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Einführung

Anwendungsgebiete

• ES werden in unterschiedlichen Bereichen verwendet: ** Autos ** Flugzeuge ** Züge ** Mobiltelefone ** Gesundheitssektor ** Sicherheit ** TVs ** Fabriken ** Intelligente Gebäude ** Logistik (RFID) - Tracking von Objekten ** Robotik

Wichtige Eigenschaften

• dependable ** Reliability - Probability that system will not fail ** Maintainability - Probability that failing system can be repaired within certain timeframe ** Availability - Probability that system is available ** Safety - System will not cause any harm ** Security - confidential data remains confidential and authentic communication is guaranteed
• efficient ** Energie ** Laufzeiteffizienz ** Codegröße ** Gewicht/Masse der Hardware ** Kosten

ES müssen oftmals Echtzeitbedingungen umsetzen. Zwei Arten:

• harte Bedingungen - Nicht-Einhalten führt zu Katastrophe
• weiche Bedingungen - alle anderen Zeitbedingungen

weitere Eigenschaften

• reaktiv
• hybrid - analoge und digitale Bestandteile
• DUI - dedicated user interface

Herausforderungen im Design von ES

• Software muss auf Hardware abgestimmt werden
• ¬funktionale Bedingungen müssen eingehalten werden ** Echtzeitbedingungen ** Energieeffizienz ** Dependability - Verlässlichkeit
• Zeitmanagement ist eine der größten Herausforderungen
• Concurrency (Nebenläufigkeit) ist essentiell
• Kombinieren von Komponenten ist wichtig für Design
• traditionelle sequentielle Prog.Sprachen sind nicht ideal

Designflow

• rounded boxes - stored info

• rectangles - transformations on data

• application knowledge -> specification -> HW components -> system software => design repository -> design -> [test] | | [application mapping]

• [optimization]

• [evaluation & validation]

• [test]

• Figure 1.6 page 13

Spezifikationen und Modellierung

Bedingungen

• Model: Simplification of another entity, which can be a physical thing or another model. The model contains exactly those characteristics and properties of the modeled entity that are relevant for a given task. A model is minimal with respect to a task if it does not contain any other characteristics than those relevant for the task.

Modelle werden in Sprachen beschrieben. Sprachen sollten folgende Eigenschaften aufweisen (Wunschliste):

• Hierarchie ** Verhaltshierarchien - enthalten für Beschreibung des Systemverhaltens notwendige Objekte, z.B. Zustände, Events ** Strukturhierarchien - beschreiben physische Komponenten des Systems
• Komponenten-basiertes Design - Verhalten des Systems muss von Verhalten der Komponenten ableitbar sein
• Nebenläufigkeit
• Synchronisation und Kommunikation
• Zeitverhalten (timing behavior) ** elapsed time (vergangene Zeit) seit X ** Verzögern von Prozessen für spezifizierte Zeit ** being able to specify timeouts ** Fähigkeit Deadlines und Schedules zu spezifizieren
• Zustandorientiertes Verhalten
• Eventhandling
• Ausnahmeorientiertes Verhalten
• Vorhandensein von Programmierelementen
• Ausführbarkeit
• Support für Design großer Systeme
• Support für Anwendungsdomain
• Lesbarkeit
• Portabilität und Flexibilität
• Termination - feasible to identify processes which will terminate from the specification
• Support für ¬Standard I/O-Devices
• ¬funktionale Eigenschaften
• Support für Design von verlässlichen (dependable) Systemen
• keine Hindernisse für Generierung effizienter Implementierungen
• angemessenes MoC (Model of Computation)

Models of computation (Berechnungsmodelle)

• MoCs definieren: ** Komponenten ** Kommunikationsprotokolle

Beziehungen zwischen diesen Punkten können in Graphen festgehalten werden.

Models of Communication:

• shared memory
• message passing ** async message passing - non-blocking communication ** sync message passing - blocking communication, rendez-vous based communication ** extended rendez-vous, remote invocation

Organisation von Berechnungen innerhalb der Komponenten

• Von-Neumann Modell
• discrete event model
• endliche Automaten
• Differentialgleichungen

Kombinierte Modelle: Tatsächliche Sprachen kombinieren normalerweise ein Kommunikationsmodell mit einer Organisation von Berechnungen innerhalb der Komponenten.

Beispiele:

• StateChart - kombiniert endliche Automaten mit shared memory
• SDL - kombiniert asynchrones message passing with endlichen Automaten
• ADA, CSP - kombinieren von-Neumann mit synchronem message passing

Figure 2.7 page 34

Hardware

Input

Sensoren:

• Beschleunigungssensoren
• Regensensoren
• Bildsensoren (charge-coupled devices und CMOS)
• biometrische Sensoren
• künstliche Augen
• RFID
• andere Sensoren

Sensoren erzeugen Signale.

Diskretisierung von Zeit: Sample-and-hold circuits

• messen eines Wertes aus dem kontinuierlichen Zeitspektrum
• gemessener Wert wird für bestimmte Zeitdauer weitergeleitet
• danach zurück zur Messung des Wertes
• Output gleicht damit diskreten Werten (gleicher Wert für bestimmte Zeitdauer)

Diskretisierung von Werten: A/D Konverter

• Flash A/D converter ** large number of comparators ** each comparator has two inputs (+ and -) ** if voltage at + larger than at - -> logical 1, otherwise logical 0

Processing Units

• Energie"verbrauch" ist wichtigste Beschränkung in ES

ASICs (Application-specific circuits)

• hohe Kosten
• sehr gute Performance für sehr kleinen Anwendungsbereich
• keine Flexibilität

Prozessoren

• Flexibilität
• Energieeffizienz ist wichtig - Compiler müssen so effizient sein wie möglich
• müssen nicht kompatibel mit PC-Prozessoren sein
• Dynamic power management ** power saving states (idle and sleep) ** changes between states
• Dynamic voltage scaling ** reduced voltage means significantly less power consumption ** only linear increase of runtime of algorithms
• Code-size efficiency ** CISC machines (Complex Instruction Set Processors) ** Kompressionstechniken
• Laufzeiteffizienz

Reconfigurable Logic

application areas:

• fast prototyping
• low volume applications
• realtime systems

Memories

• großer Geschwindigkeitsunterschied zw. Prozessoren und Memories
• kleinere Memories wichtig, da sie schnellere Zugriffszeiten bieten
• mehrere kleine Speicher für häufig genutzte Instruktionen und Daten plus ein größerer Speicher für restliche Daten und Instruktionen bieten i.A. höhere Energieeffizienz
• Scratch Pad memories (SPMs) als Alternative zu Caches

Communication

• Informationen können durch Kanäle transportiert werden
• physische Entitäten, die Kommunikation ermöglichen heißen Kommunikationsmedien
• wichtige solche Medien: ** drahtlose Medien (Infrarot, RFID) ** optische Medien (Glasfaser) ** Kabel

Requirements

• Echtzeitverhalten
• Effizienz
• angemessende Bandbreite und Kommunikationsverzögerung
• Support für eventbasierte Kommunikation
• Robustheit
• Fehlertoleranz
• Wartbarkeit, Diagnosefähigkeit
• Datenschutz

Elektrische Robustheit