Beitrag zum modellbasierten Entwurf eingebetteter Systeme - Komponentenbasierte Modellierungsansätze für verteilte rekonfigurierbare Plattformen

Müller, Marcus

Managing the development of distributed embedded systems for increasinglycomplex platforms and applications depends more and more on the use ofmodel-based design methods. In the measurement and automation domainand especially in fields of application with extraordinary requirements, likethe nano-positioning technology, that is the background of this work, theexploration of a control design in connection with the controlled process in thecontext of validation by simulation and virtual prototyping is a central part ofthe model-based design process and the base of system design decisions. Theincreasing utilization of high-performance FPGA-based embedded platforms inthis application domain motivates the development of corresponding platform-specific modeling tools, libraries and code synthesis methods with the ever-present goal to realize a seamless system design process from an executablespecification model to the hardware description for these target systems. The design methods compiled in this work describe current meet-in-the-middledesign approaches, which address the system design complexity by increasedlevels of abstraction and automated transformations as well as by reusablecomponents and architectures. Center of the methodical contributions of thiswork is the formulation of a design layer, which defines the structures necessaryfor model transformations towards an FPGA-platform-specific system model.It comprises the meta-models for (multi-)FPGA platforms and the correspond-ing platform-specific modeling level, as well as extensions for the automatedgeneration for certain platform-specific structures. As example scenarios todemonstrate the application of the developed approaches serve designs fromthe design space exploration for the FPGA-based realization of control systemsfrom the context of the SFB 622 research project. The results emphasizethe influence of platform-specific design partitions on the model and designcomplexity in contrast to the partitions profiting from classical design reuse,and show the achievable reduction of design effort by utilizing automatedstructure generation.

Der Entwurf verteilter eingebetteter Systeme ist aufgrund steigender Komplexitätder Plattformen und der zu realisierenden Anwendungen zunehmend nur unterEinsatz von modellbasierten Entwicklungsmethoden zu realisieren. In der Mess-und Automatisierungstechnik und besonders in Anwendungsbereichen mitaußergewöhnlichen Anforderungen, wie die den Hintergrund dieser Arbeitdarstellende Realisierung von Regelungssystemen für die Nano-Positioniertechnik,ist die Untersuchung des Reglerentwurfs im Zusammenhang mit dem zu regelndenProzess im Rahmen der simulativen Validierung und des virtuellen Prototypingswesentlicher Bestandteil des modellbasierten Entwurfsprozesses und der Bewertungvon Systementwurfsentscheidungen.Der zunehmende Einsatz von leistungsfähigen FPGA-basierten eingebettetenPlattformen in diesem Anwendungsgebiet motiviert dazu die Entwicklung vonzielplattformspezifischen Modellierungswerkzeugen, \mbox{-bibliotheken} undCode-Syntheseverfahren mit dem Ziel der Realisierung eines geschlossenenEntwicklungsprozesses vom ausführbaren Spezifikationsmodell zurHardware-Beschreibung für diese Zielsysteme. Die in dieser Arbeit zusammengetragenen Entwurfsmethoden beschreiben aktuelleMeet-in-the-Middle-Ansätze, die die Systementwurfskomplexität durch erhöhteAbstraktionsniveaus, automatische Transformationen sowie durch wiederverwendbareKomponenten und Architekturen reduzieren. Kern der methodischen Beiträge dieserArbeit ist die Formulierung einer Entwurfsebene, die die Strukturen für dieModelltransformation zum FPGA-plattformspezifischen Systemmodell festlegt. Sieumfasst die Metamodelle für (Multi-)FPGA-Plattformen und die zugehörigeplattformspezifische Modellierungsebene, sowie die zur Generierung ausgewählterplattformspezifischer Strukturen. Als Demonstrationsbeispiele für die Anwendungder erarbeiteten Verfahren dienten im Rahmen einer Design-Space-Explorationerstellte Entwürfe zur modellbasierten multi-FPGA-orientierten Realisierung vonRegelungssystemen aus dem Kontext des SFB622. Die Ergebnisse verdeutlichen, wiegroß der Einfluss von plattformspezifischen Anteilen auf die Modellkomplexitätist, im Gegensatz zu den von klassischer Wiederverwendung profitierendenModellanteilen, und zeigt, in welchem Maße der Entwurfsaufwand durch Einsatz vonautomatisierten Strukturgenerierungsmethoden reduziert werden kann.

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Müller, Marcus: Beitrag zum modellbasierten Entwurf eingebetteter Systeme - Komponentenbasierte Modellierungsansätze für verteilte rekonfigurierbare Plattformen. 2014.

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