Lernen Sie Hardware/Software-CoDesign für eingebettete Systeme

Inhalte des Kurses

Der erste Teil befasst sich mit Möglichkeiten zur Spezifikation Eingebetteter Systeme.

Zunächst wird analysiert, welche Anforderungen solche Spezifikationsmechanismen idealerweise erfüllen sollten. Anhand von Statecharts sollen die Teilnehmer mit einem Spezifikationsmechanismus für Eingebettete Systeme vertraut werden, der in der Industrie (insbesondere in der Automobilindustrie) weit verbreitet ist und als Ausgangspunkt einer (häufig automatischen) Codegenerierung verwendet wird.

Danach wird mit VHDL eine Sprache vorgestellt, die in der Praxis überwiegend eingesetzt wird, um Hardwaresysteme zu beschreiben. Es wird vermittelt, welche Vorteile durch die Verwendung einer technologieunabhängigen, standardisierten Sprache entstehen, die es erlaubt, Spezifikationen auf verschiedenem Abstraktionslevel zu erstellen.

Schließlich wird mit SystemC eine Sprache vorgestellt, die es erlaubt, sowohl Hardware als auch Software im gleichen Formalismus zu spezifizieren. Der Umgang mit Statecharts, VHDL und SystemC wird jeweils anhand praktischer Übungen erlernt.

Im zweiten Teil wird die Implementierung von eingebetteten Systemen behandelt.

Zunächst werden ausgehend von einem Überblick über die grundsätzlichen Fragen und Problemstellungen im Hardware/Software-Codesign die Synthese von Hardware und die damit verbundenen verschiedenen Entwurfsebenen behandelt. Dabei lernen die Teilnehmer, wie auf Basis einer Beschreibung auf hoher Abstraktionsebene (automatisch) „tatsächliche“ Hardware generiert werden kann.

Die Informationsverarbeitung spielt in diesem Zusammenhang auch eine wichtige Rolle. Verschiedene Kostenmaße und Realisierungsmöglichkeiten werden diskutiert, die zur Abwägung von Anforderungen bezüglich Performanz, Energieverbrauch, Qualität und weiterer Kriterien verwendet werden können.
Anschließend werden verschiedene Konzepte von  Mikrocontroller-Prozessorarchitekturen vorgestellt. Hierbei werden insbesondere die spezifischen Eigenschaften herausgearbeitet, welche die Konzepte je nach Optimierungsziel für bestimmte Anwendungsdomänen besonders geeignet machen.

Das Ende des zweiten Teils des Kurses vermittelt Einblicke in Speicherarchitekturen für eingebettete Systeme. In diesem Kontext wird vor allem auf die Bedeutung von Scratchpads eingegangen und ein Überblick über die Methoden des Speichertests gegeben.

Der dritte Teil widmet sich der schaltungstechnischen Sicht der Hardware eingebetteter Systeme.

Den Ausgangspunkt bildet zunächst der Inverter als einfachstes Grundgatter der digitalen Schaltungstechnik.

Die fundamentalen Zusammenhänge zwischen den Entwurfsparametern und den Designzielen beim Inverter lassen sich auch auf komplexere Logikgatter anwenden. Daher wird das statische und dynamische Verhalten des am häufigsten verwendeten Inverter-Typs, des CMOS-Inverters, im Detail untersucht.

Es wird darüber hinaus gezeigt, wie sich die Entwurfsparameter auf die Designziele auswirken, welche Trade-Offs dabei entstehen, und wie die Dimensionierung von Logikschaltungen für vorgegebene Spezifikationen vorgenommen werden kann. Dabei werden die einzelnen Entwurfsschritte nachvollziehbar dargestellt. Diese beinhalten die Struktur und die Dimensionierung von CMOS-Schaltungen, spezielle MOS-Strukturen wie Transmission-Gates und dynamische Logikschaltungen, sowie den physikalischen Entwurf als Layout der Schaltungen.

Ebenfalls betrachtet wird die Implementierung sequentieller Schaltungen bis hin zum Mikroprozessor-Design. Auch die technische Realisierung von Speicher ist Gegenstand dieses Modulteils. Den Abschluss bildet die Erörterung von Platzierung, Verdrahtung und Energieversorgung von Schaltungsteilen auf einem Chip (ASIC).

» Kursbeschreibung auf der Webseite des Studiengangs IEMS

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