Eingebettete Systeme: Entwurf, Modellierung Und Synthese (de Gruyter Studium) (german Edition)

This textbook provides an introduction to the most important themes related to embedded systems, including technologies, communications, microprocessors, system description languages, sensor networks, and high-level synthesis. Extensive attention is paid to development methodology. This part is particularly designed for students and computer scientists who plan to work or are already working as developers. * A modern, comprehensive, practical introduction to embedded systems * Now in its 2^nd^ updated edition Inhaltsverzeichnis 1 Einführung, Bauformen und Technologien 1.1 Begriffsbestimmung und Beispiele 1.2 Systemkategorien 1.3 Typischer Aufbau 1.4 Bauformen von Eingebetteten Systemen 1.5 Technologien von Eingebetteten Systemen 1.5.1 Kunden- bzw. anwendungsspezifische Hardware 1.5.2 Feldprogrammierbare Bausteine 1.6 Verteilte Systeme 1.7 Zusammenfassung 2 Mikroprozessor-Grundlagen 2.1 Evolution der Mikroprozessoren 2.2 Mikroprozessoren in Eingebetteten Systemen 2.3 Mikroprozessor-Grundlagen 2.3.1 Mikroprozessor-Architekturen 2.3.2 Ein- und Ausgabe durch Befehle und Interrupts 2.3.3 Speicher-Systeme 2.3.4 Wozu brauchen wir Caches? 2.3.5 Hauptspeicher 2.3.6 Festwertspeicher (ROM) 2.3.7 Befehls-Verarbeitungsmethoden und Pipelining 2.3.8 Performanz und Energieverbrauch 2.3.9 Leistungsverbrauchs-Steuerung (Power Management) 2.3.10 Ein-Ausgabe-Geräte und Schnittstellen 2.4 Mikrokontroller 2.4.1 Niedrigpreis-Mikrokontroller 2.4.2 Mikrokontroller h ̈oherer Leistung 2.5 Multi-Core- und Mehrprozessorsysteme 2.6 Mikroprozessor-Familien 2.7 Betriebssysteme 2.7.1 Wann kann auf ein Betriebssystem verzichtet werden? 2.7.2 Konzepte von Betriebssystemen 2.7.3 Prozesse 2.7.4 Aufgaben und Schichtenmodell eines Betriebssystems 2.7.5 Arten von Betriebssystemen 2.7.6 Strukturen von Betriebssystemen 2.7.7 Echtzeitbetriebssysteme und Echtzeitsysteme 2.7.8 Zeitablaufplanung in Echtzeitbetriebssystemen 2.7.9 Prioritätsumkehr und Prioritätsvererbeung 2.7.10 Betriebssystem-Beispiele für Eingebettete Systeme 2.8 Zusammenfassung 3 Kommunikation, Busse und Netzwerke 3.1 Das ISO-OSI-Referenzmodell 3.2 Der parallele Bus 3.2.1 Schema eines Bustreibers 3.2.2 Bus-Kommunikation 3.2.3 Bus-Zeitablaufpläne 3.2.4 Optimierte ̈Ubertragungsmodi: Burst und Pipelining 3.2.5 Direkter Speicherzugriff (DMA) über einen Bus 3.2.6 Multiprozessor- und Multibus-Systeme 3.2.7 Der Arbiter 3.2.8 Bekannte Bus-Protokolle 3.3 Netzwerke 3.3.1 Kommunikationsmodi 3.3.2 Netzwerk-Topologien 3.3.3 Datenformatierung 3.4 Busähnliche Netzwerke oder serielle Busse 3.4.1 Der I2C-Bus 3.4.2 Der CAN-Bus 3.4.3 FlexRay, LIN und MOST 3.4.4 Profibus (Process Field Bus) 3.4.5 Weitere Verbindungsnetzwerke für verteilte Systeme 3.5 Synchronisierung 3.5.1 Kommunikationsprimitive 3.5.2 Synchronisierung von Prozessorelementen 3.6 Zusammenfassung 4 Entwicklungsmethodik 4.1 Die Produktivitätslücke 4.2 Anforderungen 4.2.1 Nichtfunktionale Anforderungen 4.2.2 Lastenheft 4.3 Der Beginn einer Entwicklung 4.3.1 Der Architekturbegriff 4.3.2 Pflichtenheft 4.3.3 Spezifikation 4.4 Entwurfsmethoden von Software-Systemen 4.4.1 Das Wasserfallmodell 4.4.2 Das Spiralmodell 4.4.3 Agile Software-Entwicklungsmethoden 4.4.4 Die Projekt-Entwicklungsmethode Scrum 4.5 Software-Entwicklung für Eingebettete Systeme 4.5.1 Programmentwicklung 4.5.2 Entwickeln von Klassendiagrammen mit CRC-Karten 4.5.3 Entwurfsmuster 4.5.4 Programm-Modelle 4.5.5 Compiler 4.5.6 Programm-Optimierungen 4.6 Hardware-Entwicklungsmethodik 4.6.1 Die Abstraktionsebenen 4.6.2 Evolution der Entwicklungsmethoden 4.7 Modellieren von Systemen 4.7.1 Was sind Modelle? 4.7.2 Modelle auf System- und algorithmischer Ebene: Berechnungsmodelle 4.7.3 Unified Modeling Language (UML) 4.7.4 Transaction Level-Modellierung (TLM) 4.7.5 Modellieren auf RT-Ebene 4.7.6 Modelle auf Logik-Ebene 4.8 Plattformbasierter Entwurf 4.9 Die Modellbasierte Entwicklungsmethode 4.9.1 Synthese 4.9.2 Synthese auf Systemebene 4.10 Zeitverhalten und Performanzabschätzungen 4.10.1 TLM-basierte Performanz-Abschätzung 4.10.2 Performanz-Abschätzung aus Compiler-optimiertem Maschinencode 4.11 Verifikation, Simulation und Validierung 4.11.1 Simulation 4.11.2 Formale Verifikation 4.11.3 Werkzeuge für Modellierung und Simulation 4.12 Test 4.12.1 Begriffsbestimmungen, Black-Box- und White-Box-Test 4.12.2 Ein klassisches Fehlermodell 4.12.3 Testmuster 4.12.4 JTAG Boundary-Scan 4.13 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 Komponenten mit gr ̈oßeren Datenbreiten und generische Komponenten 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 einfaches Zweiprozessorsystem 5.1.19 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 Sensornetzwerke 6.1 Drahtlose Sensornetzwerke 6.2 Kommunikation im Sensornetzwerk 6.2.1 Der Protokoll-Stapel (Protocol Stack) von drahtlosen Sensornetzwerken 6.2.2 Medium Access Control (MAC) 6.2.3 Physikalische Schicht von drahtlosen Sensornetzwerken 6.3 Der Sensorknoten 6.4 Kommunikationsstandards für drahtlose Netzwerke 6.5 Zusammenfassung 7 Software-Synthese und High-Level-Synthese 7.1 Herausforderungen der Software-Entwicklung 7.2 Software-Synthese von Eingebetteten Systemen 7.3 High-Level-Synthese 7.3.1 Einführung in die High-Level-Synthese 7.3.2 Eingabe und Ausgabe eines High-Level-Synthese-Werkzeugs 7.3.3 Bewertung von elektronischen Schaltkreisen 7.4 Die wesentlichen Schritte der High-Level-Synthese 7.4.1 Allokierung 7.4.2 Die Komponentenbibliothek 7.5 Zeitablaufplanung (Scheduling) 7.5.1 Einführung in die Zeitablaufplanung: Der Sequenzgraph 7.5.2 Zeitablaufplanung ohne Ressource-Schranken 7.5.3 Zeitablaufplanung unter Ressourceschranken 7.5.4 Einige besondere Verfahren der Zeitablaufplanung 7.5.5 Zusammenfassung des Abschnitts Zeitablaufplanung 7.6 Ressourcen-Bindung 7.6.1 Kompatibilitäts- und Konfliktgraph 7.6.2 Bindung von Speicher-Ressourcen (Registern) 7.6.3 Die Graphen-Partitionierungs-Methode 7.6.4 Zuweisung von Verbindungselementen und Erstellung der Netzliste 7.7 Steuerwerksynthese 7.7.1 Das mikrocodebasierte Steuerwerk 7.7.2 Das hartverdrahtete Steuerwerk 7.8 Zusammenfassung Literaturverzeichnis Index dieses Buch bietet eine Einführung in die wichtigsten Themen rund um Eingebettete Systeme wie zum Beispiel Technologien, Kommunikation, Mikroprozessoren, Systembeschreibungssprachen, Sensornetzwerke und High-Level-Synthese. Einen breiten Raum nimmt dabei auch das Gebiet der Entwicklungsmethodik ein. Dieser Teil ist besonders für Studenten und Informatiker gedacht, die als Entwickler tätig werden wollen oder es bereits sind. Als eines der ersten deutschsprachigen Lehrbücher schafft es dieses Buch, grundlegendes praktisches Wissen über Eingebettete Systeme zu vermitteln. Der Stoff wird anschaulich mit vielen Bildern und Beispielen dargestellt. Auf mathematische Beweise und Formalismen wird dabei bewusst verzichtet. Somit kann der Text auch als Ergänzung für eine formalere Behandlung des Themas dienen. Das Werk ist didaktisch entsprechend den Vorlesungen an Hochschulen aufgebaut. Einzelne Kapitel können als getrennte Vorlesungseinheiten verwendet werden.

dieses Buch bietet eine Einführung in die wichtigsten Themen rund um Eingebettete Systeme wie zum Beispiel Technologien, Kommunikation, Mikroprozessoren, Systembeschreibungssprachen, Sensornetzwerke und High-Level-Synthese. Einen breiten Raum nimmt dabei auch das Gebiet der Entwicklungsmethodik ein. Dieser Teil ist besonders für Studenten und Informatiker gedacht, die als Entwickler tätig werden wollen oder es bereits sind. Als eines der ersten deutschsprachigen Lehrbücher schafft es dieses Buch, grundlegendes praktisches Wissen über Eingebettete Systeme zu vermitteln. Der Stoff wird anschaulich mit vielen Bildern und Beispielen dargestellt. Auf mathematische Beweise und Formalismen wird dabei bewusst verzichtet. Somit kann der Text auch als Ergänzung für eine formalere Behandlung des Themas dienen. Das Werk ist didaktisch entsprechend den Vorlesungen an Hochschulen aufgebaut. Einzelne Kapitel können als getrennte Vorlesungseinheiten verwendet werden. This textbook provides an introduction to the most important themes related to embedded systems, including technologies, communications, microprocessors, system description languages, sensor networks, and high-level synthesis. Extensive attention is paid to development methodology. This part is particularly designed for students and computer scientists who plan to work or are already working as developers. A modern, comprehensive, practical introduction to embedded systems Now in its 2 nd updated edition