen 



Aktivitäten: 

1. Befrage den Kunden und stelle alle funktionalen und 

nicht-funktionalen Anforderungen und Beschreibungen 

des Systems zusammen: Requirements 

2. Verfeinere und formalisiere die Anforderungen: Specification 

Einige nicht-funktionale Anforderungen: 

• Durchsatz 

• Fertigungskosten 

• Größe und Gewicht 

• Leistungsverbrauch


Beispiel MovMap: GPS Navigation 



Tragbares Gerät t zur fortlaufenden Darstellung einer Karte 

um die aktuelle Position des Benutzers 

Display: 

I-78 

Aktuelle 

Position 

Längen- und 

Breiten-Koord. 

lat : 40 13 

long: 32 19 

X 

Scotch Road


... GPS Navigation 



Requirements Chart 

Name: 

Purpose: 

Inputs: 

Outputs: 

Functions: 

Performance: 

Manufacturing cost: max. USD 100.- 

Physical size: 

4" x 6", 12 ounces 

GPS MovMap 

Moving map for driving use 

Power and two control buttons 

LCD display, 400x600 pixels, monochrome 

3 user-selectable resolutions, 

always display current lat. & long. coord., 

use 5-receiver GPS system 

update screen within 0.25 sec upon 

movement


Spezifikation 



Specs should be understandable enough for requirements verification 

and 

unambiguous enough for the designers to know what they need to construct. 

Einige GPS MovMap Spec Bestandteile: 

• Positionsdaten - von GPS Satelliten zu ermitteln 

• Kartendaten 

• Benutzungs-Interface 

• Durchzuführende Operationen 

• Aktionen im Hintergrund, z. B. Betrieb des 

GPS Empfängers


Architektur-Entwurf 



1. System-Architektur 

Noch keine Implementierungsdetails, wie Zuordnung von 

Teilfunktionen in SW oder HW 

Blockdiagramm des GPS MovMap 

GPS 

receiver 

Search 

engine 

Renderer 

Display 

Data base 

User interface


... Architektur-Entwurf 



2. Verfeinerung der System-Architektur 

Implementierung der 

Funktion Renderer 

in SW 

Hardware 

Software 

Pixel 

Display 

Frame 

Buffer 

CPU 

Database 

Search 

Renderer 

Memory 

Bus 

GPS 

Receiver 

Panel I/O 

User 

Interface 

Timer 

Position 

Architekturbeschreibungen müssen m 

sowohl alle funktionalen 

als auch sämtliche s 

nicht-funktionalen Anforderungen erfüllen.


Komponenten-Entwurf 



Eingebettete Systeme bestehen in der Regel aus 

• Standard-Komponenten 

GPS Empfänger, Prozessor, Speicher, Display, 

topographische Datenbank, ... 

• Applikationsspezifische Komponenten 

Anwendungs-SW, HW/SW Interaktion, 

dedizierte Schaltkreise, Platinen, ... 

Gute Ratschläge aus der Praxis: 

- Verwende soviele Standardkomponenten, SW-Pakete 

und verfügbare Dienstleistungen wie möglich. 

- Führe Entwicklungsarbeiten nur für die Schlüsselkomponenten 

des eingebetteten Systems durch. 

- Stelle ihre Integration in den Mittelpunkt der Entwicklung, 

damit alle Systemanforderungen erfüllt werden.


SW-dominierte EbS 



Warum wird anwendungsspezifische HW benötigt 

– 

die Funktionalität t lässt l 

sich doch in SW realisieren ! 

Man muss doch nur einen schnelleren 

Prozessor einsetzen – die Auswahl ist ja groß !! 

• Wohin mit dem Lüfter? 

• Wo bekommt man günstig Autobatterien 

und Rucksäcke für das mobile System? 

Nicht-funktionale 

Anforderungen 

bestimmen die 

Systemarchitektur… 

Der Kunde wird das alles sicherlich akzeptieren und auch 

bezahlen wollen – bei den Leistungen unseres Produktes!


EbS: HW-Architekturkomponenten 

in System-on-Chip Realisierung 



SoC


EbS Entwurfsaufgaben 



• Spezifikation 

• Partitionierung 

• Allokation 

• Scheduling/Ablaufplanung 

• Bindung 

• Evaluierung/Verifikation


Generischer Entwurfsablauf 


Einleitung


Hardware/Software Ko-Entwurf 



HW/SW Ko-Entwurf: 

Gemeinsamer Entwurf von Hardware und Software 

Ziele 

· Optimierung des Entwurfsprozesses 

-> Erhöhte Entwurfsproduktivität 

· Optimierung des Entwurfs 

-> Verbesserte Produktqualität 

Aufgaben 

· Ko-Spezifikation und Ko-Modellierung 

· Ko-Verifikation/-Simulation 

· Integration unterschiedlicher Entwurfsdomänen 

· Entwurfsoptimierung und Ko-Synthese

Ko-Synthese 



Ko-Synthese bestehend aus 

· Hardware/Software-Partitionierung, Komponentenauswahl 

· Hardware/Software-Scheduling 

· Softwaresynthese und Codegenerierung 

· Hardwaresynthese 

· Interface- und Kommunikationssynthese 

Anwendungen 

· Entwurfsraumexploration 

· Systemoptimierung 



Ko-Simulation 



Ziel: 

Erweiterung der bekannten Simulationstechniken auf 

Ko-Simulation von Hard- und Software zur Evaluierung 

des Verhaltens des Gesamtsystems 

Besonderheiten: 

• Unterschiedliche Sprachen (z. B. VHDL, C, C++, DSP-Assembler) 

• Unterschiedliche Abstraktionsebenen 

• Dynamische Wahl des Abstraktionsgrades zur 

Minimierung der Ausführungszeit 

Trend: 

Dies erfordert mehrere Modelle jeder Komponente ! 

SystemC als gemeinsame Sprache für f r eine ganzheitliche Spezifikation 

von Hardware und Software auf einer "mittleren" Abstraktionsebene. 

e.


Spezifikation 



Definition: 

Festlegung des Verhaltens und der Eigenschaften 

eines Systems im Sinne der Anforderungen. 

Beispiel eines Beschreibungmittels: Problemgraph 

Ein Problemgraph G (V,E) ist ein gerichteter Graph mit Knotenmenge 

V und Kantenmenge E, in dem jeder Knoten v i 

∈ V eine Aufgabe 

(Task, Prozeß, Anweisung, Elementaroperation) und jede Kante 

e = (v i 

, v j 

) ∈ E eine Datenabhängigkeit / Kommunikationsverbindung 

darstellt.


Partitionierung 



Definition: 

Aufteilung der Funktionalität unter Einhaltung von 

Entwurfsbedingungen (Kosten, Performanz, Speicherbedarf, 

Fläche, ...). 

Problemformulierung: 

Gegeben: O = {o 1 

, o 2 

, ..., o n 

} : Menge von Objekten 

Gesucht : P = {p 1 

, p 2 

, ..., p m 

} : Aufteilung der Objekte 

m 

so daß : p = O 

Υ 

i= 

1 

i 

p 

i 

∩ 

p 

j 

= 

{} ∀i, 

j : i ≠ j 

f(P) → min : Kostenfunktion


Begriffe 



• Strukturelle Partitionierung 

Die Architektur ist vorgegeben, die Funktionalität wird 

auf die Komponenten abgebildet. 

• Funktionale Partitionierung 

Das System wird in Funktionseinheiten zerlegt. 

• HW/SW Partitionierung 

Aufteilung des Systems in Hardware- und Software- 

Module. 

• Hierarchische Partitionierung 

Erleichtert die (Wieder-) Verwendung von Standardkomponenten 

bzw. IP-Moduln.


Allokation 



Zweck: 

Vorgabe der zur Verfügung stehenden Ressourcen. 

Definition: 

+ 

Eine Allokation ist eine Funktion α : Z , die jedem 

→ 0 

Ressourcentyp r k 

∈ V T 

die Anzahl α (r k 

) verfügbarer Instanzen 

zuordnet. 

V T


Ablaufplanung 



Zweck: 

Festlegung von Startzeiten der Aufgaben unter Berücksichtigung 

aller Datenabhängigkeiten im Problemgraphen. 

Definition: 

Ein Ablaufplan eines Problemgraphen (G (V, E)) ist eine 

+ 

Funktion τ : V → Z 0 

, die jedem Knoten v i 

∈ V die Startzeit 

zuordnet, so dass gilt: 

τ = τ 

i 

( v i 

) 

τ ( v ) ≥ τ ( v ) + d ∀( 

v , v ) ∈ 

i 

j 

j 

j 

i 

E


Bindung 



Zweck: 

Zuordnung von Aufgaben zu Ressourcentyp / Instanz 

Definition: 

Gegeben sei eine Spezifikation (G (V, E), G R 

(V R 

, E R 

)). 

Die Bindung ist ein Tupel von Funktionen (β,γ) mit 

T 

A 

i 

k 

T 

( vi 

β ( vi 

)) ∈ ER 

β : V → V mit β ( v ) = r ∈V 

und , ; 

( β ( )) 

γ : V → Z 

+ mit γ ( v i ) ≤ α v i 

B 

C 

MIPS 

DSP 

Mem 

D 

E 

ASIC 

Mem


Beispiel: Bindung 



Ablaufplanung und Bindung 

eines Problemgraphen


Hardware-Entwurf 



Abstraktionsebenen der HW in digitalen Systemen

Sichtweisen 

Verhalten 

Systemebene 



Algorithmische Ebene 

Struktur 

Systemspezifikation 

Algorithmen 

Register-Transfers 

Boolesche Gleichungen 

Differentialgleichungen 

RT-Ebene 

Logikebene 

Schaltungs- 

ebene 

Gatter,FF, Leitungen 

Transitoren 

Masken, Polygone 

Integrierter Schaltkreis 

Subsysteme,Busse 

Module, Leitungen 

Zellen 

Floorplan 

Geometrie 

Cluster 

Partitionierung 

Y-Diagramm 

nach D. Gajski 



Beispiel: 



EXOR-Gatter mit Verzögerung 

Verhalten : y = a*(not b) + (not a)*b 

delayed 5 ns 

Boolesche Funktion 

Struktur :


HW-Abstraktionen und Sichten 



Typische Inhalte: 

Abstraktion Struktur Verhalten 

System-Ebene CPU, Speicher, Busse Leistungsdaten 

(Durchsatz, ...) 

Algorithmische 

Ebene 

Register-Ebene 

μP, RAM, ROM 

UART 

ALU, Register, Zähler, 

Multiplexer 

E/A - Verhalten, 

nebenläufig notierte 

Algorithmen, 

Mikrooperationen 

Wahrheitstabellen, 

Zustandsgraphen, 

Mikrooperationen 

Logik-Ebene Gatter, Flip-Flop Boolesche Gleichungen 

Schaltungs-Ebene Transistor, R, L, C Differentialgleichungen 

Topologische Ebene 

geometrische Objekte 

(symbolisches Layout) 

- 

UART : 

RT: 

´universal asynchronous receiver / transmitter´ 

Register-Transfer


Parallelität und Pipelining 



Prinzipielle Vorgehensweisen zur Erhöhung der Rechenleistung: 

I. Erhöhung des Datendurchsatzes T 

II. Verringerung der Latenz L, d.h. Dauer einer Berechnung t exec 

Parallelverarbeitung 

Pipelining 

Nebenläufige Verarbeitung (´concurrency´): 

Pipelining und Parallelverarbeitung 

Charakteristisches Merkmal der Arbeitsweise von HW-Komponenten


Verfahren zur HW Synthese 



Zweck: 

Synthese bildet eine funktionale Spezifikation auf eine 

strukturelle Beschreibung ab. 

Aufgaben: 

Die drei Hauptprobleme der Synthese sind Allokation 

(Allocation), Ablaufplanung (Scheduling) und Bindung 

(Binding). Diese sind unabhängig von der 

Abstraktionsebene und davon, ob es sich um Hardware oder 

Software handelt. 

Vorgaben: 

Ausgangsspezifikationen sind der Problemgraph und 

der Ressourcengraph.


Begriffe 



Synthese (Verhalten => Struktur) : 

S:Synthese 

I: Implementierung 

G: Generierung 

• High-Level Synthese 

Architektursynthese, 

algorithmische Synthese 

• Register-Transfer 

Transfer-Level Synthese 

RT Synthese 

• Logik Synthese 

wird häufig RT Synthese zugeordnet


Abgrenzung 



Frage: Worin liegen die Unterschiede in den Syntheseverfahren 

für Eingebettete Systeme, HW/SW und HW? 

Antwort: 

1. Granularität der Aufgaben und der Verarbeitungseinheiten 

HW: Funktionsblock/Rechenwerk/Prozessor 

SW: Anweisung/Prozeß/Task 

2. Komplexität des Entwurfsobjekts 

3. Homogenität der Komponenten 

4. Anzahl der möglichen Lösungen

High-Level Synthese 



Ziel: Transformation einer formalen Verhaltensbeschreibung (HDL) auf 

eine das Verhalten realisierende, "geeignete" Struktur auf RT-Ebene. 

Voraussetzung: Entwurfsmodell (Zielarchitektur, generische 

Architektur) ist vorhanden. 

Allgemeine Zielarchitektur: Kommunizierende Verarbeitungseinheiten 

d.h. 'processing elements', PE 

GenerischeVerarbeitungseinheit: ♦ 

♦ 

♦ 

Steuerwerk ('control unit', CU) 

° Zustandsregister 

° Steuerlogik 

- Steuerung des DP 

- Kommunikation mit anderen PE 

Datenpfad ('data path', DP) 

° Speicher (REG, RAM) 

° Funktionseinheiten (ALU, ADD, MULT, 

MUX) 

° Busverbindungen 

Kommunikation zwischen CU und DP 

eines PE über Entscheidungs- und 

Kontrollvariable 



RT-Level Synthese 



Ziel: Erzeugung einer Netzliste auf Gatterebene unter Verwendung 

vorgegebener Zellbibliotheken. 

Voraussetzung: Beschreibung der Architektur auf RT-Ebene (HDL) 

Entwurfsschritte: 1. Erzeugung der impliziten Struktur auf RT-Ebene 

2. Logikminimierung 

3. Implementierung auf Gatterebene (´library 

mapping´) 

und Optimierung der Netzliste (Zeit ↔ Fläche) 

RT-Architekturbeschreibung: 

- explizit : (abstrakte) Netzliste 

- implizit : z. B. 'data flow' in VHDL


Zusammenfassende Übersicht 



Algorithmus 

Aufgaben: 

High-Level 

Synthese 

RT 

Synthese 

Logik 

Synthese 

Architektur 

Logik 

Gatter 

• Scheduling 

• Allokation 

• Register-Sharing 

• Speicher-Inferenz 

• Schleifen-Pipelining 

• Ressourcen-Sharing 

• Register-Inferenz 

• Arithmetische Optimierung 

• Sequentielle Optimierung 

• Redundanz-Elimination 

• Logik-Minimierung 

• Technology Mapping

Kapitel 1: Einleitung Rechnertechnologie I Prof. Dr.-Ing. Sorin A ...

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