Sommersemester 2016

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Eingebettete Systeme treten heute in vielen technischen und zunehmend auch biologischen Systemen auf.Ihre Anwendungsbereiche haben in den letzten Jahren stark zugenommen. Als eingebettete Systeme (embedded systems) werden heterogene Systeme bezeichnet, die aus einem oder mehreren vernetzten Rechnerkernen sowie digitaler und analoger Hardware bestehen. Sie können auch noch eine Vielzahl weiterer Systemkomponenten, je nach Anwendungsfall, enthalten. Charakteristisch ist der hohe Anteil an Software. Eingebettete Systeme erfordern Modellierungen und Entwurfsmethoden, die sich sehr stark von den Methoden unterscheiden, die für homogene oder universelle Rechnersysteme entwickelt wurden. Die Vorlesung befasst sich in ihrem ersten Teil mit den Modellierungs- und Beschreibungskonzepten für derartige heterogene Systeme. Diese Konzepte werden häufig auch als hybride Modelle bezeichnet. Petri-Netze spielen in diesem Zusammenhang ebenfalls eine besondere Rolle. Als typische Entwurfsmethodik wird, auf der Basis der Mehr-Formalismen Modellierung, eine schrittweise interaktive Verfeinerung bevorzugt. Der zweite Teil der Vorlesung wendet sich den Zielarchitekturen und der Implementierung zu. Es werden überwiegend Standardbausteine und generische Architekturen verwendet, typisch ist aber die Optimierung und das Zuschneiden der Lösung auf die spezielle Anwendung. Die Vorgehensweise wird oft auch als Hardware-Software Codesign bezeichnet. Dazu ist es erforderlich, die Standardbausteine anzupassen, beispielsweise durch individuelle Anwendungssoftware, durch Anwender programmierbare oder anwendungsspezifische integrierte Bausteine und durch gemischt analog-digitale Funktionen zur Ankopplung an den technischen Prozess.

Vor diesem Hintergrund lauten die Themenbereiche der Vorlesung:

  • Systemgrundlagen
  • Modellierung und Beschreibungsmittel
  • Spezifikation und Entwurf
  • Zielarchitekturen (Analoge und digitale Komponenten)

Einzelthemen: Grundlagen des digitalen Bildes, Bildrepräsentationen, Bildwahrnehmung, Farbmetrik und Farbrepräsentationen, Geometrierepräsentationen in 2D und 3D: Punkte, Linien, Flächen, Körper, Geometrische Transformationen, die Rendering-Pipeline - Grundlegende Algorithmen: Klipping, Verdeckungsrechnung, Rastern, Shading, lokale Beleuchtungsrechnung, Texturen, Ray Tracing und Radiosity, Graphische Systeme in Software und Hardware.

Prozessoren, Halbleiterspeicher und andere Rechnerkomponenten sowie die anwendungsspezifischen Schaltungen werden als hochintegrierte Chips entworfen. Die heute beherrschbare Entwurfskomplexität wird als VLSI bezeichnet und kann mehrere Millionen Transistoren umfassen. In zunehmendem Maße werden auch Logik- und Speicherfunktionen sowie analoge und digitale Funktionen gemeinsam auf dem Chip integriert. Dadurch ist es gelungen, mikroelektronische Implementierungen ganzer Systeme (System on Silicon) durchzuführen. Dafür sind eine Beherrschung der Entwurfsmethoden einerseits und die Kenntnis der technologischen und schaltungstechnischen Grundlagen andererseits notwendig und hilfreich. Der Schwerpunkt der Vorlesung liegt im Bereich der schaltungstechnischen und technologischen Grundlagen.

Folgende Themenbereiche werden u.a. in der Vorlesung behandelt:

  • Grundlagen der Rechnerarchitektur
  • Massenspeicher: Festplatten, CD, DVD
  • Grundlagen der MOS-Schaltungstechnik
  • Logikkomponenten
  • Programmierbare Schaltungen: PLA, PAL, PLD, CPLD FPGA und FPGA-Plattformen
  • Rekonfigurierbare Systeme
  • Speichertechnologien: SRAM, DRAM, EEPROM
  • Entwurfsgrundlagen
  • Grundlagen der MOS-Integration