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Forschungsbereich A: Modellierung und Entwurf

Die Entwicklung von Beschreibungs- und Entwurfswerkzeugen erstreckt sich über eine Reihe von Architekturebenen, vom Design anwendungsspezifischer Mikrocontroller bis hin zur Optimierung von Programmcode. Im Mittelpunkt stehen immer die spezifischen Anforderungen des Mikrosystems, wie die ressourcenoptimale Programmerzeugung oder der energieminimale Betrieb des Mikrosystems.

Projekte im Forschungsbereich A "Modellierung und Entwurf":

A.1
Mixed-Signal-Modellierung und Synthese auf FPAA und FPGA
A.2
Anwendungsspezifische Mikrocontroller
A.3
Erzeugung minimaler Echtzeitbetriebssysteme für eingebettete Mikrosysteme
A.4
Ressourcenbewusste Programmadaption

A.1   Mixed-Signal-Modellierung und Synthese auf FPAA und FPGA


Bei der Entwicklung von gemischt analog/digitalen Mikrosystemen stellt sich immer wieder die grundlegende Frage der Partitionierung des Problems in Analog- und Digitalteil. Meist gibt es keinen kontinuierlichen übergang von analogen und digitalen Komponenten sondern exakt definierte Schittstellen, an denen die Umsetzung geschieht.

Daher muss von Anfang an entschieden werden, welche Funktionsblöcke in analoger oder digitaler Technik implementiert werden, obwohl aus der Entwurfsebene selbst keine Kriterien für diese Entscheidung erwachsen.

Erst durch sowohl den aktuell vorangehenden Einzug analoger Elemente in die Hardware-beschreibungssprachen auf Entwurfs- und Simulationsebene als auch die Entwicklung von rekonfigurierbaren analogen Bausteinen (FPAAs), ergeben sich nun viel versprechende Möglichkeiten, das Partitionierungsproblem neu zu betrachten. Für die Evaluation neuer Entwurfsmethoden ist es nötig, eine Plattform zu erstellen, auf die gemischt analog/digitale Systeme synthetisiert und instanziiert werden können.

Statusreport :
Mixed-Signal Modellierung und Synthese auf FPAA und FPGA von Fabian Henrici

Kontakt:
Prof. Dr. Yiannos Manoli
Lehrstuhl für Mikroelektronik
Institut für Mikrosystemtechnik
Georges-Köhler-Allee 102, 79110 Freiburg
Telefon: 0761-203-7590 | Fax: 0761-203-7592 | E-Mail

A.2   Anwendungsspezifische Mikrocontroller


Mikrocontroller sind das Herzstück jedes eingebetteten Systems, da sie die Datenakquisition und Verarbeitung steuern. Sie bilden außerdem eine flexible Schnittstelle zu jeder denkbaren Kommunikation mit dem eingebetteten System wie z.B. direkte Benutzer-Interaktion oder Anbindung an ein höherskaliges Datenverarbeitungssystem. Entwurfsmethoden zum Bau von Mikrocontrollern in eingebetteten Systemen unterscheiden sich wesentlich von denen für herkömmliche Prozessoren, da die Anforderungen an sie vollkommen anders gewichtet sind. Designparameter wie Rechenleistung oder Datendurchsatz treten hier in den Hintergrund gegenüber beispielsweise Effizienz und geschickter Datenkodierung, niedrige Stromaufnahmen und reduzierte Chipfläche. Eine besondere Anforderung an Controller von Mikrosystemen ist die enge Verschmelzung von Auslese von Sensordaten und deren Verarbeitung. Durch die monolithische Integration von Sensor und Ausleseelektronik und Datenverarbeitung in einem Controller sind bisher ungenutzte Synergieeffekte und damit höhere Effizienz zu erwarten.

Statusreport :
Timing in Subthreshold-Schaltungen von Niklas Lotze

Kontakt:
Prof. Dr. Yiannos Manoli
Lehrstuhl für Mikroelektronik
Institut für Mikrosystemtechnik
Georges-Köhler-Allee 102, 79110 Freiburg
Telefon: 0761-203-7590 | Fax: 0761-203-7592 | E-Mail

A.3   Erzeugung minimaler Echtzeitbetriebssysteme für eingebettete Mikrosysteme


Das Projekt beschäftigt sich mit der Generierung von Echtzeitbetriebssystemen für Eingebette Mikrosysteme.

Eingebettete Mikrosysteme, die neben Sensorarrays, Kommunikationsstrukturen etc. auch Mikrocontroller und Prozessoren zur Steuerung und Datenverarbeitung enthalten, benötigen auf der einen Seite zu ihrem Betrieb üblicherweise immer wieder Standardfunktionen, die man zur komfortablen Entwicklung der Anwendungssoftware bevorzugt durch Systemaufrufe eines vorgefertigten Echtzeitbetriebs-systems realisiert. Da eingebettete Mikrosysteme auf der anderen Seite in der Regel aber mit harten Effizienzanforderungen wie Minimierung von Energieverbrauch, Laufzeit und Speicherplatz bzw. Erfüllung von Echtzeitbedingungen zu kämpfen haben, wird in der Praxis in vielen Fällen trotzdem vom Einsatz von Echtzeitbetriebssytemen abgesehen. Statt unspezialisierter, allgemein verwendbarer Betriebssystemroutinen wird vielfach handentworfene Spezialsoftware eingesetzt.

In diesem Projekt sollen Generatoren für Echtzeitbetriebssysteme entwickelt werden, die spezifisch für eine gegebene Anwendung und eine gegebene Systemarchitektur ein minimales Betriebssystem generieren. Im Gegensatz zu den relativ beschränkten Konfigurationsmöglichkeiten existierender Echtzeitbetriebssysteme soll die Anpassung auf die Anwendung mit wesentlich feinerer Granularität und automatisch erfolgen. Unter Ausnutzung von Wissen über die zugrundeliegende Architektur und die darauf ablaufende Anwendung sollen dabei Optimierungskriterien wie Speicherplatzbedarf, Laufzeitanforderungen und Energieeffizienz berücksichtigt werden. Aufgrund der Tatsache, dass Eingebettete Mikrosysteme häufig in sicherheitskritischen Bereichen eingesetzt werden, wird ein weiterer Schwerpunkt auf Maßnahmen und Methoden zur Gewährleistung der Systemkorrektheit liegen.

Statusreport :
Energieeffizientes Scheduling für Echtzeitsysteme von Thosten Zitterell

Kontakt:
Prof. Dr. Christoph Scholl
Lehrstuhl für Betriebssysteme
Institut für Informatik
Georges-Köhler-Allee 051, 79110 Freiburg
Telefon: 0761-203-8152 | Fax: 0761-203-8142 | E-Mail

A.4   Ressourcenbewusste Programmadaption


Die moderne Softwareentwicklung verwendet Komponenten um die Entwicklungszeit zu verkürzen und die Wartbarkeit zu verbessern. Komponenten sind generische, wiederverwendbare Bausteine für Softwaresysteme. Sie werden durch das Setzen von Parametern adaptiert und dann miteinander zum gewünschten System verbunden.

Hingegen wird Software für eingebettete Systeme oft von Grund auf neu entwickelt, um die eingeschränkten Ressourcen optimal auszunutzen. Dies führt zu längeren Entwicklungszeiten und verschlechtert die Wartbarkeit.

Unser Ziel ist die Entwicklung von ressourcenbewusster Programmadaption (RPA) als Technologie, mit der eingebettete Software mit Hilfe von Komponenten erstellt werden kann. RPA soll auf ein Geflecht von adaptierten Komponenten angesetzt werden. Es soll toten Kode entfernen sowie den generischen Kode bezüglich der Parameter spezialisieren. Dabei garantiert RPA die Einhaltung von vorgegebenen Ressourcenschranken an Laufzeit, Speicherplatz und Energieverbrauch.

Statusreporte :
Programmoptimierung für eingebettete Systeme von Annette Bieniusa
Programmanalysenetzwerk Java(x) von Markus Degen

Kontakt:
Prof. Dr. Peter Thiemann
Lehrstuhl für Programmiersprachen
Institut für Informatik
Georges-Köhler-Allee 079, 79110 Freiburg
Telefon: 0761-203-8051 | Fax: 0761-203-8052 | E-Mail

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