Entwicklung Eingebetteter Systeme: Vergleich von Entwicklungsprozessen für FPGA- und Mikroprozessor-Systeme Entwurf auf Systemebene

328 Pages·2014·4.038 MB·German

by  Ralf Gessler (auth.)

Ralf Gessler
Entwicklung
Eingebetteter Systeme
Vergleich von Entwicklungsprozessen
für FPGA- und Mikroprozessor-Systeme
Entwurf auf Systemebene
Entwicklung Eingebetteter Systeme
Ralf Gessler
Entwicklung Eingebetteter
Systeme
Vergleich von Entwicklungsprozessen für
FPGA- und Mikroprozessor-Systeme
Entwurf auf Systemebene
RalfGessler
CampusKünzelsau
HochschuleHeilbronn
Ravensburg,Deutschland
ISBN978-3-8348-1317-6 ISBN978-3-8348-2080-8(eBook)
DOI10.1007/978-3-8348-2080-8
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cherungundVerarbeitunginelektronischenSystemen.
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Vorwort
DasBuchliefertinTheorieundPraxiseinedurchgehendeundvollständigeDar- Titel
stellung des Entwicklungs-Prozesses von Eingebetten Systemen mit den Pha-
sen Analyse, Entwurf, Implementierung und Test. Die Schwerpunkte liegen im
Entwurf auf Systemebene und im Vergleich der Entwicklung von FPGA- und
Mikroprozessor-Systemen.
Die Arbeit dient auch der technischen und ökologischen Entscheidungshilfe.
Zahlreiche Praxis-Beispiele, -Aufgaben, Einstiegshilfen und Literaturhinweise Didaktik
zur weiteren Vertiefung runden das Werk ab.
Ich möchte mich bei Herrn Günther Hunn für die sprachliche Überprüfung des Danksagung
Manuskriptes bedanken. Herrn Dapper und Frau Brossler vom Springer Vie-
weg Verlag gilt mein Dank für das Lektorat. Des Weiteren danke ich den Stu-
dierendendesStudiengangesElektrotechnikundAntriebssysteme/Mechatronik
der Hochschule Heilbronn am Campus Künzelsau. Sie haben durch zahlreiche
Projektarbeiten, Bachelor- und Masterthesen das vorliegende Buch maßgeblich
geprägt.
Weiterführende Hinweise zum Buch „Entwurf Eingebetteter Systeme“ finden Internet
sich auf der Verlagsseite1 im Internet (URL2).
Das Buch „Hardware-Software-Codesign“ [GM07] kann als Grundlagenwerk für Literatur
den„EntwurfEingebetteterSysteme“ gelten.WeitereApplikationenimBereich
Eingebettete Funksysteme zeigt das Buch „Wireless-Netzwerke für den Nahbe-
reich“ [GK09].
Ravensburg, im Februar 2014
Ralf Gessler
1URL:http://www.springer.com
2URL=UniformResourceLocator
V
Inhaltsverzeichnis
Vorwort V
Abkürzungsverzeichnis XI
1 Einleitung 1
2 Eingebettete Systeme 7
2.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.1 Software-Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.2 Rechnerarchitekturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.3 Rechenbaustein und Hardware-Technologie . . . . . . 15
2.2.4 Rechenmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3 Lösungsraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3.1 Energieverbrauch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.2 Echtzeit-Datenverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4 Abgrenzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.4.1 Digitale Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.4.2 Digitale Schaltungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.4.3 Digitale Signalverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.5 Übersicht Rechenmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.6 Mikroprozessoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.6.1 Grundlegende Funktionsweise . . . . . . . . . . . . . 45
2.6.2 Schnittstelle zwischen Hardware und Software . . . . 55
2.6.3 Arten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.6.4 Digitale Signalprozessoren . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.7 FPGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.7.1 Einordnung Schaltkreise . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.7.2 PLD-Architekturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3 Entwicklungs-Prozesse 79
3.1 Abgrenzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.1.1 Projektmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.1.2 Qualitätsmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
VII
Inhaltsverzeichnis
3.1.3 Konfigurationsmanagement. . . . . . . . . . . . . . . 81
3.1.4 Phasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.2 Prozess-Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.2.1 Wasserfall-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.2.2 V-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.2.3 Evolutionäre Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.2.4 Prototypen-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.2.5 Komponentenbasiertes Modell . . . . . . . . . . . . . 93
3.2.6 Weitere Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.2.7 Schnelle Software-Entwicklung . . . . . . . . . . . . . 95
4 Entwurf auf Systemebene 101
4.1 Methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.1.1 Abstrahierung und Strukturierung . . . . . . . . . . . 102
4.1.2 Parallelitätsebenen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.1.3 Kreativität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.2 Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.2.1 Ebenen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.2.2 Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.2.3 Verhaltenbasiert. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.2.4 Kontrollflussbasiert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.2.5 Strukturbasiert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.2.6 Datenflussbasiert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.2.7 Logikbasiert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.2.8 Projektbasiert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
4.3 Modellierungssprache UML . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
4.3.1 Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
4.3.2 Fallstudie „Ulmer Zuckeruhr“ . . . . . . . . . . . . . . 146
4.3.3 Vergleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5 Implementierung 157
5.1 Sprachen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
5.1.1 C/C++ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5.1.2 C-basierte Hardware-Beschreibung . . . . . . . . . . . 162
5.1.3 VHDL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
5.1.4 Verilog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
5.2 Werkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
5.2.1 Matlab/Simulink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
5.2.2 Matlab/Simulink und Embedded Coder . . . . . . . . 182
5.2.3 Matlab/Simulink und System Generator . . . . . . . 184
5.2.4 HDL Coder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
VIII
Inhaltsverzeichnis
6 Test 191
6.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
6.2 Ablauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
6.3 Test-Fälle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
6.3.1 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
6.3.2 Strukturelle Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
6.3.3 Funktionale Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
6.4 Werkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
6.5 Testfreundlicher Entwurf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
7 Zahlensysteme und Arithmetik 213
7.1 Zahlensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
7.1.1 Natürliche und ganze Zahlen . . . . . . . . . . . . . . 214
7.1.2 Reelle Zahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
7.2 Arithmetik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
7.2.1 Ganze Zahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
7.2.2 Reelle Zahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
7.2.3 Implementierung von Standardfunktionen . . . . . . . 230
8 Auswahlkriterien 233
8.1 Randbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
8.2 Methoden zur Leistungsbewertung . . . . . . . . . . . . . . . 234
8.3 Maßzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
8.3.1 Allgemeine Maßzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
8.3.2 Spezifische Mikroprozessor-Maßzahlen . . . . . . . . . 238
8.3.3 Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
8.4 Benchmarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
9 Vergleichende Entwicklung 247
9.1 Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
9.1.1 Rechnerarchitektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
9.1.2 Rechenmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
9.2 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
9.2.1 Implementierungsprozess . . . . . . . . . . . . . . . . 254
9.2.2 Grundelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
9.3 Fallstudie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
10 Trends 289
10.1 Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
10.1.1 Architektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
10.1.2 Entwicklungsprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
10.1.3 Konfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
IX
Inhaltsverzeichnis
10.1.4 Peripherie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
10.2 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
Literaturverzeichnis 297
Stichwortverzeichnis 307
Abbildungsverzeichnis 313
Tabellenverzeichnis 319
X
Abkürzungsverzeichnis
ADC........... AnalogDigitalConverter(deutsch:Analog-Digital-Wandler)
ALU........... Arithmetical Logical Unit (deutsch: Arithmetische Logische
Einheit)
AMBA......... Advanced Microcontroller Bus Architecture
AMS........... Analog Mixed Signal
API............ ApplicationProgrammingInterface(deutsch:Programmier-
schnittstelle)
ARM........... Acorn RISC Machine
ASIC........... ApplicationSpecificIntegratedCircuit(deutsch:Anwendungs-
spezifische Integrierte Schaltung)
ASIP........... Application Specific Instruction Set Processor
AXI............ Advanced EXtensible Interface
BIOS.......... Basic Input The Output System
BIST........... Build In Self Test
CAE........... Computer Aided Engineering
CAN........... Controller Area Network
CASE.......... Computer Aided Software Engineering
CBSE.......... Component Based Software Engineering
CFG........... Control Flow Graph
CIS............ Computing In Space
CIT............ Computing In Time
CLB........... Complex Logic Block
XI