Eingebettete Systeme · 4.Auflage by Bringmann, Oliver -- Read -- Imperial Library of Trantor

Index

Title Page Copyright Contents Weitere empfehlenswerte Titel Vorwort

Vorwort zur zweiten Auflage Vorwort zur dritten Auflage Vorwort zur vierten Auflage

1 Einführung, Systeme, Bauformen und Technologien

1.1 Begriffsbestimmung und Beispiele 1.2 Systemkategorien 1.3 Typischer Aufbau

1.3.1 Beispiele für Sensoren und Aktoren

1.4 Cyber-Physische Systeme (Cyber Physical Systems)

Die 4 Klassifikationsstufen für Eingebettete und Cyber-Physische Systeme Anwendungsgebiete von CPS CPS im Gesundheitswesen CPS im Verkehr CPS in der modernen Fabrik CPS in der Energiewirtschaft

1.5 Systeme mit Künstlicher Intelligenz (KI-Systeme)

1.5.1 Anwendungen von KI-Systemen

1.6 Verteilte Systeme 1.7 Bauformen von Eingebetteten Systemen

1.7.1 Prozessorarten

1.8 Schaltkreise für Eingebettete Systeme

1.8.1 Herstellerkonfigurierte Schaltkreise 1.8.2 Anwenderkonfigurierbare Schaltkreise

1.9 Zusammenfassung

2 Entwicklungsmethodik

2.1 Kundenanforderungen und Spezifikation

2.1.1 Nichtfunktionale Anforderungen 2.1.2 Lastenheft 2.1.3 Pflichtenheft 2.1.4 Spezifikation

2.2 Der Beginn einer Entwicklung

2.2.1 Der Architekturbegriff

2.3 Hardware/Software-Co-Entwurf 2.4 Software-Entwicklung

2.4.1 Das Wasserfallmodell 2.4.2 Das Spiralmodell 2.4.3 Agile Software-Entwicklungsmethoden 2.4.4 Die Projekt-Entwicklungsmethode Scrum 2.4.5 Programmentwicklung 2.4.6 Entwickeln von Klassendiagrammen mit CRC-Karten 2.4.7 Entwurfsmuster

2.5 Hardware-Entwicklungsmethodik

2.5.1 Die Produktivitätslücke 2.5.2 Die Abstraktionsebenen 2.5.3 Evolution der Entwicklungsmethoden

2.6 Plattformbasierter Entwurf

Was versteht man unter einer Entwicklungsplattform? Entwicklungs-Ziel und -Richtlinien beim Plattformbasierten Entwurf Prozessor-zentrische Entwicklungsplattformen

2.7 Transaction-Level-Modellierung (TLM)

Modellieren der Kommunikation mit TLMs

2.8 Die Modellbasierte Entwicklungsmethode 2.9 Plattformen und Bibliotheken für den Entwurf von DNNs

Caffe Tensorflow Torch und Pytorch Theano, MXNet, CNTK, Keras

2.10 Berücksichtigung des Energiebedarfs bei der Entwicklung

Reduktion der Schalthäufigkeit Anpassung der Taktfrequenz Reduktion parasitärer Kapazitäten Anpassung des Versorgungsnetzwerks

2.11 Zusammenfassung

3 Modelle

3.1 Definition eines Modells 3.2 Programm-Modelle 3.3 Modellkategorien

Wie viele Modelle werden für eine Entwicklung benötigt?

3.4 Modelle auf System- und algorithmischer Ebene: Berechnungsmodelle

3.4.1 Prozessbasierte Berechnungsmodelle und -Netzwerke 3.4.2 Kahn-Prozess-Netzwerke (KPN) 3.4.3 Datenfluss-Netzwerke 3.4.4 Prozess-Kalkuli (Process Calculi)

3.5 Zustandsbasierte Modelle

3.5.1 Petri-Netze 3.5.2 StateCharts 3.5.3 Prozess-Zustandsmaschinen

3.6 Unified Modeling Language (UML) 3.7 Transaction-Level-Modellierung (TLM)

3.7.1 Modellieren der Kommunikation mit TLMs 3.7.2 Das Netzwerk-TLM 3.7.3 Protokoll-TLM und Bus-zyklusgenaues Modell

3.8 Modellieren auf RT-Ebene

3.8.1 Das grundlegende Verhaltensmodell auf RT-Ebene 3.8.2 Das Strukturmodell auf RT-Ebene (PCAM)

3.9 Modelle auf Logik-Ebene 3.10 Zusammenfassung

4 Eingebettete KI-Systeme

4.1 Grundlagen künstlicher ¨Neuronaler Netze

4.1.1 Feed-Forward Netze 4.1.2 Tiefe Neuronale Netzwerke (Deep Neural Networks) 4.1.3 Zeitlich veränderliche Datenreihen - Sequentielle Daten 4.1.4 Rekurrente Neuronale Netze 4.1.5 Long Short-Term Memory LSTM 4.1.6 Temporale Faltungs-Netze - TCN 4.1.7 Residual Netzwerke: ResNets

4.2 Maschinelles Lernen oder Training von NN

4.2.1 Feed-Forward Lernen 4.2.2 Backpropagation 4.2.3 Maschinelles Lernen oder die Vorgehensweise beim Anlernen von Neuronalen Netzwerken

4.3 Training und Inferenz

4.3.1 Prominente DNNs auf der ILSVRC

4.4 Hardware für Eingebettete KI-Systeme

4.4.1 Hardware-Kategorien für Eingebettete KI-Systeme 4.4.2 Optimierung von Neuronalen Netzen 4.4.3 Computer-Rechenleistung zum Anlernen von Neuronalen Netzen 4.4.4 Reduzierung der Komplexität von DNNs 4.4.5 Hardware-Architekturen für DNN-Rechenbeschleuniger 4.4.6 Eine klassische Anwendung von KI: Autonomes Fahren 4.4.7 Die Elektrik/Elektronik-Architektur 4.4.8 Das elektronische Steuersystem 4.4.9 Autonomes Fahren: Beispiel für die Implementierung 4.4.10 Elektronik-Hardware für KI-Systeme 4.4.11 Ein ”Always on KWS-System“: UltraTrail

4.5 Zusammenfassung

5 Beschreibungssprachen für den Systementwurf

5.1 VHDL - Eine Hardware-Beschreibungssprache

5.1.1 Grundlegender Aufbau 5.1.2 Das Sprachkonzept 5.1.3 Die Schaltungsbeschreibung 5.1.4 Signale und Datentypen 5.1.5 Zuweisungen und die neunwertige Standard Logik 5.1.6 Operationen 5.1.7 Die eventgesteuerte VHDL-Simulation und der Delta-Zyklus 5.1.8 Der VHDL-Prozess 5.1.9 Beispiele einfacher Prozessbeschreibungen 5.1.10 Generische Komponenten mit größeren Datenbreiten 5.1.11 Konfigurationsanweisungen 5.1.12 Der VHDL-Prozess als Beschreibung für Schaltwerke 5.1.13 Beispiel eines Simulationstreibers in VHDL 5.1.14 VHDL-Attribute 5.1.15 Unterprogramme und Packages 5.1.16 Typ-Konvertierungen 5.1.17 Die Assert-Anweisung 5.1.18 Simulationsbeispiel für ein Zweiprozessorsystem 5.1.19 Entwurf energiesparsamer Hardwaresysteme mit VHDL 5.1.20 Implementierung von Power Gating mit UPF und VHDL 5.1.21 Zusammenfassung

5.2 Die System-Beschreibungssprache SystemC

5.2.1 Grundlagen von SystemC 5.2.2 Beispiel eines SystemC-Moduls 5.2.3 Simulationssemantik 5.2.4 Transaction-Level-Modellierung mit SystemC 5.2.5 RTL-Modellierung mit SystemC 5.2.6 Zusammenfassung

6 Eingebettete Software

6.1 Betriebssysteme

6.1.1 Wann kann auf ein Betriebssystem verzichtet werden? 6.1.2 Konzepte von Betriebssystemen 6.1.3 Prozesse 6.1.4 Aufgaben und Schichtenmodell eines Betriebssystems 6.1.5 Arten von Betriebssystemen 6.1.6 Strukturen von Betriebssystemen 6.1.7 Echtzeitbetriebssysteme und Echtzeitsysteme 6.1.8 Zeitablaufplanung in Echtzeitbetriebssystemen 6.1.9 Prioritätsumkehr 6.1.10 Prioritätsvererbung 6.1.11 Betriebssystem-Beispiele für Eingebettete Systeme

6.2 Compiler 6.3 Programm-Optimierungen

6.3.1 Programm-Optimierung auf höherer Ebene 6.3.2 Minimierung des Energiebedarfs in Programmen 6.3.3 Optimierung der Programmgröße

6.4 Performanzabschätzungen und Zeitverhalten (Timing Analyse)

6.4.1 TLM-basierte Performanz-Abschätzung 6.4.2 Performanz-Abschätzung aus Compiler-optimiertem Maschinencode

6.5 Software-Synthese

6.5.1 Herausforderungen der Software-Entwicklung 6.5.2 Software-Synthese von Eingebetteten Systemen 6.5.3 Code-Generierung in der Software-Synthese

6.6 Zusammenfassung

7 Hardware-Synthese

7.1 Synthese auf verschiedenen Abstraktionsebenen 7.2 Synthese auf Systemebene nach Gajski

Automatisierte Synthese auf System-Ebene Automatische Abbildung einer Anwendung auf die Plattform Plattform-Synthese PCAM-Generierung

7.3 High-Level-Synthese

Einführung in die High-Level-Synthese Eingabe und Ausgabe eines High-Level-Synthese-Werkzeugs Bewertung von elektronischen Schaltkreisen 7.3.1 Die wesentlichen Schritte der High-Level-Synthese 7.3.2 Allokierung 7.3.3 Zeitablaufplanung (Scheduling) 7.3.4 Ressourcen-Bindung 7.3.5 Steuerwerksynthese

7.4 Register-Transfer- und Logiksynthese

7.4.1 Elaboration 7.4.2 Optimierung arithmetischer Teilnetze 7.4.3 Logiksynthese und Technologieabbildung

7.5 Zusammenfassung

8 Verifikation, Simulation und Test

8.1 Verifikation Simulation und Validierung 8.2 Simulation

8.2.1 Eine Simulationsanordnung 8.2.2 Simulation auf Logik- und Technologieebene 8.2.3 Software-Simulation 8.2.4 Debugging in Eingebetteten Systemen 8.2.5 Software-Debugging 8.2.6 Hardware-Debugging

8.3 Formale Verifikation

8.3.1 Aussagen-Logik 8.3.2 Prädikatenlogik erster Ordnung: FOL 8.3.3 Model Checking 8.3.4 Higher Order Logic

8.4 Werkzeuge für Modellierung und Simulation 8.5 Test

8.5.1 Begriffsbestimmungen, Ausbeute, Black-Box- und White-Box-Test 8.5.2 Ein klassisches Fehlermodell in der Chipproduktion 8.5.3 Testmuster 8.5.4 JTAG Boundary-Scan

8.6 Zusammenfassung

9 Mikroprozessor-Grundlagen: vom MP zum SoC

9.1 Evolution der Mikroprozessoren 9.2 Mikroprozessoren in Eingebetteten Systemen

9.2.1 Mikroprozessor-Architekturen 9.2.2 Ein- und Ausgabe durch Befehle und Interrupts 9.2.3 Speicher-Systeme 9.2.4 Wozu brauchen wir Caches? 9.2.5 Hauptspeicher 9.2.6 Festwertspeicher (ROM) 9.2.7 Befehls-Verarbeitungsmethoden und Pipelining 9.2.8 Performanz 9.2.9 Leistungsaufnahme-Steuerung (Power Management) 9.2.10 Ein-Ausgabe-Geräte und Schnittstellen

9.3 Mikrocontroller

9.3.1 Niedrigpreis-Mikrocontroller 9.3.2 Mikrocontroller höherer Leistung

9.4 Multi-Core- und Mehrprozessorsysteme 9.5 Mikroprozessor-Familien

Die ARM-Prozessorfamilien Die Cortex-M-Prozessoren Cortex-R-Prozessorfamilie Cortex-A-Prozessorfamilie Die Microchip-Mikrocontroller NXP-Prozessoren Prozessoren und Mikrocontroller der Firma Texas Instruments Infineon-Mikrocontroller Das Apple-M1-Chip

9.6 Zusammenfassung

10 Kommunikation und Netzwerke

10.1 Das ISO-OSI-Referenzmodell 10.2 Der parallele Bus

10.2.1 Schema eines Bustreibers 10.2.2 Bus-Kommunikation 10.2.3 Bus-Zeitablaufpläne 10.2.4 Multiprozessor- und Multibus-Systeme 10.2.5 Bekannte Bus-Protokolle 10.2.6 AMBA-Bus-Systeme

10.3 Netzwerke

10.3.1 Kommunikationsmodi 10.3.2 Netzwerk-Topologien 10.3.3 Datenformatierung

10.4 Busähnliche Netzwerke oder serielle Busse

10.4.1 Der I2C-Bus 10.4.2 Profibus (Process Field Bus) 10.4.3 PCI Express 10.4.4 InfiniBand 10.4.5 Ethernet 10.4.6 Internet

10.5 Bussysteme im Kraftfahrzeug

10.5.1 Der CAN-Bus 10.5.2 FlexRay, LIN und MOST 10.5.3 Automotive Ethernet 10.5.4 Zusammenfassung: Bussysteme im Kraftfahrzeug

10.6 Synchronisierung

10.6.1 Kommunikationsprimitive 10.6.2 Synchronisierung von Prozessorelementen

10.7 Sensornetzwerke

10.7.1 Drahtlose Sensornetzwerke 10.7.2 Einsatz von Sensornetzwerken, Topologie 10.7.3 Kommunikation im Sensornetzwerk 10.7.4 Der Sensorknoten 10.7.5 Beispiele von Sensorknoten 10.7.6 Kommunikationsstandards für drahtlose Netzwerke

10.8 Zusammenfassung

Literaturverzeichnis Index

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