Ein Beitrag zur Beschleunigung der inter-FPGA-Datenübertragung mittels asynchroner Pulslängenauswertung

Bei der binären Datenübertragung stellt die begrenzte Bandbreite des Kabels ein grundsätzliches Problem dar. Zur Erhöhung der Datenrate stellt die vorliegende Arbeit eine neue Architektur für ein Datenübertragungssystem mittels Pulsweitenmodulation (PMW) vor. Die vollständig digitale Implementierung resultiert in einem geringen Schaltungsaufwand. Der Einsatz asynchroner Modulations-Hardware ermöglicht dennoch Datenraten oberhalb der theoretischen Möglichkeiten der Bit-seriellen Übertragung. Eine Kalibrierung passt die Modulationsparameter optimal an die Kanaleigenschaften an

Eine Netzwerkarchitektur zum Einsatz des Material Exchange Formats für Live-Produktionen im professionellen Fernsehstudio

Der Bereich der Liveproduktion im Fernsehstudio ist geprägt von hohen Anforderungen an Qualität, Zeitverhalten und Zuverlässigkeit bei der Erstellung von Audio- und Videomaterial zur Distribution über Broadcastkanäle. In der Vergangenheit konnten diese Anforderungen nur mit spezieller und damit kostenintensiver Gerätetechnik bewältigt werden. Mit der Entwicklung auf dem Elektroniksektor ist heute einerseits eine Vielzahl von zusätzlichen Distributionswegen mit Inhalten zu versorgen. Andererseits stehen leistungsfähige Geräte auf Basis von Standard-IT-Technologien zur Verfügung, die senderseitig zur Produktion von Material eingesetzt werden können und zusätzlich Datenverarbeitung leisten, welche Produktionsabläufe effizienter gestaltet.Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich vor diesem Hintergrund mit der Anwendung von Standard-IT-Technologien im echtzeitkritischen Bereich der Fernsehstudioproduktion. Dabei besteht insbesondere das Ziel der Integration von Metadatenverarbeitung. Die Arbeit kombiniert dazu Standard-IT-Technologien und ergänzt diese um Konzepte, die die besonderen Anforderungen einer Liveproduktion im Fernsehproduktionsstudio berücksichtigen. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Übertragungstechnologie zum Datenaustausch im Studio aus Standardkomponenten modelliert. Parameter zur Bewertung der Netzwerkleistung und Strategien zur Ressourcenteilung werden diskutiert. Im weiteren Verlauf der Arbeit werden Prozessoren zur Verarbeitung von Essenzdaten verglichen und über die PC-Plattform in eine universelle Einheit zur Datenverarbeitung integriert. Die Analyse von Komponenten und Abläufen führt zu einer feingranularen Latenzbetrachtung, die eine Grundlage für Optimierungsstrategien mit dem Ziel einer latenzarmen Implementierung darstellt. Das Ziel der Metadatenintegration wird mit dem Einbinden des Material Exchange Formats erreicht, das die synchronisierte Übertragung von Essenz- und Metadaten erlaubt. Die Arbeit identifiziert weiterhin Anwendungsszenarien, in denen Metadaten auch in echtzeitkritischen Live-Produktionen genutzt werden können. Eine prototypische Implementierung bildet abschließend die Grundlage zur Verifikation getroffener Aussagen

Entwurf und Analyse von Konzepten zur effizienten Datenübertragung von Grafikrendering-Befehlen auf eingebetteten Systemen

Die Interaktion zwischen Mensch und Maschine war seit Anbeginn der Automobilindustrie ein wichtiger Faktor für die Kundenzufriedenheit. Heutzutage erfolgt diese verstärkt unter Einsatz von Anwendungen, die auf dem Kombiinstrument und dem Display des Infotainment Systems angezeigt werden. Werden beide Systeme auf einer Plattform betrieben, so bekommt die Isolation ihrer Anwendungen, auch durch die steigende Zahl dieser, eine immer höhere Bedeutung und kann durch Virtualisierung erzielt werden. Um ein effizientes Rendering von Grafikbefehlen in einer solchen virtualisierten Umgebung zu ermöglichen, entwarf die Daimler AG eine Middleware als Schnittstelle zwischen den Anwendungen und der GPU. Mögliche Optimierungspotentiale dieser, um eine nahezu native Performanz von Grafikanwendungen zu gewährleisten, sind Gegenstand dieser Arbeit. Dazu wurden sowohl die Middleware, als auch typische OpenGL ES basierte Grafikanwendungen und ihnen zugrundeliegende Grafikbefehle untersucht und klassifiziert. Ausgehend davon wurden Optimierungslösungen vorgeschlagen und unter Hinzunahme verschiedener repräsentativer Szenarien hinsichtlich Performanz evaluiert. Ein weiterer Punkt der Arbeit ist die Skalierbarkeit der OpenGL ES Middleware. Zur Auswertung dieser dienen sowohl homogene, als auch heterogene Szenarien, die mit dem nativen Ausführungsverhalten der Szenarien verglichen. Ein wichtiger Aspekt, der ebenfalls zu behandelt wurde, ist das Management der beschränkten Systemressourcen auf eingebetteten Systemen. Anhand der ausgewählten Szenarien wird gezeigt, dass die eingesetzten Konzepte sowohl die Performanz einzelner Anwendungen verbessern, als auch die Skalierbarkeit der Middleware insgesamt positiv beeinflussen. Dabei wird bis zu 98% der nativen Framerate erzielt. Dies wird hauptsächlich durch eine Puffer-basierte Asynchronisierung von synchronen Grafikbefehlen und einen effizienten Einsatz von Shared Memories erzielt

Entwicklung und Implementierung einer Native-ATM-Datentransportschnittstelle für das Videokonferenzsystem

In den letzten Jahren ist es im Bereich der Computersysteme zu einer rasanten Leistungsentwicklung gekommen. Allein die Prozessorleistung sowie die Speichergröße der verfügbaren Rechnersysteme haben sich in den letzten zehn Jahren mehr als verhundertfacht. Immer mehr Menschen weltweit nutzen die Möglichkeiten eines Personalcomputers, um ihre Aufgaben zu erfüllen. Die weite Verfügbarkeit leistungsfähiger Rechnersysteme verstärkte das Bedürfnis nach arbeitsplatzübergreifender Kommunikation. Mit der Vernetzung von Einzelrechnern zu lokalen Netzen (LANs) und dem Zusammenschluss dieser zu flächendeckenden Kommunikationsstrukturen (WANs) war schnell eine Lösung des Problems des Datenaustausches gefunden. Doch schon bald erwies sich, dass die Weiterentwicklung der Datenkommunikationssysteme mit der Rechentechnologie nicht mehr Schritt halten konnte. Die meisten der eingesetzten lokalen Netze basieren nach wie vor auf den Anfang der achtziger Jahre definierten Standards Ethernet/IEEE 802.3 und Token-Ring/IEEE 802.5 mit einer maximalen Übertragungsgeschwindigkeit von 10 Mbit/s bzw. 16 Mbit/s. Doch sogar neuere LAN-Technologien, wie z.B. das Fast-Ethernet oder FDDI, welche jeweils eine Bandbreite von 100 Mbit/s zur Verfügung stellen, erwiesen sich für multimediale Anwendungen lediglich als sehr bedingt geeignet. Bei herkömmlichen LAN-Technologien kann tatsächlich nur ein Bruchteil der Bandbreite zur Datenübertragung genutzt werden. Insbesondere hängt die Leistungsfähigkeit der Netzwerke stark von der Anzahl der aktiven Netzknoten ab. Bei steigender Teilnehmerzahl wird die effektive Übertragungsrate schnell verringert. Garantien zur Bereitstellung einer bestimmten Qualität können seitens des Netzwerkes nicht gegeben werden. Daher war die Einführung eines neuen Netzwerkstandards notwendig, der auch den Anforderungen zukünftiger Anwendungen gerecht wird. Mit der Einführung des asynchronen Transfermodus (ATM), welcher im Jahre 1988 von der ITU (International Telecommunication Union) spezifiziert wurde, wird der Einsatz multimedialer Anwendungen nahezu uneingeschränkt möglich. Im Gegensatz zu den herkömmlichen LAN-Technologien handelt es sich bei ATM um ein verbindungsorientiertes Übertragungsverfahren, bei dem jeder Teilnehmer Verbindungspfade mit fester Bandbreite und garantierten Übertragungseigenschaften zugewiesen bekommt. Weiterhin sind mit ATM Übertragungsgeschwindigkeiten bis an die physikalischen Grenzen durchaus denkbar. In Forschungslabors wurden bereits ATM-Vermittlungen mit Schaltgeschwindigkeiten von bis zu 1 Tbit/s realisiert. Trotz der signifikanten Vorteile von ATM war nicht zu erwarten, dass Unternehmen innerhalb kürzester Zeit ihre gesamte LAN-Installation sowie -Software komplett durch ATM-Technik ersetzen. Dies wäre mit einem derartigen Kostenaufwand verbunden, welcher wohl niemand zu investieren bereit wäre. Um dennoch die Geschwindigkeitsvorteile von ATM einem breiten Spektrum von Anwendungen zugänglich zu machen, wurden in den Spezifikationen RFC1483 'LAN-Emulation' und RFC1577 'Classical-IP' entsprechende Standards definiert, die es ermöglichen, ATM in bestehende LANs zu integrieren bzw. LAN-Software über ein ATM-Netzwerk zu verwenden. Diese Verfahren waren ursprünglich als provisorische Übergangslösung erdacht, bis sie durch eine weite Verfügbarkeit von ATM-Netzen und der entsprechenden Software abgelöst werden können. Allerdings beschränkt sich bis zum heutigen Tag in den allermeisten Anwendungsbereichen der Einsatz von ATM auf LAN-Umgebungen. Auch das experimentelle Videokonferenzsystem 'Visitphone' nutzte ursprünglich ausschließlich die IP-Transportdienste über ATM zur Übertragung der Video- und Audiodaten. 'Visitphone' wurde mit der Zielsetzung entwickelt, eine Video- und Audioübertragung mit bestmöglicher Qualität unter Verwendung handelsüblicher PC-Hardware zu ermöglichen. Bei praktischen Versuchen wurde jedoch festgestellt, dass mit der zur Verfügung gestellten Hardware lediglich ein Videostrom mit einem maximalen Bandbreitenbedarf von etwa 12 Mbit/s in einer Richtung fehlerfrei über das ATM-Netzwerk übertragen werden konnte. Diese Übertragungsrate entspricht einem Video-Kompressionsfaktor von 18, welcher eine deutliche Verfälschung des komprimiert übertragenen Videobildes bedingt. Doch in vielen Fällen, zum Beispiel im medizinischen Bereich, einem der möglichen zukünftigen Anwendungsgebiete von Online-Video/Audio-Datenströmen, ist aber die detailgetreue, flüssige Videobild-darstellung von großer Bedeutung. Da in zahlreichen vorangegangenen Versuchsreihen bereits die Leistungsbeschränkungen von LAN-Übertragungen über ATM gezeigt wurden, sollte die Verwendung eines sogenannten Native-Mode-ATM-Transportdienstes die gewünschten Übertragungsraten zur Verfügung stellen. Die Implementierung einer solchen Transportschnittstelle wurde aber erst durch die Verfügbarkeit des Fore-Winsock2-APIs für Fore-ATM-Adapterkarten möglich. Mit dem im Rahmen dieser Arbeit entwickelten ATM-Socket-Modul wurde eine Programmierschnittstelle geschaffen, die den Zugriff auf die volle Leistungsfähigkeit der ATM-Netzwerke ermöglicht. Die Daten können sowohl über eine vom ATM-Switch vermittelte SVC-Verbindung als auch über eine permanente PVC-Verbindung gesendet werden. Letzteres hat sich als eine sehr einfache, stabile und schnelle Methode zur direkten Datenübertragung zwischen zwei PC-Systemen erwiesen. Durch die Implementierung des ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Multicast-Servers konnte echte Multicast-Funktionalität auf ATM-Netze übertragen werden. Die einfache Struktur des ATM-Socket-Moduls ermöglicht eine problemlose Integration von Native-ATM-Transportdiensten in bestehende oder zukünftige Anwendungen. Darüber hinaus können die Transportmöglichkeiten verschiedener Kommunikationsprotokolle ohne größeren Implementationsaufwand gleichzeitig in einer Anwendung genutzt werden. Abschließende Leistungstests haben ergeben, dass insbesondere bei Verwendung leistungsschwacher Rechnersysteme Native-ATM-Datenübertragungen einen großen Geschwindigkeitsvorteil gegenüber Datenübertragungen über LANs per ATM besitzen. Nur mit Native-ATM war es unabhängig von den eingesetzten Personalcomputern möglich, eine Übertragungsrate der Nutzdaten von mehr als 130 Mbit/s zu erreichen; eine Geschwindigkeit, welche die Grenze der physikalischen Möglichkeiten der verwendeten ATM-Systeme darstellt. Weiterhin ist derzeit nur bei Native-ATM-Transportdiensten die Vereinbarung bestimmter Dienstqualitäten seitens der Anwendungen möglich. Native-ATM ist in jedem Fall eine einfachere Alternative zur Verwendung des LAN-Transportdienstes über ATM-Netze, da die Einrichtung, Konfiguration und Pflege emulierter LANs einem gewissen Aufwand unterliegt

Der testfreundliche Entwurf asynchroner Schaltungen

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Evaluierung der Energie-Effizienz von Sicherheitsmechanismen in drahtlosen Sensornetzen

Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss verschiedener Faktoren auf den Energiebedarf von Sicherheitsmechanismen in drahtlosen Sensornetzen evaluiert. Im Mittelpunkt der Untersuchungen stand insbesondere der Einfluss des Medienzugriffsverfahrens auf den Energiebedarf von (hardwarebasierten) Sicherheitsmechanismen. Als Evaluierungswerkzeuge kam dabei neben dem Testbed SANDBed auch der Simulator AVRORA+ zum Einsatz, dessen Energiemodell im Rahmen dieser Dissertation entstand

Positionierungslösung für Straáenwalzen - Grundlage für eine kontinuierliche Qualitätskontrolle und Dokumentation der Verdichtungsarbeit im Asphaltbau [online]

Kurzfassung Es liegt nahe, im Baubetrieb computerunterstützte Systeme für die Steuerung, Überwachung und Dokumentation der Bauausführung einzusetzen. Abgesehen von der Verbesserung des Arbeitsablaufes und der Arbeitsergebnisse ermöglichen es die Systeme, durch die Speicherung von Arbeits- und Prozeßdaten, die Baumethoden exakt mit Qualitätsmerkmalen, sowie Erstellungs- und Folgekosten zu verknüpfen. Eine betriebswirtschaftliche Analyse für den gesamten Lebenszyklus eines Projektes wird möglich. Im Asphaltstraßenbau bietet sich die Verwendung computerunterstützter Systeme vor allem wegen des Charakters der Verfahrenstechnik an; denn es überwiegen sich wiederholende und klar definierbare Arbeitsschritte. Forschung und Industrie haben sich im letzten Jahrzehnt der Herausforderung gestellt und hochkomplexe Systeme für die kontinuierliche Steuerung, Überwachung und Dokumentation der Bauausführung im Straßenbau entwickelt, man spricht von Computer Integrated Road Construction (CIRC). Die aktuellen CIRC-Maschinensysteme realisieren die Zuordnung der Daten durch eine zwar robuste und präzise, aber auch kostenaufwendige Positionierung. Die hohen Kosten stehen bisher der Durchsetzung der Systeme in der Praxis entgegen. Eine möglichst einfache und kostengünstige Alternative zu bisherigen Positionierungslösungen würde die Anwendung der CIRC-Maschinensysteme fördern. Die vorliegende Untersuchung erarbeitet eine kostengünstige Positionierungslösung für den Walzeinsatz im Asphaltbau. Aus der wertenden Beschreibung der Verfahrenstechnik des Asphaltstraßenbaus (Kapitel 2) und der Prüfungsmethoden, die zur Feststellung der Qualität der fertigen Leistung angewandt werden, wird die Forderung abgeleitet, die Verdichtungsarbeit durch eine gleichmäßige Anzahl von Überfahrten auf der Arbeitsfläche zu verbessern. Es läßt sich feststellen, daß die Anzahl der Überfahrten während der Verdichtungsarbeit entscheidenden Einfluß auf die erzielte Verdichtung hat. Die erforderliche Anzahl an Überfahrten wird, wie die Untersuchung zeigt, in den Randbereichen zumeist unter- und in der Mitte des Verdichtungsbereiches regelmäßig überschritten. Daraus folgt die Notwendigkeit, die Verdichtungsarbeit bereits während der Überfahrten kontinuierlich so zu überwachen, daß sogleich Korrekturen der Fahrmuster und eine zuverlässige Feststellung der je Bahn geleisteten Überfahrten möglich sind. Durch die flächendeckende Überwachung und deren Dokumentation ist es darüber hinaus möglich, von punktuellen Prüfungen der fertigen Leistung auf die gleichmäßige Verdichtung der gesamten Arbeitsfläche zu schließen. Aktuelle CIRC-Systeme für Walzen im Asphaltstraßenbau gliedern sich in Aktive Systeme (Messung von Bodenreaktionskräften, mit oder ohne automatische Regelung der Parameter für die Vibrationsverdichtung) und Passive Systeme (Visualisierung und Dokumentation der Verfahrbahnen, mit und ohne Wegeplanung). Passive Systeme sind dabei mit geringerem meßtechnischen Aufwand realisierbar und bieten, durch die flächige Darstellung der geleisteten Überfahrten, eine aussagekräftige und zuverlässige Kontrollmethode. Dabei verwenden die in Kapitel 3 vorgestellten CIRC-Maschinensysteme sehr teuere, aber hochgenaue RTK-GPS-Empfänger als Basis der Positionierung. Diese erlauben Meßgenauigkeiten bis zu wenigen Zentimetern. Das Konzept eines Passiven Systems für die Überwachung und Dokumentation der Verfahrbahnen einer Walze mit möglichst geringem meßtechnischen Aufwand wird in Kapitel 4 vorgestellt. Die minimalen Anforderungen an die erforderliche Meßgenauigkeit der Positionierung werden untersucht und festgelegt. Diese erlauben nun eine kostengünstigere Realisierung der Positionierung als bisher praktiziert. Es wird begründet, daß die im Vergleich zu bisherigen Anforderungen geringere Meßgenauigkeit ohne Einfluß auf die Leistungsfähigkeit und Anwendbarkeit des Systems der kontinuierlichen Kontrolle ist. Für die Positionierung bietet sich die Satellitennavigation an (Kapitel 5). Die Verwendung eines C/A-Code GPS-Empfängers erweist sich als kostengünstige Lösung und wird in zahlreichen statischen und kinematischen Versuchen untersucht. Dabei wird eine, den gesetzten Anforderungen entsprechende Meßgenauigkeit erreicht. Die Versuche zeigen eine Wiederholbarkeit. Von diesen Ergebnissen ausgehend, wird eine Positionierungslösung für den Baubetrieb auf der Basis kostengünstiger GPS-Empfänger vorgestellt (Kapitel 6). Um die für den Baubetrieb erforderliche und ausreichende Sicherheit der Positionierung zu erreichen, werden zwei voneinander unabhängige kostengünstige GPS-Empfänger eingesetzt und mit einem Geschwindigkeitssensor kombiniert. Dabei wird eine Serie asynchroner Erweiterter Kalman-Filter genutzt, um redundante Messungen zu verarbeiten und zu einer globalen Zustandsschätzung zusammenzuführen. In zahlreichen Feldversuchen hat der Verfasser die neuartige, kostengünstige Positionierung für Walzen untersucht. Sie wurde zuletzt bei umfangreichen Baustellentests während des Forschungsprojektes OSYRIS im September 2002 in Schweden erfolgreich eingesetzt. Das in dieser Arbeit vorgestellte kostengünstige Positionierungssystem für Asphaltwalzen wird zur Zeit durch die MOBA Mobile Automation AG, einen industriellen Partner des Forschungsprojektes OSYRIS, in ein CIRC-System für Asphaltwalzen integriert. Die Vorstellung des Prototyps ist für das Frühjahr 2004 geplant

Entwicklung eines internetbasierten Systems zur Verbreitung von therapeutischem Wissen in der dreidimensionalen Strahlentherapieplanung

In der Dissertation wird das Konzept eines internetbasierten Informationssystems für die Strahlentherapie entwickelt. Das System soll die Ausbildung, den Wissensaustausch und die Forschung auf dem Gebiet der Strahlentherapie unterstützen. Weiterhin hat es die Zielsetzung, den komplexen Prozess der dreidimensionalen Strahlentherapieplanung zu beschleunigen und zu vereinfachen. Das System bietet außerdem eine Plattform zur Diskussion von Problemen und zur gemeinsamen Erarbeitung von Behandlungsrichtlinien bzw. Bestrahlungsplänen zu speziellen Patientendaten. Mit der zusätzlichen Anbindung eines wissensbasierten Systems ist das System in der Lage, automatisch voroptimierte Behandlungspläne, passend zu vorliegenden Fällen, zu generieren. Das dazu benötigte Wissen kann mit Hilfe des Systems über das Internet in Form von Beispielplänen gesammelt und von einem Fachgremium bearbeitet werden. Es werden das erarbeitete Systemkonzept und ein Prototyp vorgestellt. Der Prototyp soll das Konzept verifizieren. Der Name des Prototyps ist IRIS (Internet Based Radiotherapy Information System). Testergebnisse des Prototyps zeigen, dass das System effektiv als Java Applet in einem Internetbrowser laufen kann, und dass ein effizientes Arbeiten mit dem System im Internet möglich ist. IRIS integriert ein Tutorial, ein Diskussionsforum, einen Isodosenatlas, ein Planungsmodul sowie ein Video- und Telekonferenzsystem zu einem Gesamtsystem. Diese Komponenten interagieren miteinander und ergänzen sich zu einem vielseitig einsetzbaren System. IRIS ist als Client-Server Applikation realisiert. Die Benutzeroberfläche, ist ein Java Applet und stellt alle Funktionalitäten des Systems zur Verfügung. Voraussetzung für die Nutzung ist lediglich die Installation eines Internetbrowsers mit einer kleinen Zusatzinstallation, die zusammen mit dem IRIS Applet heruntergeladen werden kann