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Computer Networks GroupUniversität Paderborn
Studieren bei ESS – Eingebettete Systeme und Systemsoftware
Karl/Platzner/Rammig
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Überblick
ESS Module im II. und III. Studienabschnitt
Fachgebiet Rechnernetze Fachgebiet Technische Informatik Fachgebiet Entwurf paralleler Systeme
Typische Kombinationen
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Bedeutung ESS (globale Aussagen) 2% der jährlich produzierten Prozessoren landen in “normalen”
Computern
Die restlichen 98% werden irgendwo eingebettet
Nur etwa 10 % der jährlichen Software-Produktion läuft auf “normalen” Computern
Und davon entfällt ein weiterer Teil auf Systemsoftware Betriebssystem Middleware Kommunikationssystem Hilfsprogramme (Compiler, Debugger,…)
Fazit: Der größte Arbeitsmarkt für Informatiker ist auf diesem Gebiet
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Veranstaltungen Voraussetzung für Master-Module Grundlage für Spezialisierung
Beispiele
SS
Bachelor: ESS-Modul II.3.1
RechnernetzeVerteilteSysteme
HW/SW-Codesign
Eingebettete Systeme
Wahl 2 von 4
Vernetzte Systeme
ReconfigurableComputing
Eingebettete & HW/SW Systeme
NetworkedEmbeddedSystems
WS
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Master: ESS-Module III.3.1 Verteilte Rechnersysteme III.3.2 Systemsoftware III.3.3 Rechnernetze III.3.4 Eingebettete Systeme III.3.5 HW/SW-Codesign III.3.6 Eingebettete- und
Echtzeitsysteme
III.3.1 VerteilteRechnersysteme
III.3.4 Eingebettete Systeme
III.3.2System-software
III.3.3Rechner-
netze
III.3.5HW/SW-Codesign
III.3.6Eingebettete
/Echtzeit-system
Auswahl Minimum 1 Modul zu 2*4 LP Mit Vertiefung: 2 Module Projektgruppe möglich
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Überblick
ESS Module im II. und III. Studienabschnitt
Fachgebiet Rechnernetze Fachgebiet Technische Informatik Fachgebiet Entwurf paralleler Systeme
Typische Kombinationen
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Arbeitsgebiete FG Rechnernetze
Rechnernetze und Telekommunikationsnetze Austausch von Daten zwischen Menschen und/oder Geräte Insbesondere: Mobil, drahtlos
Allgemein: Architekturen und Protokolle Fokus
Architekturen mobiler Netze Was kommt nach GSM,
UMTS, Internet, …? Cross-layer Optimierung –
Potentiale ausnutzen Beispiel: Video over wireless
Drahtlose Sensor-/Aktuatornetze Interaktion mit Umgebung
InternetInternet
Basestation
Wireless link (OFDM)
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Lehrveranstaltungen FG RechnernetzeP
rojektgruppe
KMSIV
RechnernetzeV
Mobil-kommunikation
Leistungs-bewertung/Simulation
SeminarVII
VI Proseminar
Ad hoc/Sensor-netze
SeminarVIII
Festnetz Drahtlos/mobil MethodikLegende:
Verteilte Systeme
AdvancedInternet
AdvancedWireless
Analyse-methoden für Netze
geplant
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Veranstaltung: Rechnernetze
Wie baut man aus einzelnen Rechnern ein Netz – bis zur Größe des Internets?
Physikalische Grundlagen der Datenübertragung Behandlung von Fehlern Medienzugriff Routing Abwehr von Überlast Charakteristik von Verkehr in Rechnernetzen
Methodik und Prinzip, konkrete technische Fallstudien
Shared!Shared!
Netzlast durch Anwendungen
ftpnetnewsemailwebotherP2P
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Veranstaltung: Mobilkommunikation
Menschen und Geräte werden mobil – und kommunizieren Architekturen drahtgebundener Netze unzulänglich Mobil ! drahtlos
Wie verwirklicht man drahtlose Kommunikation? Z.B. Problem: Güte eines drahtlosen „Kanalobjektes“ schwankt
Wie stellt man mobile Erreichbarkeit sicher? Wie funktioniert IEEE 802.11 WLAN, GSM, UMTS, …?
ad ho
cUMTS, WLAN,DAB, GSM, cdma2000, TETRA, ...
Personal Travel Assistant,DAB, PDA, laptop, GSM, UMTS, WLAN, Bluetooth, ...
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Veranstaltung: Ad hoc/Sensornetze
Heute: Viele Anwendungen leiden unter Datenmangel Beispiele: Wartung, Landwirtschaft, Gebäude-/Gelände-
management, … Problem: Sensorik möglich, aber Kabel zu teuer Möglichkeit: Drahtlos verbundene Sensorik (& Aktuatorik)
Drahtlose Sensor-/Aktuatornetze Meist: Batterie-betrieben ! Energie kritisch!
! Energieeffiziente, Daten-orientierte Protokolle notwendig
Real Values
Measured Values
Lifetim
eLife
time
Prec
ision
AccuracyPrec
ision
Accuracy
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Veranstaltung: Leistungsbewertung & Simulation
Problem: Architekturen und Protokollen müssen verstanden & optimiert werden
Analytische Untersuchung oft praktisch unmöglich Werkzeug: Simulation, manchmal Experiment Statistische Bewertung der Resultate notwendig
1 3 5 7 9
11 13 15 17 19 R1 R
5
0
2
4
6
8
10
12
14
Valu
e
Observation number
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Veranstaltungen: Seminare und Projektgruppen
Pro-/Seminare Wechselnde Themen zu Rechnernetzen, Mobilkommunikation, … Meist jedes Semester
Projektgruppen Drahtlose Sensornetze – gemeinsam mit Prof. Mertsching Mobilkommunikation
Beispiel: Entwickeln und Implementieren von Wireless-LAN Modifikationen & Erweiterungen
Der Welt teuerste WLAN-Karte
Aber: Programmierbar!
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Überblick
ESS Module im II. und III. Studienabschnitt
Fachgebiet Rechnernetze Fachgebiet Technische Informatik Fachgebiet Entwurf paralleler Systeme
Typische Kombinationen
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Arbeitsgebiet Technische Informatik Thema: Hardware/Software Schnittstelle
neue Hardwaretechnologien/architekturen hardwarenahe Softwareschichten Entwurfsmethoden und –werkzeuge Anwendungen
Aktueller Schwerpunkt: Reconfigurable Computing Reconfigurable Hardware Operating Systems Evolvable Reconfigurable Systems High-performance Custom Computing
c3c3
c2c2
c1c1
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Lehrveranstaltungen FG Technische Informatik
Hardware/Software Codesign
Grundlagen der Technischen Informatik (GTI)
Grundlagen der Rechnerarchitektur (GRA)Bachelor,I. Abschnitt
Bachelor,II. Abschnitt
Master
ProSeminar
Reconfigurable Computing
Seminar
Projektgruppe
Advanced Computer Architecturefor Embedded Systems
unregelmässig angeboten
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Hardware/Software Codesign (FG Technische Informatik)
In vielen modernen eingebetteten Systemen spielt die Hardware/Software-Schnittstelle eine zentrale Rolle.
Zielarchitekturen: CISC/RISC, C, DSP, ASIC, FPGA, System-on-Chip
Codegenerierung für eingebettete Prozessoren Architektursynthese im Hardwareentwurf Hardware/Software-Partitionierung Schätzung der Entwurfsqualität
Hardware ? Software ?
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Reconfigurable Computing (FG Technische Informatik)
Computers built from reconfigurable structures do not rely on a fixed hardware, but adapt their architecture to the application under execution. FPGAs, ALU-arrays, reconfigurable/customizable processors Design methods and tools Application domains
high-performance computing embedded systems exotic: evolvable hardware
Research topics
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Beispiele für Projektgruppen und Seminare (FG Technische Informatik)
Projektgruppe "GOmputer - The GO Machine" GO auf Cluster/FPGA mit Spielstärke von ≥ 25. Kyu
Seminare Digitale Signalprozessoren Reconfigurable Processors Evolvable Hardware
FPGAComputing Cluster
+
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Überblick
ESS Module im II. und III. Studienabschnitt
Fachgebiet Rechnernetze Fachgebiet Technische Informatik Fachgebiet Entwurf paralleler Systeme
Typische Kombinationen
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FG Entwurf paralleler Systeme: ForschungEingebettete
SW:verdoppelt sich alle 10
Monate
Moore’s law: IC Komplexität
verdoppelt sich alle 18
Monate
Nielsen’s law: Bandbreiteverdoppelt sich alle 12
Monate Log
(Kom
plex
ität)
t
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Lehrveranstaltungen FG Entwurf Paralleler SystemeII.
Abs
chni
ttB
ache
lor
Mas
ter
Eingebettete Systeme ProSeminar
Real Time Operating Systems
Seminar
Projektgruppe
Introduction to Real Time
Operating Systems
Intelligenz in Eingebetteten
SystemenOperating Systems
RT AlgorithmsIn Manufactoring
Systems
Overlapping Concepts
KMS
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•Entwurfsablauf•Abstraktionsebenen, Entwurfsaspekte,...
•Modellierung, Spezifikation•Modelle: Automaten, Petri Netze, Datenflussgraphen, Hybrid Automata,...
•Sprachen: UML, State Charts, SDL, Lustre, Esterel, Blockdiagramme, VHDL,...
•Architekturen•SW: Time/Event triggered, Datenfluss, Verteilung, ...
•HW: ASIC, FPGA, DSP, uC,...
•Synthese, Realisierung•Partitionierung, Scheduling, Allocation
•Kommunikation, Codegenerierung, Realtime OS
•Verifikation, Validierung, Test•Funktion, Zeitverhalten, Fehlertoleranz
Lehrveranstaltungen FG Entwurf paralleler Systeme
Eingebettete Systeme
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Lehrveranstaltungen FG Entwurf paralleler Systeme
Managed ElementMemory, CPU, database,
legacy system, app. service
Autonomic Layer
Analyze Plan
Monitor
Knowledge
Execute
LernenA
uton.K
omp.
Welt
Messfunktionen• Schätztreue, MonotonitätAnalyse• Markov Ketten• Bayesian NetworksPlan• Entscheidungsfunktionen• Dynamisches Planen• Hybrides PlanenExecute• RegelungstechnikenLernen• Adaption von Parametern
Lernen von StrategienReinforcement learning
• Lernen von FunktionenInduktives LernenFuzzy
• Wissensbasiertes LernenFallbasiertes Schliessen
Intelligenz in Eingebetteten Systeme
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Lehrveranstaltungen FG Entwurf paralleler Systeme
Introduction to Real Time Operating Systems
Real-Time = Fast RT = PREDICTABLE
HARD
SOFT
STATIC DYNAMIC
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Lehrveranstaltungen FG Entwurf paralleler Systeme
Introduction to Real Time Operating Systems
Short repetition: Ordinary Operating Systems
Specifics of Real Time Operating Systems (RTOS)
Basics of RTOS RTOS examples Lab: Control a model railway
using RTAI Linux
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Lehrveranstaltungen FG Entwurf paralleler Systeme
Real Time Operating Systems Theory behind Real Time Operating Systems Scheduling Schedulability analysis Real time resource conflict handling
ceiling blocking
J2 s2 s2 s1 s1 s2
t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9
P0P1P2
J1 s2
J0 s0 s1
normal executioncritical section
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Lehrveranstaltungen FG Entwurf paralleler Systeme
Beispiel einer Projektgruppe: PaderKicker
Model tower
k
kk
kk
k
kk
Spee
d le
ftSp
eed
right-
-
----
Perception Tower
Model Tow
er
Particle Filter
Vision
Odom
etrie
Feature
Action Tower
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Lehrveranstaltungen FG Entwurf paralleler Systeme
Beispiel eines Seminars: Real-time Algorithms in Manufactoring Systems
Understand real-time concepts in production control Self-organizing concepts Biologically inspired techniques in production Comparison with traditional methods
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Überblick
ESS Module im II. und III. Studienabschnitt
Fachgebiet Betriebssysteme und Verteilte Systeme Fachgebiet Rechnernetze Fachgebiet Technische Informatik Fachgebiet Entwurf paralleler Systeme
Typische Kombinationen
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Typische Modulkombinationen bei ESS-Vertiefung1. Modul
BS & VS (III.3.2) Rechnernetze (III.3.3)
Technische Inf. (III.3.5)
Entwurf par. Systeme (III.3.6)
2. Modul
BS
& V
S
(III.3.2)
„Verteilte Rechnersysteme“
Voraussetzung: VS
„Verteile Systeme“
Voraussetzung: VS, RN
„Innovative Computer & System Architectures“Voraussetzung: VS, HSCD
„Verteilte Echtzeitsysteme“
Voraussetzung: VS, ES
Rechner-netze
(III.3.3)
„Netze“
Voraus-setzungen: RN
„Hw/Sw Codesign of Modern Comm. Systems “Voraussetzungen:RN, HSCD
„Networked embedded systems“Voraussetzungen: RN, ES
Technische Inf. (III.3.5)
„Hw/Sw Codesign“
Voraussetzungen:HWSCD
„Hw/Sw Codesign of Embedded & Real-time Systems“ Voraussetzungen: HSCD, ES
Entw
urf par. S
ysteme
„Embedded systems“
Voraussetzungen: ES
Abkürzungen Lehrveranstaltungen:VS = Verteilte SystemeRN = RechnernetzeHSCD = HW/SW-CodesignES = Eingebette Systeme
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Weitere Modulkombinationen
Lehrveranstaltungen von 3 oder 4 ESS-Fachgebieten ebenfalls möglich
Durch Module III.3.1 und III.3.4 Beispiel:
VL Real-Time Operating Systems VL Reconfigurable Computing VL Betriebssysteme VL Systemaspekte verteilter Systeme
! Grundphilosophie ESS Volle Flexibilität der Lehrveranstaltungen möglich Typische, sinnvolle Kombinationen vorbereitet
Modul III.3.4
Modul III.3.1