High-Level-Entwurf von Mikrosystemen

154 Pages·2010·7.59 MB·German

High-Level-Entwurf von Mikrosystemen
von der Fakult¨at Elektrotechnik und Informationstechnik
der Technischen Universit¨at Chemnitz
genehmigte Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor Ingenieur (Dr.-Ing.)
vorgelegt
von Dipl.-Ing. Erik Markert
geboren am 03. M¨arz 1979 in Greiz
Gutachter:
Prof. Dr.-Ing. Ulrich Heinkel
Prof. Dr.-Ing. habil. Jan Mehner
Dr.-Ing. Tom Barthel
eingereicht am 25. September 2009
Tag der Verleihung: 16. Februar 2010
Chemnitz, den 21. Februar 2010

Bibliographische Angaben
Titel: High-Level-Entwurf von Mikrosystemen
Erik Markert – 2009 – 156 Seiten
40 Abbildungen, 19 Tabellen, 152 Literaturquellen
Technische Universit¨at Chemnitz, Fakult¨at fu¨r Elektrotechnik und Informationstech-
nik, Dissertationsschrift
Kurzreferat
Die Dissertationsschrift stellt eine Toolkette zum abstrakten Entwurf von Mikrosyste-
men vor. Mikrosysteme k¨onnen aus Elementen verschiedener physikalischer Dom¨anen
bestehen undzus¨atzlich digitaleHardwaresowie Software enthalten. DieErfassung und
Formalisierung dieser heterogenen Systeme stellt denersten Schritt imEntwurfsprozess
dar, die damit verbundene neue Methodik des Designs von Mikrosystemen bildet den
Kern der vorliegenden Arbeit.
Zur Erfassung der analogen Spezifikationsteile enth¨alt die Arbeit die Schilderung und
Implementierung neuer Datenstrukturen, die ausgehend von einer ausfu¨hrlichen An-
forderungsanalyse geschaffen wurden. Das abstrakte Systemverhalten wird mit Hilfe
hybrider Automaten modelliert, die sowohl mit speziellen hybriden Werkzeugen als
auch mit SystemC-AMS simulierbar sind. Daru¨ber hinaus besch¨aftigt sich die Arbeit
mit der Erfassung von Signalverl¨aufen und Schaltplaninformationen. Die formalisierten
Anforderungen erm¨oglichen erste Pru¨fungen der Spezifikation auf Konsistenz.
Zur Unterstu¨tzung niedriger Abstraktionsebenen wie der Differentialgleichungsebene
steht ein Wandler von SystemC-AMS nach VHDL-AMS bereit. In die Systembeschrei-
bung mit SystemC-AMS ist die Definition und Verknu¨pfung von Kostenparametern
integrierbar. Das daraus entstehende globale Gu¨temaß hilft dem Entwerferteam, die
optimale Systemrealisierung zu finden.
Schlagw¨orter
Spezifikationserfassung, Entwurf heterogener Systeme, Mikrosysteme, hybride Auto-
maten, SystemC-AMS, VHDL-AMS, Kostenparameter
i
ii
Inhaltsverzeichnis
Abku¨rzungsverzeichnis vii
Dank ix
1. Einleitung 1
1.1. Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. Begriffe und Grundlagen der Modellierung . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.1. Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.2. Abstraktionsebenen und Entwurfsmodelle . . . . . . . . . . . . 4
2. Ausgangspunkt und Ziel der Arbeit 9
2.1. Ausgangspunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2. Verwandte Projekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3. Ziel der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3. Bestandteile von Mikrosystemen, Modellierungsanforderungen 15
3.1. Physikalische Dom¨anen in Mikrosystemen . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2. Berechnung von Netzwerken aus diskreten Elementen . . . . . . . . . . 17
3.3. Wichtige Gesetze und Wechselwirkungen der Dom¨anen . . . . . . . . . 18
3.3.1. Mechanik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3.2. Elektrik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3.3. Magnetik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3.4. Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3.5. Chemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.3.6. Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.4. Besonderheiten der elektrischen Dom¨ane . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.5. Anforderungen fu¨r die Modellierung des Gesamtsystems . . . . . . . . . 28
3.5.1. Anforderungen aus der physikalischen Beschreibung . . . . . . . 28
3.5.2. Weitere Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4. Aktueller Stand der Wissenschaft 33
4.1. Abstrakte analoge Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.2. Beschreibungsm¨oglichkeiten heterogener Systeme . . . . . . . . . . . . 35
4.2.1. Modelica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.2.2. VHDL-AMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.2.3. SystemC-AMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
iii
Inhaltsverzeichnis
5. Spezifikationserfassung und Entwurfsunterstu¨tzung durch SpecScribe 51
5.1. SpecEdit und die ADeVA-Semantik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.1.1. ADeVA-Semantik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.1.2. Grenzen von SpecEdit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.2. Konzepte des Werkzeugs SpecScribe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.2.1. Allgemeines Konzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.2.2. Datenstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.2.3. Grafische Bedienoberfl¨ache (GUI) . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.2.4. Beispiel Ampelsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.3. Erweiterungskonstrukte in SpecScribe fu¨r heterogene Systeme . . . . . 62
5.3.1. Analoge Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.3.2. Abbildung von analogen Abl¨aufen . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.3.3. Schaltpl¨ane und Layoutinformationen . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.3.4. Code-Generatoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.4. Ausblick auf weitere Konzepte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
6. U¨berg¨ange zwischen den Beschreibungsformen 71
6.1. Generierung von HyTech/HybridSAL-Code . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.2. Export von Spezifikationsdaten nach SystemC-AMS . . . . . . . . . . . 72
6.3. Export SystemC-AMS nach VHDL-AMS . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6.3.1. VHDL-AMS-Konstrukte fu¨r SystemC-AMS-Elemente . . . . . . 74
6.3.2. Aufbau des Konverters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6.3.3. Anpassungen an reale Simulatoren . . . . . . . . . . . . . . . . 78
7. Systembewertung auf Basis von Kostenparametern 81
7.1. Auswahl der notwendigen Kostenparameter . . . . . . . . . . . . . . . 82
7.2. Abbildung der Kostenparameter im Simulator . . . . . . . . . . . . . . 83
7.2.1. Bestimmung von Kostenparametern . . . . . . . . . . . . . . . . 83
7.2.2. Verknu¨pfung der Kostenparameter . . . . . . . . . . . . . . . . 83
7.3. Anbindung an die Entwurfsdatenbank auf Spezifikationsebene . . . . . 88
8. Vorstellen eines Entwurfsablaufs fu¨r MEMS 91
8.1. U¨berblick u¨ber den Designflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
8.1.1. Spezifikationserfassung und Datenbank . . . . . . . . . . . . . . 91
8.1.2. Codegenerierung fu¨r SystemC-AMS . . . . . . . . . . . . . . . . 93
8.1.3. Partitionierung und Codeumsetzung . . . . . . . . . . . . . . . 93
8.1.4. Implementierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
8.1.5. Parametergewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
8.2. Diskussion des vorgestellten Entwurfsablaufs . . . . . . . . . . . . . . . 95
8.2.1. Vorteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
8.2.2. Schw¨achen und Erweiterungsm¨oglichkeiten . . . . . . . . . . . . 96
9. Beispiel Universelles Bewegungsanalysesystem 99
9.1. Anforderungen an das System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
9.2. Systemu¨berblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
iv
Inhaltsverzeichnis
9.3. Formalisierung der Spezifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
9.3.1. Umsetzung des Sensorverhaltens in hybride Automaten . . . . . 102
9.3.2. Umsetzung der Auswertung in digitale Automaten (FSM) . . . 104
9.4. Export nach SystemC-AMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
9.5. Konkretisierung des Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
9.5.1. Analoges Teilsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
9.5.2. Digitales Teilsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
9.5.3. Gesamtsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
9.6. Bewertung von Implementierungsvarianten . . . . . . . . . . . . . . . . 110
9.7. Export von SystemC-AMS nach VHDL-AMS. . . . . . . . . . . . . . . 113
9.8. Konkretisierung der Systemparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
9.9. Erfahrungen aus dem Beispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
10.Zusammenfassung und Ausblick 117
10.1.Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
10.2.Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
A. Literaturverzeichnis 121
B. Tabellenverzeichnis 133
C. Abbildungsverzeichnis 135
D. Thesen 137
E. Liste eigener Ver¨offentlichungen 139
v
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Abku¨rzungsverzeichnis
ADeVA Advanced Design and Verification of ASICs
ADU Analog-Digital-Umsetzer
AMS Analog and Mixed Signal
DTT Data Transformation Table
EBNF Extended Backus-Naur Form
FEM Finite Elemente Methode
FFT Fast Fourier Transformation
FPGA Field Programmable Gate Array
FSM Finite State Machine
GUI Graphical User Interface
INS Inertialnavigationssystem
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
LRM Langauge Reference Manual
MEMS Mikro-Elektro-Mechanische Systeme
MTT Mode Transition Table
PWL Piecewise Linear (stu¨ckweise linear)
PWM Pulsweitenmodulation
SAL Symbolic Analysis Laboratory
SVE System Verification Environment
TLM Transaction Level Modeling
UBAS Universelles Bewegungsanalysesystem
VHDL Very high speed integrated circuit Hardware Description Language
XML eXtensible Markup Language
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