Informatikdidaktische Diskussion über das Design eingebetteter Systeme

Die Ausbildung künftiger Entwickler eingebetteter Systeme ist heute geprägt von einer subjektiven, kulturspezifischen Gestaltung von Lehr-Lernprozessen, welche die Ergebnisse der Kompetenzforschung zumeist nicht berücksichtigen. Es besteht Konsens, dass in Kompetenzmodellen strukturierte Kompetenzen –kognitive Fähigkeiten und Fertigkeiten, um bestimmte Probleme zu lösen –notwendig sind, um zwischen abstrakten Bildungszielen und konkreten Lehr-Lernprozessen zu vermitteln. Damit stellen die Erforschung von Kompetenzmodellen und Pfaden der Kompetenzaneignung grundlegende Forschungsbedarfe zur Hochschuldidaktik der technischen Informatik dar. In dieser Arbeit werden Konzepte zur theoretischen Fundierung von Laborpraktika der technischen Informatik entwickelt, welche auf Ergebnissen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projektes Kompetenzentwicklung mit eingebetteten Mikro- und Nanosystemen (KOMINA) aufbauen. In der vorliegenden Arbeit wird das Verständnis von eingebetteten Systemen als Teil informatischer Curricula insofern erweitert, als dass sich diese Systeme als Lerngegenstand eignen, um Kompetenzen verschiedener Informatikdisziplinen zu fördern und damit nicht auf die technische Informatik beschränkt sind. Eine Taxonomie zur Vergleichbarkeit fachdidaktischer Publikationen zu eingebetteten Systemen wird weiterentwickelt und angewandt, um institutionelle Besonderheiten sowie die Vielseitigkeit des Praxisfeldes zu erfassen. Forschungsgegenstand ist das im Rahmen von KOMINA entwickelte Entwurfs- und Anwendungspraktikum für eingebettete Systeme. Zielgruppe sind Studierende der Informatik. Es werden typische Lernhürden identifiziert, wodurch neue Erkenntnisse, über die formative Evaluation des unter Beteiligung des Autors entwickelten und durchgeführten Praktikums hinaus, gewonnen werden. Diese Erkenntnisse begründen die Notwendigkeit neuer didaktischer Konzepte und lernförderlicher Software unter Berücksichtigung institutioneller Besonderheiten sowie zielgruppenspezifischer Vorkenntnisse. Kognitive Strukturen als Komponente didaktischer Systeme werden in diesem Forschungsprojekt erforscht. Sie dienen als Basis für die informatikdidaktische Verfeinerung des in KOMINA empirisch evaluierten Kompetenzstrukturmodells für das Entwickeln eingebetteter Mikro- und Nanosysteme. Bislang wurden Erarbeitungsreihenfolgen informatorischer Fachkonzepte in didaktischen Systemen betrachtet, welche drei Funktionen besitzen. Die Orientierung der Lernenden im Fachgebiet, die Organisation zur Planung von Lehr-Lernprozessen sowie die Diskussion didaktischer Entscheidungen. In diesem Beitrag zur Grundlagenforschung zur Hochschuldidaktik der technischen Informatik steht die Diskussion didaktischer Entscheidungen bei der Gestaltung von Lehr-Lernprozessen und Pfaden der Kompetenzaneignung im Vordergrund. Deshalb werden die Anforderungen an die Darstellung kognitiver Strukturen – Ausdrucksstärke, Übersichtlichkeit und Nachvollziehbarkeit – zugunsten der Diskussion didaktischer Entscheidungen angepasst. Der Autor stellt Forschern zur Hochschuldidaktik der technischen Informatik Konzepte bereit, die es ermöglichen Fachkonzepte und Lehr-Lernprozesse zu analysieren sowie durch Anpassung an institutionelle Besonderheiten theoretisch fundiert zu gestalten. Dies sind insbesondere eine Taxonomie zur Identifikation von Lernhürden, die Methodik zur Ausdifferenzierung von Kompetenzen mit Bezug zu den identifizierten Lernhürden, die Visualisierung kognitiver Strukturen mit diesen Kompetenzen im Zentrum sowie die in der Hauptverantwortung des Autors entwickelte lernunterstützende Software Explorative Learning and Visualization Environment. Diese dient als Beispiel für den Einsatz von Simulationen in Laborpraktika der technischen Informatik. Es wird damit exemplarisch gezeigt, wie die informatikdidaktische Verfeinerung des Kompetenzstrukturmodells in Verbindung mit kognitiven Strukturen und lernförderlicher Software zur Überwindung der mithilfe der entwickelten Taxonomie identifizierten Lernhürden eingesetzt werden können.Today, the education of future developers of embedded systems is characterized by a subjective, culture-specific design of teaching and learning processes. This design, mostly, does not take the results of research on competences into account. There is a consensus that competences – cognitive abilities and skills used to solve specific problems – and competence models are needed to mediate between abstract and concrete educational goals of teaching and learning processes. Therewith, the exploration of competence models and paths of competence acquisition are fundamental research needs for didactics of computer engineering at university. Within this work, based on the results of the project competence development with embedded micro- and nanosystems (KOMINA) funded by the German Research Foundation, approaches for a theoretical foundation of laboratory courses of computer engineering have been developed. Within this thesis, the understanding of embedded systems as a part of computer science curricula has been broadened since it is not limited to computer engineering. While these systems are also suitable as learning objects to promote competences within various computer science disciplines. A taxonomy to foster the comparability of research on didactics of computer engineering is further developed and applied in order to conceive institutional particularities and the versatility of the practice field. The design and application laboratory for embedded systems, developed in the context of KOMINA, is the object of research. Students of computer science are the target group. In addition to the formative evaluation of the developed laboratory the taxonomy enables the identification of typical learning barriers. These findings justify the need for new educational concepts as well as learning software, taking institutional particularities and target group specific knowledge into account. Cognitive structures as a component of Didactic Systems are investigated. As they serve as a basis for the refinement of the empirically evaluated competence structure model for the development of embedded micro- and nanosystems. So far, the sequences of teaching units have been considered in Didactic Systems, which posses three functions. The orientation of the learner in the topic, the organization of the planning of teaching and learning processes as well as the discussion of didactic decisions. In this work, regarding the contribution to basic research on didactics of computer engineering at university, the discussion of didactic decisions in the design of educational processes and paths of competence acquisition has priority. Therefore, the demands on the representation of cognitive structures – expressiveness, clarity and comprehensibility – are adjusted in favor of the discussion of didactic decisions. The author provides concepts which allow researchers to analyze technical concepts as well as to develop educational processes in a theoretically established manner. These are, in particular, a taxonomy to identify learning barriers, the methodology for the differentiation of competences related to the identified learning hurdles, and the visualization of cognitive structures with these competences at center. Additionally, the learning software Exploratory Learning and Visualization Environment, that has been developed with the author’s responsibility, is presented. This software serves as an example for the use of simulations in laboratory courses of computer engineering. Thus, the combination of the refinement of the competence structure model in conjunction with cognitive structures in addition to learning software, which can be applied to overcome the identified learning hurdles, is shown as an example

Zertifizierbarer Entwicklungsprozess für komplexe Informationsverarbeitungssysteme in der Wägetechnik

The dissertation is about principles, methods and techniques during the systematic development of embedded systems in the domain of measurement techniques. The considered domain contains fields of application with challenging and specific requirements of the information processing system. E.g. the dynamic weighing systems need solutions with very high resolution and lowest achievable measurement uncertainty in order to perform high-speed-measurements in a mechanically disturbed environment. In particular, the abilities for official calibration and metrologic reliability are considered. The complex and high-performance functions are required to guarantee measurement results. FPGA-based systems are used for the implementation of these functions.The especially designed certifiable development process (ZEfIRA) provides a procedural method for the development of complex embedded systems. The metrologic reliability, the legal requirements like calibratability, the validation and the verification are included as a general criteria in the entire development process. ZEfIRA is based on the 3W-model and is designed in an evolutionary manner. This process starts with the analysis of a predecessor system followed by the model-based development of a prototype, which leads into an optimized and application-specific product solution.The study emphasizes the influence of challenging requirements on the measurement system. It will be presented, how these can be integrated into the modelling level during the design and the implementation on a FPGA-based target platform. The stages of the functional and technical design of the system are analysed, whereas the realization of the partitions “FPGA logic” and “FPGA softcore solutions” are discussed in detail.Based on the preliminary design of the information processing in an electromagnetic force compensation (EMC) scale, the applicability of the process ZEfIRA and its developed methods and principles are proved. On the one hand, the optimal system-specific algorithms of signal processing, control and safety and on the other hand whose technical implementation are essential. This was realized with different performance parameters. In addition, the prototype allows the possible comprehensive analysis for embedding system. In the conclusion, the performance of ZEfIRA based on the prototype development is evaluated.Die Dissertation befasst sich mit Prinzipien, Methoden und Techniken der systematischen Entwicklung von komplexen Eingebetteten Systemen. Die betrachtete Domäne besitzt Anwendungsbereiche mit anspruchsvollen und besonderen Anforderungen an die Informationsverarbeitung. In der dynamischen Wägetechnik sind z.B. Lösungen mit sehr hohen Auflösungen und kleiner Messunsicherheit bei schnellen Messungen in einem mechanisch gestörten Umfeld notwendig. Die Anforderungen an die Eichfähigkeit und die Metrologische Sicherheit sind Besonderheiten. Es werden komplexe und hochleistungsfähige Funktionen zur Erzeugung der Messergebnisse verlangt. In der Arbeit werden dafür vorwiegend FPGA-basierte Eingebettete Systeme verwendet. Der entworfene zertifizierbare Prozess (ZEfIRA) bietet eine Vorgehensweise für die Entwicklung von Eingebetteten Systemen. Die Metrologische Sicherheit, die Eichfähigkeit, die Validier- und der Verifizierbarkeit werden als Kriterien im gesamten Entwurfsprozess berücksichtigt. ZEfIRA basiert auf einem 3W-Modell und ist evolutionär angelegt. Innerhalb des Prozesses werden die Analyse eines eventuellen Vorläufersystems sowie die modellbasierte prototypische Entwicklung bis hin zu einer produzierbaren Lösung (Produkt) durchgeführt. Die Arbeit verdeutlicht den großen Einfluss der spezifischen Anforderungen an das Messsystem. Es wird gezeigt, wie diese bereits zu der Entwurfszeit auf Modellebene und im Weiteren bei der Implementierung in einer FPGA-basierten Zielplattform berücksichtigt werden. Es werden verschiedene Schritte des funktionalen und technischen Systementwurfs untersucht und ausführlich die Realisierungspartitionen „FPGA-Logik“ und „FPGA-Softcore-Lösungen“ betrachtet. Als Beispiel zum Nachweis der Anwendbarkeit des Prozesses ZEfIRA dient die prototypische Entwicklung des Informationsverarbeitungssystems einer elektromagnetischen Kraftkompensationswaage (EMKW). Ausschlaggebend sind die optimal an das Gesamtsystem angepassten Signalverarbeitungs-, Regelungs- und Sicherheitsalgorithmen und deren technische Umsetzung. Dieses wurde mit verschiedenen Leistungsparametern, wie z.B. Latenz, Verarbeitungskomplexität und Genauigkeit realisiert. Ergänzend ermöglicht der Prototyp umfassende Analysemöglichkeiten für das Messsystem. Die abschließende Wertung ist eine Abschätzung der Leistungsfähigkeit von ZEfIRA auf Basis dieser prototypischen Entwicklung

On-Chip-Netzwerk-Architekturen für eingebettete hierarchische Multiprozessoren

Ax J. On-Chip-Netzwerk-Architekturen für eingebettete hierarchische Multiprozessoren. Bielefeld: Universität Bielefeld; 2019.Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Realisierung und Analyse einer skalierbaren Verbindungsstruktur für ein Multi-Prozessorsystem auf einem Chip (MPSoC). Durch die zunehmende Digitalisierung werden in immer mehr Geräten des täglichen Lebens und der Industrie mikroelektronische Systeme eingesetzt. Hierbei handelt es sich häufig um energiebeschränkte Systeme, die zusätzlich einen stetig steigenden Bedarf an Rechenleistung aufweisen. Ein Trend, diesen Bedarf zu decken ist die Integration von zunehmend mehr Prozessorkernen auf einem einzelnen Mikrochip. Many-Core-Systeme mit vielen hunderten bis tausenden ressourceneffizienten CPU-Kernen versprechen hierbei eine besonders hohe Energieeffizienz. Im Vergleich zu Systemen mit wenigen leistungsfähigen, jedoch auch komplexeren CPUs, wird bei Many-Cores die Rechenleistung durch massive Parallelität erzielt. In der AG Kognitronik und Sensorik der Universität Bielefeld wird dazu das CoreVA-MPSoC entwickelt. Um hunderte von CPUs auf einen Chip zu integrieren, verfügt das CoreVA-MPSoC über eine hierarchische Verbindungsstruktur. Diese besteht aus einem On-Chip-Netzwerk (NoC), welches eine Vielzahl von CPU-Cluster koppelt. In jedem CPU-Cluster sind mehrere ressourceneffiziente VLIW-Prozessorkerne über eine eng gekoppelte Bus-Struktur verbunden. Der Fokus dieser Arbeit ist die Entwicklung und Entwurfsraumexploration einer ressourceneffizienten NoC-Architektur für den Einsatz im CoreVA-MPSoC. Die Entwurfsraumexploration findet dazu auf verschiedenen Ebenen statt. Auf der Ebene der Verbindungsstruktur des NoCs werden verschiedene Topologien und Mechanismen der Flusskontrolle untersucht. Des Weiteren wird die Entwicklung und Analyse eines synchronen, mesochronen und asynchronen NoCs vorgestellt, um die Skalierbarkeit und Energieeffizienz dieser Methoden zu untersuchen. Eine weitere Ebene bildet die Schnittstelle zum Prozessorsystem bzw. CPU-Cluster, die einen maßgeblichen Einfluss auf die Softwareentwicklung und Gesamtperformanz des Systems hat. Auf Systemebene wird schließlich die Anbindung verschiedener Speicherarchitekturen an das NoC vorgestellt und deren Auswirkung auf Performanz und Energiebedarf analysiert. Ein abstraktes Modell des CoreVA-MPSoCs mit Fokus auf dem NoC erlaubt die Abschätzung von Fläche, Performanz und Energie des Systems, bzw. der Ausführung von Streaming-Anwendungen. Dieses Modell kann im CoreVA-MPSoC-Compiler für die automatische Abbildung von Anwendungen auf dem MPSoC eingesetzt werden. Zehn Streaming-Anwendungen, vorwiegend aus dem Bereich der Signal- und Bildverarbeitung, zeigen bei der Abbildung auf einem CoreVA-MPSoC mit 32 CPUs eine durchschnittliche Beschleunigung um den Faktor 24 gegenüber der Ausführung auf einer CPU. Ein CoreVA-MPSoC mit 64 CPUs und insgesamt 3MB Speicher besitzt bei einer prototypischen Implementierung in einer 28-nm-FD-SOI-Standardzellenbibliothek einen Flächenbedarf von 14,4mm2. Bei einer Taktfrequenz von 700MHz liegt die durchschnittliche Leistungsaufnahme bei 2W. Eine FPGA-basierte Emulation auf einem FPGA-Cluster aus Xilinx Virtex-5-FPGAs erlaubt zudem eine skalierbare Verifikation eines CoreVA-MPSoCs mit nahezu beliebig vielen CPUs

Flexible und plattformunabhängige Entwicklung mikrocontrollerbasierter mechatronischer Systeme für Nutzer ohne Vorwissen

Der steigende Bedarf an mikrocontrollerbasierten mechatronischen Systemen ist heute nicht mehr zu übersehen. Zur Deckung des Bedarfs werden gewöhnlich modellbasierte Methoden eingesetzt, welche die Arbeit der Experten beschleunigen. Diese Methoden sind aber selbst für technikbegeisterte Laien oft nicht einsetzbar, da sie ein fundiertes Vorwissen voraussetzen. An dieser Stelle setzt die vorliegende Arbeit an. Sie stellt verschiedene Konzepte vor, mit welchen es möglich ist, die elektronische Hardware und die Software für mikrocontrollerbasierte mechatronische Systeme zu entwickeln, ohne dass hierfür Vorwissen auf den Gebieten der Elektronikentwicklung oder der Informatik benötigt wird. Eine solche Vereinfachung geschah bisher gewöhnlich nur durch die Kapselung hardwarenaher Funktionen in abstrakten Modulen. In der vorliegenden Arbeit wird jedoch ein anderer Weg gewählt. Die Nutzer sollen während der Nutzung ein Grundverständnis für die Funktionsweise mechatronischer Systeme erlangen.In this thesis new concepts for designing development systems for mechatronic systems are introduced. The concepts allow flexible and simple usage, even if the users don’t have prior expert knowledge. For this purpose, approaches are presented, which allow a transparent illustration of the mode of operation of sensors, actuators and used platforms, allowing users to understand related technical topics.In the first part of the thesis, basic knowledge and the state of the art are presented. After this, the concepts of the microsystems development systems “EasyKit” and “EasyKit macht Schule” are described. In these systems microcontrollers are used as platform, because they already contain a high functional integration. Because of this, novice users prefer to use them as platform of choice. The electronic circuits, including the microcontroller, are provided in shape modular hardware blocks. They are programmed graphically with modular software blocks. The approach of programming introduced, uses a combination of the advantages of sequential function charts and synchronous data flow charts which increases the flexibility. Tests showed that even users without prior technical knowledge were able to program the microcontroller with these languages.The EasyKit concept was advanced, to offer increased flexibility and simplicity during programming. Besides, there was the goal to give users without expert knowledge the capability of developing electronics on the circuitry level, which is far more flexible than developing on the modular level. For this purpose, requirements are analyzed and new approaches are presented in the thesis. The most important approach, to make the soft-ware development more flexible, is the introduction of a new additional programming level, which supports graphical and textual programming methods at the same time. For assisting the user during the hardware development on the circuitry level, approaches are presented, which allow modeling most sensors and actuators, by abstracting them to their types of interfaces. Through this, the user can be supported when developing driver circuits to be used between the sensors, actuators and the microcontroller. Besides, this approach allows a comprehensible visualization of the signal behavior and the signal transformation at the interface of the microcontroller. Further approaches to increase the usability during the development phase are also presented in the thesis.The most promising approaches were implemented to a development environment and tested with members of the target audience

Forum - Ausgabe 2016

Informiert über die Forschungsaktivitäten an der Hochschule Konstanz im Jahr 2016. Supplement to the German edition: Chapter "Experts" in English edition, Professors of the HTWG an their expertises and research area

Synthese und Racematspaltung chiraler 9,9‘-Spirobifluorene und 4,5-Diaza-9,9‘-spirobifluorene als potenzielle Affinitätsmaterialien für Quarzmikrowaagen

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Synthese und Charakterisierung potenzieller neuer Affinitätsmaterialien für Quarzmikrowaagen. Aufgrund der Anforderungen an ein geeignetes Affinitätsmaterial – neben der gewünschten Selektivität – wurden zwei Leitstrukturen entwickelt: 9,9‘-Spirobifluorene mit Bipyridin-Substituenten und funktionalisierte 4,5-Diaza-9,9‘-spirobifluorene. Um ein möglichst breites Spektrum an potenziellen Sensormaterialien zur Verfügung stellen zu können, wurde die Synthese auf die Bereitstellung eines „Baukastens“ ausgerichtet. Dieser sollte schließlich 9,9‘-Spirobifluorene, 4,5-Diaza-9,9‘-spirobifluorene und Bipyridine enthalten, die sich prinzipiell durch Übergangsmetall katalysierte Kreuzkupplungsreaktionen zu größeren Strukturen miteinander verknüpfen lassen. Der schließlich etablierte „Baukasten“ umfasst sowohl einfach substituierte 9,9‘-Spirobifluorene als auch entsprechende 4,5-Diaza-9,9‘-spirobifluorene, die als „Stopper“ bzw. Endgruppen größerer Strukturen dienen können. Als „Verbindungsstücke“ dienen zwei unterschiedliche Bipyridine: Eine symmetrische Verbindung, geeignet für die Verknüpfung zweier gleicher Spiro-Verbindungen, und ein asymmetrisches Bipyridin, welches die Möglichkeit bietet, unterschiedliche Bausteine sukzessive nacheinander zu verknüpfen. Neben den „Stoppern“ und den beiden „Linker“-Varianten wurden im Rahmen dieser Arbeit mehrfach funktionalisierte Derivate der beiden spirozyklischen Stammgerüste als zentrale Bausteine größerer Strukturen zur Verfügung gestellt. Zwei der Verbindungen stellen dabei die ersten bekannten Derivate des 4,5-Diaza-9,9‘-spirobifluorens dar, die gezielt einfach am Bipyridin-Segment funktionalisiert wurden. Um die Möglichkeit einer chiralen Erkennung zu eröffnen, wurde auch eine Reihe chiraler Bausteine dargestellt. Die Racematspaltung dieser Verbindungen wurde mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) an chiralen stationären Phasen etabliert. Durch Anwendung unterschiedlicher Methoden wurden zudem die absoluten Konfigurationen der erhaltenen enantiomerenreinen Verbindungen eindeutig bestimmt. Das im Rahmen der Untersuchungen zur Enantiomerentrennung dieser Verbindungen erworbene Know-how wurde im Folgenden auch für die Racematspaltung einer Reihe anderer Substanzen unterschiedlichster Struktur genutzt. Im Falle der (semi-)präparativen Trennungen eines Spiropentazyklus‘ aus der Arbeitsgruppe Waldvogel sowie zweier Tribenzotriquinacene aus der Gruppe von Hopf konnten erstmals die absoluten Konfigurationen dieser Verbindungen bestimmt werden. Von den im Rahmen dieser Arbeit dargestellten Verbindungen wurden schließlich sechs hinsichtlich ihrer Eignung als Affinitätsmaterialien für eine Reihe unterschiedlicher Analyten untersucht. Sowohl die Bipyridin-Derivate als auch die 4,5-Diaza-9,9‘-spirobifluorene zeigen eine gute Affinität zu BTEX-Aromaten. Unter den 4,5-Diaza-9,9‘-spirobifluorenen besitzen die höher-substituierten Derivate höhere Absolutwerte der Affinitäten als die Stammverbindung und die Dibrom-Verbindung. Insbesondere das symmetrische Bipyridin-Derivat zeigt eine sehr gute Differenzierung innerhalb der kleinen BTEX-Aromaten. Darüber hinaus besitzt es, ebenso wie zwei Diaza-Verbindungen, eine signifikante Affinität zu dem Sprengstoff Triacetontriperoxid (TATP). Somit konnte gezeigt werden, dass beide Substanzklassen – Bipyridin-Derivate des 9,9‘-Spirobifluorens und funktionalisierte 4,5-Diaza-9,9‘-spirobifluorene – ein großes Potenzial als Affinitätsmaterialien in Quarzmikrowaagen besitzen