Über das ESLab (Hardwarelabor) werden im Rahmen des neuen Bachelor/Master - Studienprogramms Praktika zu der Vorlesung „Digitaltechnik und Rechnersysteme“ sowie zu verschiedenen Veranstaltungen in der Vertiefungsrichtung „Embedded Systems“ durchgeführt.

Hierzu stehen in einem modernen Labor insgesamt zwölf gut ausgestattete Arbeitsplätze für Studierende zur Verfügung, zusätzlich zwei speziell ausgerüstete Messplätze. Jeder Arbeitsplatz und jeder Messplatz verfügt über ein leistungsfähiges Rechnersystem, mit dem auch ein Zugang zum Internet gewährleistet ist.

Schwerpunkte

Anwendungen der Informatik sind eine Kombination aus Hardware und Software. Eine hohe Leistungsfähigkeit erhält man nur wenn beide Komponenten gut aufeinander abgestimmt sind. Informationen werden dabei binär dargestellt und elektronisch verarbeitet. Die eingesetzten Rechnersysteme folgen heuteimmer noch weitgehend der Architektur des „Von-Neumann-Rechners“. Moderne Entwicklungen zeigen aber einen strukturellen Wandel, ausgelöst durch die neuen Möglichkeiten in der Realisierung der Hardware und Software. Verschiedene Entwicklungsrichtungen sind erkennbar:

Die Rechnersysteme werden immer mehr integraler Bestandteil der Anwendungen selbst. Man spricht dann von einem „Embedded System“, einem eingebetteten System, bei dem das Rechnersystem als solches dem Anwender verborgen bleibt. Jedes Handy besitzt beispielsweise als funktionellen Kern ein Rechnersystem, mit dem die Information „Sprache“ verarbeitet wird und gleichzeitig alle Funktionen, die zur Kommunikation erforderlich sind, abgewickelt werden. Selbst der Prozess des Sendens und Empfangens über den Hochfrequenzteil des Handys wird digital durchgeführt (Stichwort: „software defined radio“).

Die Vorgehensweise bei der Hardwareentwicklung hat sich grundlegend geändert. Der Entwicklungsprozess einer elektronischen Schaltung entspricht heute eher einer Programmieraufgabe (über Hardwarebeschreibungssprachen wie VHDL oder Verilog) und weniger einem Ingenieurprozess. Der Rechner als Entwicklungswerkzeug ist dabei unverzichtbar. Dadurch ergeben sich eine Vielzahl von neuen Möglichkeiten.

Über neue Techniken versucht man die verschiedenen Nachteile der bisher eingesetzten Rechnersysteme aufzuheben. Von dem gebräuchlichen Konzept „hardware first“, bei dem das Rechnersystem in weiten Teilen starr vorgegeben ist und die unterschiedlichen Funktionen durch Software realisiert werden, rückt man immer mehr ab. Moderne Konzepte sehen in der Zukunft eine in weiten Grenzen variable Hardwareplattform vor, die auf die Anforderungen der einzelnen Anwendungen optimal eingestellt werden kann (Stichwort: „(re)konfigurierbare Logik“). In der Zukunft wird man Anwendungen deshalb eher als ganzheitliches System (Hardware und Software) entwickeln, um damit die höchste Leistungsfähigkeit bei möglichst geringen Abmessungen und niedrigstem Energieverbrauch zu erzielen (Stichwort: „Hardware/Software-Codesign“; allerdings noch schwierig zu realisieren). Zum Hardware/Software-Codesign kennt man bereits Programmiersprachen wie z.B. SystemC. Damit rücken auch die Hardwareaspekte wieder stärker in den Vordergrund der Informatik.

Viele Funktionen, die man heute über Software realisiert, werden in Zukunft in einem stärkeren Maße über Hardware realisiert. Damit lassen sich z.B. nebenläufige Prozesse viel besser abwickeln. Möglich wird dies durch die besseren Möglichkeiten leistungsfähige Hardwarekomponenten zu entwickeln. Als Beispiel kann man hier die Entwicklungen im Bereich „Java in Silicon“ anführen. Ziel dieser Entwicklung ist es, die virtuelle Maschine für Java nicht als Software, sondern als Hardware zu realisieren. Es gibt bereits reine Java-Prozessoren, die Java als „Maschinensprache“ benutzen.

Bei der Realisierung der Hardware spielt die Entwicklung eines Systems auf einem Chip (System-on-Chip) heute eine immer größere Rolle.

Moderne Anwendungen werden als verteilte - zum Teil hochverteile - Systeme realisiert. Neben vielen Vorteilen für die Realisierung von Anwendungen ist kennzeichnendes Merkmal solcher Systeme die Kommunikation. Dabei kommt eine breite Palette von drahtgebundenen und drahtlosen Technologien zum Einsatz. Bei den drahtgebundenen Technologien dominiert immer stärker die Ethernettechnologie. Bei den zur Kommunikation eingesetzten Protokollen zeigt sich in allen Bereichen immer mehr ein Trend in die Richtung TCP/IP-basierte Kommunikation. Für die drahtlose Kommunikation kommen verschiedene Technologien zum Einsatz, abhängig davon, ob man die Kommunikation über geringe Entfernungen (z.B. mit Bluetooth oder Zigbee), über mittlere Entfernungen (z.B. WLAN) oder über große Entfernungen (z.B. UMTS) durchführt.

Ausstattung

Das Labor besitzt verschiedenste Hilfsmittel, um grundlegende Versuche aus den Bereichen"Digitaltechnik und Rechnersysteme" durchzuführen. Für den Aufbau und das Testen von einfachen digitalen elektronischen Schaltungen steht an jeden Arbeitsplatz ein „Digital-Trainer“ zur Verfügung. Zusätzlich verfügt jeder Arbeitsplatz über die Simulationssoftware „Digital Workbench“ zum rechnergestützten Entwurf und zum Testen von elektronischen Schaltungen.

Für die Ausbildung im Bereich der "Rechnersysteme" stehen Experimentiercomputer zur Verfügung, über die man den Aufbau von Rechnersystemen und die Grundlagen der Assemblerprogrammierung praktisch üben kann. Die Bedeutung der Assemblerprogrammierung hat zwar abgenommen, ist aber zum Verständnis der grundlegenden Arbeitsweise von Rechnersystemen notwendig und hat immer noch, besonders bei Systemen mit 8-Bit-Prozessoren, praktische Bedeutung. Daneben existieren eine Reihe von Simulatoren, mit denen man die Assemblerprogrammierung ebenfalls geübt werden kann.

Die modernen Aspekte zum Rechneraufbau und zur Programmierung werden in der Vertiefungsrichtung „Embedded Systems“ diskutiert. Um praktische Erfahrungen zu sammeln stehen eine Reihe von verschiedenen 8-Bit- (basierend auf dem 8051-Core), 16-Bit- (68HC12) und 32-Bit- (ARM7-Core) Systeme zur Verfügung, die auf der Basis von C/C++, bzw. mit Java, programmiert werden können. Diese Systeme gestatten auch eine Kommunikation über Ethernet. Über einen (minimalen) TCP/IP-Protokoll-Stack lassen sich hier auch die verschiedenen Möglichkeiten des Internetworking im Bereich der „embedded system“ realisieren. Für praktische Übungen zur drahtlose Kommunikation werden Experimentiersysteme aus den Bereichen „Bluetooth“ und WLAN zur Verfügung gestellt.
Die Möglichkeiten der programmierbaren Logik kann man über ein FPGA-Entwicklungssystem kennenlernen.

Die Ausstattung gestattet daneben auch die Durchführung von Bachelor/Master-Arbeiten im Bereich „Embedded Systems“.

Gebäude 46 (E), Raum 131

Wissenschaftliche Leitung

Helmut Dohmann

Prof. Dr.

Helmut Dohmann

Rechnerarchitektur, Eingebettete Systeme, Internet der Dinge

Gebäude 46, Raum 123
Prof. Dr. Helmut Dohmann +49 661 9640-336
Sprechzeiten
In der vorlesungsfreien Zeit nach Vereinbarung oder per Aushang in System2Teach.

Laboringenieur

Jan Lange

Jan Lange

Laboringenieur

Gebäude 46, Raum 132
Jan Lange +49 661 9640-3484
Sprechzeiten
Termine nach Vereinbarung