Embedded Systems 1 - KIT

Embedded Systems 1 KIT

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M. H.

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M. H.

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Diese Lernkarten behandeln die Grundlagen von Embedded Systems auf Universitätsniveau, mit Fokus auf Hardwarebeschreibungssprachen wie VHDL und Verilog, sowie auf Syntheseverfahren und Systemdesign. Sie decken Themen wie Logiksynthese, Layoutsynthese, Scheduling, und die Verwendung von Paketen und Bibliotheken ab. Diese Karteikarten richten sich an Studierende und Ingenieure, die sich mit der Entwicklung und Optimierung von Embedded Systems beschäftigen, und bieten praktische Einblicke in die Gestaltung und Implementierung von Schaltungen.

Cartes-fiches

Utilisateurs

Langue

Allemand

Catégorie

Informatique

Niveau

Université

Créé / Mis à jour

09.02.2013 / 10.02.2026

Fichiers de cartes similaires

VHDL: Zeitliche Signalzuweisung

Es können mehere Wert/Zeit-Paare angegeben werden.

VHDL: Die Simulation in VHDL ist

zeitbasiert

eventbasiert

zeitbasiert

eventbasiert

VHDL: Simulation Ablauf

ELABORAION: Schaltungsaufbau
INITIALIZATION: Ausgangswerte seten, Prozesse aktivieren
EXECUTION

Durchführung mehrerer Delta-Zyklen bis zustand stabil

process evaluation (abarbeitung bis END oder WAIT)
signal update (signaländerungen aktivieren prozesse die ein Delta später durclafen werden.

Erhöhung der Simulationszeit bis zum nächsten Eintrag in der Ereignisliste

Gründe für den Einsatz von ES.

Komforterhöhung in einfachen Geräten
Reduktion Größe und Gewicht
Erhöhung Mobilität
Erhöhung Effizienz / Funktionalität
Erhöhung der Sicherheit
Erhöhung der Wartbarkeit
Reduktion Produktionskosten
Senken des Energieverbrauches

HL-Synthese: Ablauf

Verhaltensspezifikation
compilieren
Zwischenformat
optimieren
opt. Zwischenformat
Synthese
RT-Beschreibung

HL-Synthese: Zwischenformate

Kontrollfluss-Information (Petri-Netze)
Datenfluss-Information (Datenflussgraph)
Verbindung zwischen Kontroll- und Datenfluss
Ausgangspukt für Synthese
möglichst geeignet für formale Verifikation

z.B.:

Synthese: Ziel

Erzeuge möglichst

kleine (Aufgabe der Allokation) und
schnelle (Aufgabe des Schedulings) Schaltung

Scheduling: List - Ablauf

Knoten werden nach Länge der Pfade sortiert (prio)
Bestimme ablaufbereite OPs
max Prio zuordnen auf freie Resourcen bis voll
nächster Zeitpunkt

Force directed: Distribution Graph

Summe der Wahrscheinlichkeiten eines OP typen zum Zeitpunkt t ausgeführt zu werden

HL-Synthese: Verbesserungen

Busse minimieren
Register minimieren
Zeibedingungen berücksichtigen (interface-synthese)
schleifen / verzweigungen berücksichtigen

HL-Synthese: Verträglichkeitsgraph

Knoten: variablen
Kanten: zwischen Knoten deren lebensdauer sich nicht uberlappen
dann: bildung von cliquen (knoten die alle untereinander verbunden sind) [np-hart]

HL-Synthese: Konfliktgraph

Knoten: variablen
Kanten: zwischen variablen deren lebenszeiten sich überlappen
dann: Graphfärbung mit minimaler #farben (zwei verbundene knoten dürfen nicht die gleiche frabe haben) [np-hart]

Path-based scheduling Vorteile/Nachteile

+ Gute Ergebnisse

- Keine Unterstützung für Optimierung von Bussen, Registern, Schnittstellen etc.

- Keine Schleifen abrolltechniken

- Keine berücksichtigung von pipelining

- keine unterstützung für das umsortieren von instruktionen

Logiksynthese: Zustandskodierung

entspricht optimaler binärer Darstellung der Zustände

Optimal: einfache Zustandsübergangsfunktionen ermöglichen sparsamen Flächenverbrauch.

benötigte Zustandsbits r>=ceil(log2 n)
[r: #bits ; n: #Zustände]

Es gibt n! Arten die Kodewörter auf n Zustände abzubilden (Lösung ist NP-hart)

Logiksynthese: Zustandskodierungen, Gängige Kodierungen

Binärkodierung (00, 01, 10, 11)
Gray-Kodierung (00, 01, 11, 10
1-aus-n-kodierung (1000; 0100; 0010; 0001)
Zufallskodierung
Greedy-Kodierung

Layoutsynthese: Platzierungsproblem

läßt sich auf TSP reduzieren => daher NP-hart

heuristik ist erforderlich

Zieltechnologien: Vollkundenentwurf

Entwurf; Fertigungsvorbereitung; Fertigung; Nutzung

Entwurf
- Individuelle Optimierung der Platzierung und Dim der Transistoren auf dem Chip
Fertigungsvorbereitung
- Individuelle Erstellung aller Fertigungsmasken
Fertigung
- Individuelle Durchführung aller Fertigungsschritte
Nutzung
- Hoch optimiert für (nur) eine Anwendung

Zieltechnologien: Standardzellen / Makrozellen

Entwurf; Fertigungsvorbereitung; Fertigung; Nutzung

Entwurf
- Platzierung standardisierter Teilschaltungen (Zellen) auf Chip
Fertigungsvorbereitung
- Individuelle Erstellung aller Fertigungsmasken
Fertigung
- Individuelle Durchführung aller Fertigungsschritte
Nutzung
- Hoch optimiert für (nur) eine Anwendung

Zieltechnologien: Gate-Array / Sea-of-Gate

Entwurf; Fertigungsvorbereitung; Fertigung; Nutzung

Entwurf
- Verdrahtung vorgegebener Felder von Transistoren
Fertigungsvorbereitung
- Individuell werden nur Verdrahtungsmasken erstellt
Fertigung
- Vorratsfertigung der Transistorfelder, individuelle Verdrahtung
Nutzung
- Ohne Verdrahtung allgemein nutzbar, mit Verdrahtung wie Standardzellen-ICs

Zieltechnologien: Auswahlkriterien

Entwurfs- und Fertigungszeiten
Kosten (Stückzahl)
Fertigungsaufwand
Chipkomplexität (Gatter, I/O)
Taktraten
Zuverlässigkeit
...

Definition Embedded System (ES) ?

Commandes clavier:

= tourner,

= avant/arrière,

= faire défiler

Thaller [1997] : Bei eingebetteten Systemen handelt es sich um einen durch Software kontrollierten Computer oder Mikroprozessor, der Teil eines größeren Systems ist, dessen primäre Funktion nicht rechenorientiert ist.

Anwendungen finden sich in:

Wehrtechnik
Luft- und Raumfahrt
Automobilbau
Konsumelektronik
bei Messgeräten
peripheren Einheiten in der Computerindustrie.

Welche Typen (Systemarten) von Embedded Systems (ES) gibt es?

Commandes clavier:

= tourner,

= avant/arrière,

= faire défiler

Transformierende Systeme
Interaktive Systeme
Reaktive Systeme

Wie erstellt man ein reaktives System?

Commandes clavier:

= tourner,

= avant/arrière,

= faire défiler

Variante 1:

Vorgabe von Echtzeitschranken (Ada, VHDL)
Realisierung (Compiler, Hardwaresynthese müssen diese einhalten
Nachteil: u.U. existiert gar keine Realisierung

Variante 2:

keine Vorgabe von Echtzeitschranken (synchrone Sprachen)
möglichst effiziente Realisierung
danach Prüfung des Echtzeitverhaltens (Codeanalyse, Prototypen)

Besonderheiten bei Synchronen Sprachen

Commandes clavier:

= tourner,

= avant/arrière,

= faire défiler

zeitverbrauch wird explizit programmiert, alle anderen anweisungen benötigen keine zeit
Ausgaben erfolgen deshalb im selben schritt wie deren eingaben

Was is ein Problem von Sychronen Sprachen

Commandes clavier:

= tourner,

= avant/arrière,

= faire défiler

Kausalitätszyklen => nicht reaktive systeme, nicht deterministische systeme

Wie geht man mit Kausalitätszyklen um?

Commandes clavier:

= tourner,

= avant/arrière,

= faire défiler

Rückwärtsfluss von Informationen
Unterschied zu konstruktiven Programmen ???

Was für grafische Varianten von synchronen Sprachen gibt es?

Commandes clavier:

= tourner,

= avant/arrière,

= faire défiler

Argos
Synccharts
STATEMATE

Eigenschaften von grafischen Synchronen Sprachen

Commandes clavier:

= tourner,

= avant/arrière,

= faire défiler

???

Besonderheiten von VHDL gegenüber klassischen Programmiersprachen?

Commandes clavier:

= tourner,

= avant/arrière,

= faire défiler

Nebenläufigkeit
Signale
Zeitmodelle
Modulkonzept

Zeitmodelle in VHDL, Verzögerungsmodelle

Commandes clavier:

= tourner,

= avant/arrière,

= faire défiler

Transport
Inertial
Reject Inertial

Unterschiede VHDL, Verilog

Datentypen (Verilog keine abstrakten Datentypen)
Zeitmodell (Verilog genaueres Zeitmodel)
Module statt Entity (Verilog hat Module, einfacher) Verilog eher geeignet für RT- und Gatterbeschreibung weniger für Verhaltensbeschreibung

Entwurf: Welche Schritte gibt es, und was ist deren Ergebnis?

Verhaltensspec
High-Level-Synthese
RT-Beschreibung
Logik-Synthese
Gatterbeschreibung
Layout-Synthese / Floorplan
geometrie beschreibung

Ist ES def scharf?

nein

Bsp: Set-Top box ist rechenorientiert

Was ist ein Transformierendes System

ES das einmal gestartet wird und dann keinerlei Interaktion mit der Umgebung hat

z.B. 'Streaming' Anwendungen

Was ist ein Interaktives System?

laufen kontinuierlich, fordern Benutzer zu interaktion auf. Versuchen möglichst wenig auslastung durch interaktion zu haben

(weiche echtzeitanfoderung)

Was ist ein reaktives system?

läuft kontinuierlich, muss zu jedem zeitpunkt auf interaktion mit der umgebung reagieren können

(harte echtzeitanfoderung)

Was ist Esterel ?

Synchrone Sprache

Vorgehen bei Hardware Synthese? (Hauptschritte)

HL Synthese
Logik Synthese
Layout Synthese

Spektrum Eingebetteter Systeme

komplexe Aufgaben
- Standard HW
- Standard OS
- Standard SW
sehr komplexe Aufgaben (mobil, echtzeit)
- Standard HW mit Eigenentwicklungen
- zugeschnittenes OS
- Standard SW mit Eigenentwicklungen
spezielle Aufgaben
- Prozessorkern (mC, DSP) plus eigene HW
- kein OS, formale System beschr.
- Spezial SW
sehr spezielle Aufgaben
- einfache mC oder DSP plus eigene HW
- Kein OS, C oder Assember
- Sehr spezielle Software

Eigenschaften von Esterel? (allgemein Synchrone Sprachen)

Reaktivität
Determinismus
log. Korrektheit

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Cartes-fiches

Zieltechnologien: Gate-Array / Sea-of-Gate

Entwurf; Fertigungsvorbereitung; Fertigung; Nutzung

Entwurf
- Verdrahtung vorgegebener Felder von Transistoren
Fertigungsvorbereitung
- Individuell werden nur Verdrahtungsmasken erstellt
Fertigung
- Vorratsfertigung der Transistorfelder, individuelle Verdrahtung
Nutzung
- Ohne Verdrahtung allgemein nutzbar, mit Verdrahtung wie Standardzellen-ICs