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Forschungsbereich A: Modellierung und Entwurf

Forschungsbereich A: Modellierung und Entwurf

Methoden und Werkzeuge für die Beschreibung und den Entwurf eingebetteter Mikrosysteme sind auf allen Komplexitätstufen eingebetteter Mikrosysteme gefordert. Die Sicherung einer hohen Flexibilität bei einer möglichst sparsamen Energienutzung sowie unter starker Ressourcenbeschränkung stehen hier im Mittelpunkt, und zwar auf der Ebene der analogen Schaltungen, der Mikrocontroller, der Betriebssysteme und der Kommunikation in Netzwerken mobiler eingebetteter Mikrosysteme.

Projekte im Forschungsbereich A "Modellierung und Entwurf":

A.1
Erforschung und Entwicklung rekonfigurierbarer Analogschaltkreise
A.2
Anwendungsspezifische Mikrocontroller
A.3
Ressourcenbeschränkte Echtzeitbetriebssysteme für eingebettete Mikrosysteme
A.4
Programmierung von Sensornetzwerken

A.1   Erforschung und Entwicklung rekonfigurierbarer Analogschaltkreise


Analoge Signale, wie z.B. aus Sensoren in der Messtechnik oder Empfängern in der Kommunikationstechnik, müssen gefiltert werden, bevor die Daten weiterverarbeitet werden können. Für diesen ersten Schritt der Signalverarbeitung werden auch in Zukunft analoge Schaltungen benötigt werden. Hier sind heutzutage flexible Lösungen gefragt. Zum einen, um bei Änderungen am Sensor oder Empfänger die analoge Auswerteelektronik nicht komplett neu entwickeln zu müssen. Zum anderen, um auch zur Laufzeit, also in der Anwendung, eines Systems flexibel auf Änderungen der Signalcharakteristik reagieren zu können. Ausprägungen für solche zu entwickelnden rekonfigurierbaren analogen Bausteine (field programmable analog arrays, FPAAs) können einerseits FPAAs mit besonders hohe Bandbreiten für die drahtlose Kommunikation sein, zum anderen aber auch extrem stromsparende FPAAs für Sensorknoten. Sehr interessant für die Weltraumforschung sind FPAAs, welche zum einen von harter Strahlung zerstörte Bereiche durch Rekonfiguration kompensieren können, oder durch Nachstellen ihrer Komponenten in einem sehr großen Temperaturbereich einsatzfähig bleiben.

Statusreport :
Integrierter Selbsttest und Kalibrierung für FPAAs von Stanis Trendelenburg

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 bilden das Herzstück jedes eingebetteten Mikrosystems und definieren wesentlich seine Eigenschaften. Ihr Einsatzbereich erstreckt sich von einer grundlegenden Steuerung sämtlicher Abläufe im System über die Akquisition und Verarbeitung von Sensordaten bis hin zur Steuerung der Kommunikation und Aktorik. Diese Aufgabenbreite, verbunden mit den besonderen Anforderungen eingebetteter Systeme, erfordert Entwurfsansätze, die sich wesentlich von denen für General-Purpose-Prozessoren unterscheiden: Mikrocontroller weisen einen sehr viel höheren Integrationsgrad auf, da vielfältige Schnittstellen zu Sensoren und Bussystemen sowie das Speichersystem direkt mit dem Controller kombiniert werden. Des weiteren zeigt sich eine integrale anwendungsspezifische Anpassung von I/O-System, Befehlssatz und Architektur. Ein zentraler Unterschied ist die grundsätzliche Optimierung des Systems: Insbesondere bei portablen eingebetteten Systemen steht die Geschwindigkeit häufig im Hintergrund gegenüber dem Flächen- und Energiebedarf. Zusammenfassend ergibt sich die Fragestellung, wie sich durch intelligente Kombination geeigneter Schaltungstechnik, flexibler Prozessorarchitektur und Erweiterungen für applikationsspezifische Algorithmen Mikrocontroller mit optimalen Eigenschaften für typische Anwendungen eingebetteter Mikrosysteme realisieren lassen.

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   Ressourcenbeschränkte Echtzeitbetriebssysteme für eingebettete Mikrosysteme


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

Komplexe eingebettete Mikrosysteme, die auch Mikrocontroller und Prozessoren zur Steuerung und Datenverarbeitung enthalten, benötigen üblicherweise zu ihrem Betrieb an der Schnittstelle zwischen Hard– und Software immer wieder Standardfunktionen, die im Sinne einer komfortablen und effizienten Entwicklung der Anwendungssoftware nach Möglichkeit in Systemaufrufe eines Echtzeitbetriebssystems (d.h. vorentworfene Komponenten) auszulagern sind. Dieses Vorgehen ist bei eingebetteten Mikrosystemen mit starken Ressourcenbeschränkungen aber nur dann möglich, wenn man sich auf diese emWeise keinen größeren Overhead einhandelt, der zur Verletzung von Effizienzanforderungen bzgl. Energieverbrauch und Speicherplatz bzw. zur Verletzung von Echtzeitbedingungen führt.

Nachdem in der ersten Förderphase das Schwergewicht des Projekts auf Energieeffizienz (unter gleichzeitiger Einhaltung harter Echtzeitbedingungen) lag, soll nun die Betrachtung von Speicherplatzbeschränkungen hinzukommen. Insbesondere bei eingebetteten Mikrosystemen ist dies ein wesentliches Optimierungsziel, da die Bereitstellung größerer Mengen an Speicher der Miniaturisierung natürlicherweise entgegensteht. Die hierzu zu entwickelnden Speicherverwaltungsverfahren sollten nicht nur möglichst effizient mit den zur Verfügung stehenden Speicherressourcen umgehen, sondern auch die dynamische Bereitstellung von Speicher unterstützen, beispielsweise um auf dynamische Veränderungen im Umgebungsverhalten reagieren zu können. Zur Erfüllung von Echtzeitanforderungen sollten grundlegende Operationen wie Speicherbelegung, -zugriff und -freigabe möglichst schnell arbeiten; die Komplexität der Operationen sollte unabhängig von Anwendungsdaten auch im worst case durch (kleine) obere Schranken abschätzbar sein. Speicherverschwendung durch sog. Speicherfragmentierung sollte so weit wie möglich vermieden werden.

Optimierung von Echtzeitbetriebssystemen

Abb. A.3: Optimierung von Echtzeitbetriebssystemen.

 

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   Programmierung von Sensornetzwerken


Der verbreitete Einsatz von Sensornetzwerken krankt daran, dass ihre Programmierung aufwändig und fehleranfällig ist. Anstatt dass Anwendungsexperten ihre Probleme direkt spezifizieren können, müssen Softwareingenieure separate, miteinander kommunizierende Programme für diverse Mikrocontroller schreiben. Wünschenswert wäre ein Ansatz, bei dem der Anwendungsexperte selbst eine High-Level Spezifikation des gewünschten Verhaltens des gesamten Sensornetzwerks erstellt und ein dedizierter Compiler daraus zueinander passende Programme für alle Netzkomponenten generiert. Darüber hinaus soll der Ansatz dynamische Rekonfiguration und Mobilität unterstützen, so dass die Netzwerktopologie nicht von vorne herein festgelegt sein muss.

Das Teilprojekt soll einerseits High-Level Sprachen für die Programmierung von Sensornetzwerken unter Berücksichtigung der Rekonfigurationsproblematik erforschen, sowie andererseits deren effiziente und ressourcenschonende Implementierung bearbeiten. Hierfür müssen Programmkonstrukte gefunden werden, mit denen eine Problemstellung in der Sprache des Anwenders knapp und präzise ausgedrückt werden kann. Andererseits müssen bei der Übersetzung ressourcenbewusste Codeadaption, Codekomprimierung, Speicherbedarfsoptimierung, sowie die Generierung von korrektem Kommunikationscode aus Protokollbeschreibungen zum Einsatz kommen.

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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