Fragebogen PDF - Invent a Chip
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FR AGEBOGEN V D E - B M B F - A K T I O N 20 17 t f n u k u Z e i d n i ? h l i c b u e Mo t g e w e b s – Wa Mobil und beweglich sein – diesen Wunsch haben alle Menschen gleichermaßen, in der Stadt und auf dem Land. Die Wege führen zur Schule oder zur Arbeit, ins Kino oder raus aufs Land, zu Freunden oder zum Shopping – und natürlich wieder zurück nach Hause, zu Fuß, mit dem Rad, mit Bus und Bahn oder dem Auto. Doch die Mobilität von morgen wird anders sein. Nicht nur, weil vielleicht bald Autos autonom, also selbstständig fahren. Zunehmende Vernetzung und digitale Daten im Fahrzeug, im­ mer mehr Menschen in Ballungszentren und damit immer mehr Verkehr, die effektive Verzahnung aller möglichen Verkehrsmittel, aber auch emissionsfreie Antriebe und die Notwendigkeit einer umweltschonenden Umsetzung: die nachhaltigen Mobilitäts­ konzepte der Zukunft müssen vieles berücksichtigen. „Wenn ich die Menschen gefragt hätte, was sie wollen, hätten sie gesagt: schnellere Pferde.“ Dieser legendäre Satz des ame­ rikanischen Automobilherstellers Henry Ford (1863 – 1947), der vor hundert Jahren mit dem Einsatz der Fließbandarbeit die PKW-Branche revolutionierte und damit Autos für eine breite Masse erschwinglich machte, zeigt eines: Visionäres Denken löst sich von herkömmlichen Mustern. Die hohen Pferdestärken sind längst in unserem Alltag angekommen, jetzt gilt es, neue Wege für eine zukunftsfähige Mobilität zu beschreiten. Mikrochips spielen eine große Rolle, z. B. zur Auswertung der immensen Datenmengen aller vernetzen Sensoren. Wie bewegt ihr euch in der Zukunft ? Welche Ideen hast du für eine Chipanwendung ? Auf welches Pferd setzt du ? Wer noch keine Chipidee hat – wir freuen uns auch über eure Texte und Anregungen zum Zukunftsthema „New Mobility“. 20 17 Neugierig geworden auf die Welt der Mikrochips ? Dann elektronische Systeme (IMS) der Leibniz Universität Hannover beant­worte als erstes die 20 Fragen – und motiviere viele zeigen euch in einem Workshop, wie es geht. Während der deiner Mitschülerinnen und Mitschüler zum Mitmachen ! Die Praxisphase des Wettbewerbs könnt ihr euch jederzeit mit Schulen mit den meisten Fragebögen erhalten nämlich einen euren Betreuern oder den anderen Teams austauschen. Schulpreis, den ihr für eine tolle Party oder die technische Zuhause benötigt ihr einen PC mit Internetanschluss, Ausstattung von Arbeitsräumen einsetzen könnt. Spicken ist Durchhalte­vermögen und Freude an der fortlaufenden übrigens erlaubt – vielleicht geben dir eure Fachlehrkräfte, Umsetzung in den folgenden vier Monaten. Wir wünschen Studierende, Techniker, Ingenieure oder Wissenschaftler im euch viel Spaß und Erfolg ! Bekanntenkreis hilfreiche Tipps beim Ausfüllen. Habt ihr Ideen, Anregungen, Wünsche oder auch Ängste Du willst genauer wissen, wie Chips entwickelt werden und zum Thema der Mobilität der Zukunft ? Hierzu findet ihr im hast eine Idee für einen Mikrochip und seine mögliche Anwen­ Anschluss an diesen Fragebogen im Internet die Möglichkeit dung ? Schau dir auch das Beispiel im Menüpunkt „Infos und zum Texteintrag oder Upload eines Dokumentes. Unter allen Tipps“ auf www.invent-a-chip.de an oder die Ideen der Einträgen verlosen wir die Teilnahme an Programmpunkten vergangenen Jahre unter „Siegerprojekte“. in München. Du kannst dich gerne vom Thema „New Mobility“ inspirieren Unter www.invent-a-chip.de ist der Onlinebogen bis zum lassen. Einreichungen zu anderen Themen sind selbst­ 31. März 2017 frei geschaltet. Nach Ablauf dieses Termins ist verständlich gleichrangig willkommen. Bewirb dich mit kein Eintrag mehr möglich. deiner Idee alleine oder im Team von maximal 4 Personen Der Rechtsweg ist ausgeschlossen, es gilt das Datum des für die Praxis­phase. Die Experten des Institutes für Mikro­ Eintrags. Bei gleichwertigen Einreichungen entscheidet das Los. Teilnehmer/innen Teilnehmer/innen ohne Chipidee Teilnahmezertifikate und Antwortbogen Schülerin oder Schüler der Jahrgangsstufe 8 bis 13 Jede/r Teilnehmer/in, ganz gleich ob mit oder ohne Antwortbogen bis zum 31. März 2017 online ausgefüllt Chipidee, erhält ein individuelles Teilnahmezertifikat Teilnahme für Schulpreis mit Punktzahl und den Antwortbogen. Für Klassen bzw. (mindestens 10 von maximal 20 Punkten) Kurse können die einzelnen Leistungen dargestellt werden. Lehrkräfte bekommen unter Angabe ihrer E-Mail zusätzlich: Bewerbung mit Chipidee ebenfalls den Lösungsbogen zugeschickt. Einzelteilnehmer oder Team von maximal 4 Personen Hochladen der Chipidee als Dokument – eindeutigen Dokumenten­namen wählen ( = Titel Chipidee) Schulpreis 2017 Die Schulen mit den meisten Teilnehmern und besten Lösungen erhalten Geldpreise in Höhe von 1.000, 500 WICHTIG für Teams bei Bewerbung mit Chipidee oder 250 Euro. Jedes Teammitglied muss den Antwortbogen ausfüllen, es können keine Personen nachträglich benannt werden Teamnamen wählen und Anzahl der Teammitglieder angeben Teamsprecher bestimmen – nur dieser lädt das Dokument mit der Chipidee hoch Praxisphase Chipentwicklung Die zehn besten Teilnehmer/innen bzw. Teams, die von der Jury ausgewählt werden, nehmen an der Praxisphase teil und konstruieren selbstständig einen funktionsfähigen Chip. Tatkräftige Unterstützung erhaltet ihr dabei von Wissenschaftlern der Leibniz Universität Hannover. Zu gewinnen gibt es hochwertige Preise (Geldpreise von 3.000, 2.000 und 1.000 Euro sowie Praktika) und eine Menge Kontakte – die Sieger(teams) stellen ihre Ideen u. a. auf dem MikroSystemTechnik Kongress am 23. Oktober 2017 bei München vor. Nähere Informationen im Wettbewerbs-Flyer oder unter www.invent-a-chip.de 2 20 17 y“ ilit b o M „New u z ragen F : 1 Teil Alle Verkehrsbranchen sind mit der Digitalisierung und neuen Technologien konfrontiert: die Automobilindustrie muss die Autos vernetzen und völlig neue Sensoren einbauen, um das autonome Fahren zu ermöglichen, Busse und Bahnen bekom­ men neue Informationssysteme für Fahrgäste im Fahrzeug oder durch Internetzugriff, selbst das Fahrrad wird als Pede­lec und E-Bike elektrifiziert. In der Mobilität wird Elektronik daher immer wichtiger. So besitzt bereits heute ein aktuelles Fahrzeug eine Vielzahl von einzelnen Mikrochips – beispielsweise für die Bremsassistenzsysteme von PKW, LKW, Bussen und Eisen­ bahn-Triebfahrzeugen, die das Blockieren der Räder verhindern. Auch Aufgaben zur Komfortsteigerung werden durch immer mehr Mikrochips erledigt, wie die Messung des Verschleißes der Bremsscheiben oder zur Steuerung der Klimaautomatik. Für das autonome Fahren werden viele Sensoren gebraucht, etwa Kameras zur Verkehrszeichenerkennung und Radar und Lidar zur Umgebungsbeobachtung. Dabei muss sehr viel in Echtzeit berechnet werden, was kaum in normalen Computern geschieht, weil diese sehr heiß werden und viel Energie verbrauchen. Also entwickeln Ingenieure für diese speziellen Funktionen neue Mikrochips und Software, um diese Herausforderungen auch in Zukunft meistern zu können. Die Fragen 1Fahrzeugplanung 2Beschleunigungsmessung Im Linienverkehr bei S-Bahnen, Straßenbahnen und Viele Autofahrer nutzen die nahezu exakte Positions­ Bussen ist es üblich, dass die Fahrzeuge zwischen bestimmung über ein globales Navigationssystem wie den Endstationen A und B hin und her fahren. Für GPS. Dabei benötigt ein Empfangsmodul Kontakt die Betriebsplanung ist es natürlich wichtig zu wissen, zu mindestens vier Satelliten, um neben den drei wie viele Fahrzeuge auf einer Linie verkehren müssen. Ortskoordinaten auch die notwendige Laufzeitdiffe­ Eine Straßenbahn befährt die Strecke von 25 km zwi­ renz bestimmen zu können. Verliert der Empfänger schen A und B mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit den Kontakt zu den Satelliten (z. B., wenn ein Tunnel von 20 km/h. An den zwei Endstationen sind jeweils durchfahren wird), treffen GPS-Navigationsgeräte eine 10 Minu­ten Pause vorgeschrieben. kontinuierliche Positionsabschätzung basierend auf Wie viele Fahrzeuge benötigt man, wenn im internen Sensoren, um dennoch zu jedem Zeitpunkt 20-Minuten-Takt gefahren werden soll und wie viel Minuten „Pufferzeit“ gibt es in jeder Richtung für Verspätungen ? eine verlässliche Anzeige zu bieten. Welcher der im folgenden gelisteten Sensoren wird zur Beschleunigungsmessung verwendet ? A 9 Fahrzeuge, 5 Minuten Pufferzeit AAltimeter B 8 Fahrzeuge, 5 Minuten Pufferzeit BGyroskop C 7 Fahrzeuge, 3 Minuten Pufferzeit CAccelerometer D 10 Fahrzeuge, 10 Minuten Pufferzeit DLambdasonde 3 20 17 3 Kommunikation zwischen integr. Schaltkreisen daher kritisch beachtet werden, um eine Überhitzung Zur Kommunikation zwischen integrierten Schaltkrei­ und dadurch Schäden zu verhindern. sen (z. B. zwischen einem Mikrocontroller und einem Wie hoch ist die Verlustleistung eines Linear- Sensor mit digitaler Schnittstelle) werden häufig serielle reglers, wenn eine Spannung von 12 V auf 3,3 V Kommunikationsprotokolle eingesetzt, die nur eine heruntergeregelt werden soll und der Laststrom Signalleitung benötigen und auf der die Daten „hinter­ 440 mA beträgt ? einander“ übertragen werden. Gerade in Fahrzeugen A 0,75 W bieten serielle Schnittstellen zwar oft eine reduzierte B 1,5 W Datenübertragungsrate gegenüber parallelen Proto­ C 3,8 W kollen, sie benötigen allerdings auch weniger physika­ D 5,3 W lische Pins bzw. Leitungen und verringern so den Auf­ wand und die Komplexität der Verdrahtung. Mit einer einzigen Signalleitung statt der acht parallelen für die 5Pegelwandlung gleichzeitige Übertragung eines Bytes zwischen zwei integrierten Schaltkreisen lässt sich das Gewicht der Mit teilweise fest vorgegebenen Versorgungsspannun­ Verdrahtung um beachtliche 87,5 % reduzieren, was gen von integrierten Schaltkreisen wird die Verbindung am Ende Treibstoff spart oder mehr Zuladung erlaubt. dieser untereinander teilweise eingeschränkt. Es muss Das Serial Peripheral Interface (SPI) gehört zu den am stets beachtet werden, dass ICs, die mit einer Span­ häufigsten eingesetzten Protokollen und arbeitet nach nung von 3,3 V versorgt werden, nicht direkt mit ICs dem Master/Slave-Prinzip. mit einer Spannungsversorgung von 5 V verbunden Wie viele Pins werden an einem Mikrocontroller werden können, da die höhere Spannung Schaden am benötigt, wenn dieser als SPI-Master mit 23 Sla- Bauteil anrichten kann. Um dennoch eine Verbindung ves an einem Bus bidirektional kommunizieren zwischen Bausteinen mit verschiedenen Spannungs­ soll (ohne die gemeinsame Masseverbindung pegeln herstellen zu können, werden sogenannte als Referenzspannung) ? A23 Pegel­wandler benötigt. Welcher der abgebildeten Schaltkreise erlaubt B24 eine bidirektionale Pegelwandlung zwischen C25 dem Signal Ua und dem Signal Ub ? Ua ist mit D26 einem von einer 5 V Spannungsquelle versorgten IC verbunden und Ub mit einem von einer 3,3 V Spannungsquelle versorgten IC. 4 Verlustleistung in elektronischen Komponenten Die unterschiedlichen integrierten Schaltkreise (engl. A B Ua (5V) Integrated Circuit, IC) in elektronischen Schaltungen benötigen häufig unterschiedliche Versorgungsspan­ 5kΩ nungen. In digitalen Schaltungen sind üblicherweise 5kΩ Ua (5V) 3,3 V und 5 V als Versorgungsspannungen zu finden. Ub (3.3V) Ub (3.3V) 10kΩ Einfache Netzteile stellen jedoch nur eine Ausgangs­ spannung zur Verfügung, welche unter Umständen konvertiert werden muss, damit nachgeschaltete Bau­ teile keinen Schaden nehmen. Auch die in PKW ver­ bauten Autobatterien verfügen über einen 12 V Span­ nungsausgang und brauchen daher eine Spannungs­ C D wandlung, um die im Fahrzeug vorhandene digitale +5V 3.3V +3.3V Schaltungstechnik zu versorgen. Hierzu werden u. a. Linearregler eingesetzt, die sich durch eine einfache Zusatzbeschaltung und kompakte Maße auszeichnen. Allerdings erhitzen sich Linearregler schnell, da sämt­ liche Energie des Konvertierungsvorganges in Wärme umgewandelt wird. Dies muss beim Schaltungsdesign 4 10kΩ 10kΩ 10kΩ Ub (3.3V) 10kΩ Ua (5V) Ua (5V) Ub (3.3V) T1 20 17 6Tachograph sich die durchschnittliche Auslastung wie Zur Protokollierung der Lenk- und Ruhezeiten sowie erwartet erhöht ? der gefahrenen Kilometer und Geschwindigkeit werden in gewerblich genutzten LKW Fahrtenschreiber gesetz­ A um ca. 41 % lich verpflichtend installiert. Moderne digitale Tacho­ B um ca. 56 % graphen müssen in einem internen Speichermodul bis C um ca. 63 % zu einem Jahr lang die gemessenen Daten speichern D um ca. 74 % können. Sobald der Speicher voll beschrieben ist, werden die ältesten Daten nach und nach überschrie­ ben („Ringspeicher“). Im Extremfall ist ein Fahrzeug 24 Stunden am Tag und 365 Tage im Jahr im Einsatz (ein rechtzeitiger Fahrerwechsel gemäß den geltenden Vorschriften vorausgesetzt). Es wird angenommen, dass die Geschwindigkeit mit 1 Byte kodiert wird und sekündlich aufgezeichnet wird. Wie groß muss der Speicher des Tachographen mindestens dimensioniert sein, um für ein Jahr lang die Geschwindigkeit aufzeichnen zu können ? A 1,887 GByte B 252,288 Mbit C 4204,8 KByte D 145311,18 Kbit 7Verlustleistungsminimierung 8Displayansteuerung In einer in einem Auto eingesetzten Messschaltung ist Ein in der Autokonsole verbautes Farbdisplay, welches zur Steuerung ein Mikrocontroller verbaut, welcher mit zur Anzeige von Fahrzeugdaten verwendet werden der maximalen Taktfrequenz von 20 MHz arbeitet. Eine soll, ist über ein Serial Peripheral Interface (SPI) an Untersuchung hat ergeben, dass der Mikrocontroller einen Mikrocontroller angeschlossen. Es verfügt über im Durchschnitt zu 54 % ausgelastet ist. Um die Ener­ eine Auflösung von 320 mal 240 Pixeln und eine gieaufnahme der Schaltung abzusenken und so die Farbtiefe von 16 Bit pro Pixel. Um ein neues Bild zu Belastung der Autobatterie zu verringern, soll die Takt­ zeichnen, muss der Mikrocontroller zuerst einen 8 Bit frequenz reduziert werden. Rechnerisch ergibt sich bei breiten Steuerbefehl und anschließend den Farbwert einer Taktfrequenz von 12 MHz eine durchschnittliche jedes Pixels über die SPI-Schnittstelle an das Display Auslastung von 90 %, wenn die insgesamt benötigte senden. Es wird also immer ein vollständiges Bild Rechenleistung konstant bleibt. übertragen. Der Blick in das Datenblatt des eingesetzten Mikro­ Damit Benutzereingaben und Änderungen der gemes­ controllers zeigt, dass dieser unter Last bei einer senen Größen ohne nennenswerte Verzögerung auf Versorgungsspannung von 4,5 V eine Stromauf­ dem Display sichtbar werden, sollen mindestens nahme von 9,8 mA aufweist, wenn er mit 20 MHz 15 Bilder pro Sekunde gezeichnet werden können. getaktet wird. Ist der Mikrocontroller untätig, sind Über die SPI-Schnittstelle kann 1 Bit pro Takt über­ es noch 2,5 mA. Beim Betrieb mit 12 MHz kann die Versorgungs­spannung auf 3,3 V reduziert werden. tragen werden. gen werden, um die Anforderungen zu erfüllen ? Unter Last nimmt der Mikrocontroller dann noch Mit welcher Frequenz müssen die Daten übertra- 4,2 mA auf, bei Untätigkeit 1,0 mA. A 8 MHz Wie stark verringert sich durch die Änderung der B 12 MHz Taktfrequenz und der Versorgungsspannung die C 16 MHz Leistungsaufnahme des Mikrocontrollers, wenn D 20 MHz 5 20 17 9Kondensator-Entladung Taster stellen die einfachste Form der einer elektronischen Schaltung dar. Im Gegensatz zu Schaltern rasten Taster nicht ein, wenn sie betätigt Prellen Stabiler Zustand Prellen Ua Interaktion von einem Benutzer mit VCC t GND Taste gedrückt Taste losgelassen werden und stellen sich automatisch in ihren Ausgangszustand zurück, sprich, ein Taster muss dauerhaft gedrückt werden, um eine elektrische Verbindung herzustellen. Durch mechanische Vibrationen schalten jedoch Bauteile wie Taster einige Male schnell zwischen ein- und ausgeschaltetem Zustand hin und her (sogenanntes „Prellen“, siehe Bild), bevor tatsächlich ein stabiler gedrückter Zustand eingenommen wird. Ein verbundener digitaler Baustein wie ein Mikrocontroller erkennt dies ohne Schutzmaßnahmen fälschlicherweise häufig als mehrmalige Betäti­gung des Tasters. Das Schaltbild zeigt eine häufig verwendete Schaltung, welche neben dem VCC Taster T aus einem Kondensator C1 und vorgeschalteten Widerständen R1 und R2 besteht, welche die Auf- und Entladung des Kondensators kontrollieren. Der Kondensator verhindert die Übertragung der schnellen Spannungsänderungen VCC R1 µC während des Taster-Prellvorgangs auf den GPIO-Pin des Mikrocontrollers (µC). R2 GPIO Erst wenn der Taster einen seiner stabilen Zustände (dauerhaft gedrückt bzw. dauerhaft losgelassen) eingenommen hat, ändert sich die analoge Spannung T Ua GND Ub C1 am Mikrocontroller-Pin so stark, dass der µC dies als logische Pegeländerung registriert. Ist die Spannung am Mikrocontroller-Eingang Ub ≤ 1,5 V, wird dies als logische 0 gewertet, während Spannungen Ub ≥ 3,5 V als logische 1 gewer­ tet werden. Für den Bereich zwischen 1,5 V < Ub < 3,5 V wird solange der vorherige Logikzustand angenommen, bis einer der festgelegten Schwellenwerte unter- bzw. überschritten wird. Welcher Widerstand R2 ist notwendig, damit der Taster T für mindestens 15 ms geschlossen sein muss, bevor der Mikrocontroller eine Pegeländerung registriert ? Es gilt VCC = 5 V, R1 = 10 kΩ und C1 = 1 µF. AR2 = 2 kΩ BR2 = 3 kΩ CR2 = 12 kΩ DR2 = 13 kΩ 10Analog-Digital-Wandlung Die Umsetzung von analogen Spannungen in eine digitale Repräsen­ tation und umgekehrt spielt eine wichtige Rolle in elektronischen Schaltungen. Ohne diese Funktionen würden sich Sensoren mit einer analogen Ausgabe nicht für eine Weiterverarbeitung durch einen Mikro­chip eignen. Die Umwandlung einer digital gespeicherten Zahl in DAC IN 10 OUT IN ADC REF REF 2,5V 1,25V OUT eine analoge Spannung kann beispielsweise zum Dimmen einer Leuchte verwendet werden. Die entsprechenden Bausteine werden als Analog-to-Digital-Converter (ADC) bzw. Digital-to-Analog-Converter (DAC) bezeichnet. Die Auflösung und damit die Ausgabe dieser Bausteine wird maßgeblich durch die angelegte Referenzspannung und die zur Verfügung stehende Bitbreite bestimmt. Welcher digitale Eingangswert muss am DAC angelegt werden, wenn der ADC am Digitalausgang ungefähr den im Hexadezimalsystem notierten Wert (ACDC)16 ausgeben soll ? A(218)16 B(532)8 C(0011100000)2 D(508)10 6 16 20 17 ipde h C zum n e g : Fra 2 l i e T sign Die meisten elektronischen Geräte in unserem Umfeld sind erst durch fortschreitende Technologien und die Miniaturisierung elektrischer Schaltungen ermöglicht worden. Oft basieren diese auf integrierten Schaltungen wie Mikrochips, welche u. a. in Steuerungen für die Energieversorgung integriert sind, Sensordaten erfassen und der komplexen Vernetzung und Auswer­ tung aller Daten dienen. Nicht zuletzt sind sie in jedem Smartphone zu finden. Anfangs waren die Motor- und Bremssteue­ rungen für Straßen- und Schienenfahrzeuge rein mechanisch, danach wurden diese elektrisch unterstützt. Seit den 1990er Jahren kümmern sich Dutzende von Mikrochips in jedem Fahrzeug um die Fahr-, aber auch Komfortfunktionen. Mikrochips müssen jeweils spezifische Anforderungen erfüllen – einen kleinen Einblick in die komplexe Welt der Chips bekommt ihr im folgenden Teil. Grundlage jedes heutigen Computersystems sind drei logische Operationen, auf denen alles Weitere aufbaut. Diese drei logi­ schen Operationen sind das logische AND, OR und NOT. In der Abbildung sind die Schaltsymbole der logischen Operatoren dargestellt. Diese Schaltsymbole sind allgemein gültig und international verständlich. & ≥1 Logisches AND Logisches OR Logisches NOT Die einzelnen logischen Operationen sind durch sog. Wahrheitstabellen definiert. Das logische AND gibt am Ausgang nur dann den logischen Wert „1“ aus, wenn die beiden Eingänge einen logischen Wert „1“ haben, ansonsten führt der Ausgang den logischen Wert „0“. x1 x2 & y x1 x2 y = x1 AND x2 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 Die verwendeten elektronischen Bauelemente zur Realisierung einer logischen Operation werden auch als Logikgatter be­ zeichnet. Ihr zeitliches Verhalten wird durch ein sog. Timing-Diagramm beschrieben. Neben den einzelnen möglichen Werte­ kombinationen der Eingänge und dem daraus resultierenden Ausgang kann damit zusätzlich der Zeitverlauf einer Schaltung dargestellt werden. Man erkennt hier, dass am Ausgang im zeitlichen Verlauf erst dann „1“ (obere waagerechte Linie) anliegt, wenn sowohl am Eingang x1 als auch Eingang x2 eine „1“ anliegt. Eingang x1 t Eingang x2 t Ausgang y t 7 20 17 11 Realisierung von logischen Funktionen auf FPGAs Bei Invent a Chip arbeiten die Praxisteams mit sogenannten Field Programmable Gate Array (FPGA) Bausteinen. Ein FPGA ist eine rekonfigurierbare Schaltung, das heißt, die tatsächliche Funktion des FPGA kann durch einen Anwender mit Hilfe einer Hardware-Beschreibungssprache (z. B. VHDL) festgelegt werden. Wesentliche Elemente eines FPGA sind Felder aus Basisblöcken, die durch spezielle Verbindungsstrukturen miteinander verknüpft sind. Jeder dieser Basisblöcke besteht aus programmierbaren Tabellen (engl.: LUT, lookup table), in denen beliebige logische Funktionen (wie z. B. AND- bzw. OR-Gatter) abgelegt werden können. Durch das entsprechende Programmieren vieler einzelner Tabellen und Verbindungen lassen sich so sehr komplexe logische Schaltungen auf einem FPGA realisieren. Die Tabellen sind so aufgebaut, dass die Eingangssignale bzw. die invertierten Eingangssignale zusammen mit den im SRAM-Speicher abgelegten Tabellenwerten an sogenannten Passtransistoren anliegen, die funktional gesehen logischen AND-Gattern entsprechen. Für jede Eingangsbelegung kann somit die entsprechende Speicherposition in der Tabelle aus­ gewählt und an den Ausgang y weitergegeben werden. Da jede der vier möglichen Eingangskombinationen (jeweils logische Werte 1 und 0 für Eingang x1 und x2) dabei nur einmal auftritt, ist die Tabelle bezüglich der realisierten Funktion eindeutig. x1 x2 SRAM Speicher 0 0 y 0 1 Welche logische Funktion wird in dem Basisblock mit den Eingängen x1 und x2 und dem Ausgang y realisiert ? AOR BAND CNOR DXOR 8 20 17 12Signalverlauf Als kombinatorische Logik werden Schaltkreise bezeichnet, welche ihren Ausgangszustand allein in Abhängigkeit ihrer aktuellen Eingänge ändern. Sequentielle Logik ist hingegen zusätzlich in der Lage, vergangene Eingangswerte zu berück­ sichtigen. Für diese Eigenschaft werden innerhalb sequentieller Logikschaltungen Speicher benötigt. Flipflops sind 1-bit große Speicher, welche für die Dauer einer Taktperiode ihren Ausgang halten. Sie stellen damit den Grundstein der digitalen Schaltungstechnik dar. Gegeben ist die folgende Schaltung, bestehend aus einem D-Flipflop und mehreren Logikgattern. Das dargestellte Speicher­ element übernimmt bei einer steigenden Taktflanke des Taktsignales clk den Eingang D und gibt ihn einmal normal an Pin Q aus und einmal invertiert an Pin Q�. Der zusätzlich vorhandene Reset-Pin sorgt dafür, dass ein D-Flipflop seinen zuvor gespei­ cherten Wert mit einer logischen 0 überschreibt, sobald das rst-Signal logisch 1 wird. Dies geschieht unabhängig vom anlie­ genden Taktsignal („asynchroner Reset“). Unten sind verschiedene Signalverläufe angegeben, die die Ein- und Ausgänge der gegebenen Schaltung darstellen sollen. Dabei sind die Verläufe von clk, rst, a und b immer gleich, nur die Ausgangssignale z und z� variieren. a b rst & ≥1 & D RST Q z Q z clk Welcher der folgenden Signalverläufe entspricht der Schaltung ? A clk B rst C clk rst a a b b z z z z clk D clk rst rst a a b b z z z z 9 20 17 13 Binärdarstellung von Dezimalzahlen: Festkommazahlen Die automatische Steuerung der Lichtanlage im Auto – abhängig vom Tageslicht – ist mittlerweile in vielen PKW verbaut. Die an einem Fotowiderstand abfallende Spannung wird durch einen Analog-to-Digital-Converter (ADC) digitalisiert. Der vorliegende Digitalwert kann anschließend von einem Mikrocontroller weiterverarbeitet werden. Der ADC stellt den gemessenen Wert als Digitalzahl mit den Bits bn-1 … b1 b0 b-1 … b-m zur Verfügung. Jedes Bit bi hat dabei die Wertigkeit 2i. Über den Parameter n kann also der mögliche Wertebereich eingestellt werden, während der Parameter m die darstellbare Genauig­keit bestimmt. Es sollen Spannungen im Intervall von 0 bis 12 V mit einer Auflösung von mindestens 0,01 V gemessen werden. Wie viele Bits werden in diesem Fall benötigt, wenn das oben beschriebene Format für die Darstellung verwendet wird ? A 10 Bits B11 Bits C 12 Bits D 13 Bits 14 Binärdarstellung von Dezimalzahlen: Fließkomma Fließkommazahlen sind eine alternative Methode, Dezimalzahlen binär darzustellen. Die zur Verfügung stehenden Bits werden nicht, wie bei Festkommazahlen, in Vor- und Nachkommastellen aufgeteilt, sondern in einen Exponenten e und die sogenannte Mantisse m. Der Betrag einer Fließkommazahl ist dann 2e · m. So ist es möglich, auf Kosten der Genauigkeit einen deutlich größeren Wertebereich abzudecken oder umgekehrt eine hohe Genauigkeit bei eingeschränktem Werte­ bereich zu erhalten. Um auch negative Zahlen darstellen zu können, wird außerdem ein Bit für das Vorzeichen reserviert. Der Standard IEEE 754 definiert verschiedene Formate für Fließkommazahlen. Eine Zahl mit halber Genauigkeit ist 16 Bit breit und hat folgendes Format: s e4 e3 e2 e1 e0 m9 m8 m7 m6 m5 m4 m3 m2 m1 m0 Das Vorzeichenbit s ist 0 für positive Zahlen und 1 für negative. Die Bits e4 e3 e2 e1 e0 bilden die Charakteristik E, aus der sich der Exponent e nach der Formel e = E -15 berechnen lässt. Da die Werte 0 und 31 besondere Bedeutung haben, sind somit Exponenten im Bereich von -14 bis +15 möglich. Die Mantisse ist dann die Binärzahl 1, m9 m8 m7 m6 m5 m4 m3 m2 m1 m0, wobei jedes Bit mi über die Wertigkeit 2i-10 verfügt. 10 Welche der folgenden Binärzahlen stellt eine Dezimalzahl aus dem Intervall von -1,5 bis +5,3 dar ? A 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 B 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 C 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 D 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 20 17 15 Endliche Zustandsautomaten Die Steuerung und Überwachung bestimmter Anwendungen wird mit Hilfe endlicher Zustandsautomaten realisiert. Ein endlicher Zustandsautomat besteht aus einer begrenzten Anzahl von Zuständen sowie Eingängen und Ausgängen. Hierbei werden zwei grundsätzliche Typen von Zustandsautomaten unterschieden, und zwar die Mealy-Automaten und die Moore-Automaten. Bei einem Moore-Automaten hängt das Ausgangssignal y nur vom aktuellen Zustand Z ab. Eingangs­signale x können einen Wechsel des Zustandes hervorrufen. Die Darstellung von Zustandsautomaten erfolgt in sogenannten Zustands­übergangsdiagrammen. Ein Zustandsübergangsdiagramm stellt die Zustände eines Systems und die Übergänge zwischen diesen Zuständen aufgrund äußerer Ereignisse dar. Es soll ein endlicher Zustandsautomat für die Überwachung einer digitalen Signalleitung eingesetzt werden. Die Leitung wird zur Übertragung eines Bitstroms verwendet. Dem Automaten steht im Eingangssignal x der aktuelle Wert der Signal­ leitung zur Verfügung. Immer dann, wenn der Automat auf der Signalleitung die Bitfolge 101 erkannt hat, soll über das Ausgangs­signal y eine 1 ausgegeben werden, andernfalls eine 0. Beispiel Signalverlauf:Legende Moore-Automat: x Signal Zeitverlauf x y 00011011001... 00000001000... Zn y Welches Zustandsübergangsdiagramm der abgebildeten Moore-Automaten erfüllt die beschriebenen Anforderungen ? A Z1 1 0 Start 0 0 1 1 0 Z0 Z2 0 Z3 - 1 1 0 0 0 0 Z3 0 Start Z2 Z1 1 0 0 Z0 0 1 B 1 1 1 C Start Z1 1 0 0 0 1 Z0 D 0 Z2 0 0 - Z3 1 1 Start Z1 1 0 0 0 0 Z0 0 Z2 1 0 Z3 1 0 1 11 20 17 16 Zyklische Redundanzprüfung Für die Aktualisierung der Multimedia-Anlage in einem LKW soll ein Firmware-Upgrade über das Internet in den internen Speicher des Gerätes übertragen werden. Ein sogenanntes Linear Feedback Shift Register (LFSR) wird u. a. verwendet, um eine zyklische Redundanzprüfung durchzuführen. Dieses Prüfverfahren erkennt Fehler in den digital übertragenen Daten und kann diese sogar korrigieren. Ein LFSR besteht aus einer Reihe von Speicherelementen (hier D-Flipflops), die an ausgesuch­ ten Stellen mit einem XOR-Logikgatter verknüpft sind. Das Logikgatter-Symbol und die Wahrheitstabelle einer XOR-Aussage sind wie folgt gegeben: x1 x2 =1 x1 0 0 1 1 y x2 0 1 0 1 y = x1 XOR x2 0 1 1 0 Jedes Speicherelement kann zwei verschiedene Zustände annehmen, ein LFSR mit vier Flipflops also maximal 24 = 16 verschiedene Zustände. Der Zustand eines LFSR ergibt sich durch Aneinanderreihung der Flipflop-Zustände von links nach rechts. Die Abbildung veranschaulicht den Zustand „0100“. Nach einem Takt wird es sich im Zustand „0010“ befinden. Wie viele verschiedene Zustände wird das LFSR insgesamt annehmen – die D bereits genannten eingeschlossen – ‘0’ Q bevor es wieder im Startzustand 0100 Q =1 D ‘1’ Q =1 D ‘0’ Q Q D ‘0’ Q Q Q ankommt ? A5 clk B6 C7 D8 17 Analyse eines Timingdiagramms Heutige Chips können aus Milliarden einzelner Transistoren bestehen. Die Transistoren übernehmen hierbei die Funktion einfacher Schalter, welche sich ein- oder ausschalten lassen. Durch eine geschickte Kombination der Schalter ist es möglich, logische Funktionen aufzubauen (z. B. ein logisches AND). Hierdurch kann die sogenannte Boolesche Algebra realisiert werden, also die Kombination mehrerer logischer Operationen wie z. B. y = x1 AND x2 OR x3, auf der alle unsere Computer­systeme basieren. Mit Hilfe von Timingdiagrammen lässt sich das zeitliche Verhalten solcher logischen Funktionen darstellen. Sind die Eingangs­signale x1 und x2 sowie das daraus resultierende Ausgangssignal y bekannt, so lässt sich die unbekannte logische Funktionen daraus benennen. Durch den systematischen Vergleich der vorkommenden unterschiedlichen Eingangs­belegungen in einer Wertetabelle kann die unbekannte logische Funktion gefunden werden. Wie heißt die gesuchte logische Funktion, die im folgenden Timingdiagramm dargestellt wird ? Eingang x1 t x1 x2 Unbekannte logische Schaltung y Eingang x2 t AAND BOR CNAND DNOR 12 Ausgang y t 18. Logikschaltung 18. Logikschaltung 20 17 Die Umwandlung von digitalen in digitale Ausgangssignale wird durch wird durch Die Umwandlung vonEingangssignalen digitalen Eingangssignalen in digitale Ausgangssignale sogenannte Logikfunktionen festgelegt. In einer Logikfunktion werden die werden Eingangssignale sogenannte Logikfunktionen festgelegt. In einer Logikfunktion die Eingangssignale 18Logikschaltung durch die drei grundlegenden Operationen AND (Symbol: ∧), OR (Symbol: ∨)(Symbol: und NOT durch die drei grundlegenden Operationen AND (Symbol: ∧),wird OR ∨) und NOT Die Umwandlung von digitalen Eingangssignalen in digitale Ausgangssignale durch sogenannte Logikfunktionen fest­ (gekennzeichnet durch einen Strich überStrich dem über Signal) beliebig verknüpft um selbst um selbst (gekennzeichnet durch einen dem Signal) beliebig verknüpft gelegt. In einer Logikfunktion werden die Eingangssignale durch die drei grundlegenden Operationen AND (Symbol: ), komplexestekomplexeste Funktionen abzubilden. abzubilden. Die notwendigen Rechenregeln für Logikfunktionen (wie Dieeinen notwendigen für Logikfunktionen (wie OR (Symbol: ) undFunktionen NOT (gekennzeichnet durch Strich über Rechenregeln dem Signal) beliebig verknüpft, um selbst komplexeste z. B. Operanden-Priorisierung) werden als Boolesche Algebra bezeichnet. z. B. Operanden-Priorisierung) werden als Boolesche Algebra bezeichnet. Funktionen abzubilden. Die notwendigen Rechenregeln für Logikfunktionen (wie z. B. Operanden-Priorisierung) werden als Im Schaltungsentwurf ist die Minimierung von Logikfunktionen eine wichtige Methode, die Im Schaltungsentwurf ist die Minimierung von Logikfunktionen eine wichtigeum Methode, um die Algebra bezeichnet. für die Boolesche Realisierung einer Schaltung benötigten Ressourcen zu verringern. Eine solche für die Realisierung einer Schaltung benötigten Ressourcen zu verringern. Eine solche Im Schaltungsentwurf ist die Funktion Minimierung von Logikfunktionen eine wichtige Methode, um die für die Realisierung einer Minimierung soll für die logische Minimierung soll für die logische Funktion Schaltung benötigten Ressourcen zu verringern. Eine solche Minimierung soll für die logische Funktion 𝑦𝑦 = 𝑥𝑥1 ∧ (𝑥𝑥2𝑦𝑦∨=𝑥𝑥3𝑥𝑥) ∨∧̅̅̅ 𝑥𝑥1 ∧ 𝑥𝑥3 ∨ ̅̅̅ 𝑥𝑥2 𝑥𝑥∧ 𝑥𝑥∧3 𝑥𝑥 ∨ ̅̅̅ 1 (𝑥𝑥2 ∨ 𝑥𝑥3 ) ∨ ̅̅̅ 1 3 𝑥𝑥2 ∧ 𝑥𝑥3 vorgenommen werden. Dabei ausgenutzt, dass Eingangsbelegung auftreten kann. vorgenommen werden. Dabei wird wird ausgenutzt, dass diedie Eingangsbelegung 𝑥𝑥1 𝑥𝑥2 𝑥𝑥3 = 010 vorgenommen werden. Dabei wird ausgenutzt, dass die Eingangsbelegung 𝑥𝑥1nicht 𝑥𝑥nicht 2 𝑥𝑥3 = 010 nicht auftreten Zurkann. Lösung solcher Aufgabenstellungen eignet sich die Aufstellung einer Wahrheitstabelle für die gegebene Logikfunktion auftreten kann. Zur Lösung solcher Aufgabenstellungen eignet sich die Aufstellung einer Wahrheitstabelle für und der den Wahrheitstabellen der vorhandenen Ein fortgeschrittener Lösungswegfür sieht die ZurVergleich Lösung mit solcher Aufgabenstellungen eignet sichLogikgatter. die Aufstellung einer Wahrheitstabelle die gegebene Logikfunktion und der Vergleich mit den Wahrheitstabellen der vorhandenen Logik­ m inimierung mittels Karnaugh-Veitch-Diagramm vor. die gegebene Logikfunktion und der Vergleich mit den Wahrheitstabellen der vorhandenen Logikgatter. Einder fortgeschrittener LösungswegLösungsweg sieht die Logikminimierung mittels Karnaugh Welche folgenden Logikschaltungen kann unter dieser Voraussetzung verwendet werden, Logikgatter. Ein fortgeschrittener sieht die Logikminimierung mittels KarnaughVeitch-Diagramm vor. Veitch-Diagramm vor. um die Funktion y zu realisieren ? Welche derWelche folgenden kann unterkann dieser Voraussetzung verwendet verwendet der Logikschaltungen folgenden Logikschaltungen unter dieser Voraussetzung A B werden, umwerden, die Funktion y zu realisieren? um die Funktion y zu realisieren? a) a)x2 x3 C c) c)x1 x2 x3 x2 x3 ≥1 y ≥1 ≥1 x2 x3 x1 x2 ≥1 x1 x2 y y y ≥1 ≥1 x3 x3 b) b) y d) y x1 x3 & xx y& x1 x3 1 x1 x2 x3 y y 3 D d) & & x1 x2 x3 x1 x2 & y x3 & y y 13 20 17 y_in 19Blockschaltbilder Ein FPGA (Field Programmable Gate Array) ist eine rekonfigurier­ library IEEE; use IEEE.STD_LOGIC_1164.all use IEEE.NUMERIC_STD.all; bare Schaltung, das heißt, die tatsächliche Funktion kann durch entity sorter is port( einen Anwender mit Hilfe einer Hardware-Beschreibungssprache (z. B. VHDL) festgelegt werden. Hardware-Beschreibungsspra­ chen werden eingesetzt, um z. B. Logikgatter und ihre Verschal­ tung untereinander zu beschreiben. Ingenieure helfen sich selbst häufig mit Blockschaltbildern weiter, um komplexe Funktionen ); end sorter; x_in einfacher erfassen und beschreiben zu können. Das abgebildete Blockschaltbild stellt eine Verschaltung von mehreren Funktionsblöcken des in VHDL beschriebenen Blockes dar. Welche Aufgabe erfüllt die im Blockschaltbild dargestellte Schaltung ? A absteigende Sortierung von 7-bit großen Zahlen B aufsteigende Sortierung von 8-bit großen Zahlen C absteigende Sortierung von 8-bit großen Zahlen D aufsteigende Sortierung von 7-bit großen Zahlen x_in y_in a_out b_out : in : in : out : out unsigned(7 downto 0); unsigned(7 downto 0); unsigned(7 downto 0); unsigned(7 downto 0) a_out architecture behavioral of sorter is begin process(x_in, y_in) begin if (x_in > y_in) then a_out <= x_in; b_out <= y_in; else a_out <= y_in; b_out <= x_in; end if; end process; end behavioral; b_out IN(0) IN(1) IN(2) IN(3) IN(i) OUT(i) OUT(0) OUT(1) OUT(2) 20 Anforderungen an Elektronikbauelemente Elektronische Schaltungen sind heute aus kaum einem Lebensbereich mehr wegzudenken. Dabei unterscheiden sich je nach Umgebung die Anforderungen an die einzelnen Komponenten. In Abhängigkeit dieser Anforderungen und der eigent­ lichen Funktion des Bauteils müssen z. B. das Chipdesign angepasst werden oder bei der Programmierung zusätzliche Funktionen zur Sicherstellung einer korrekten Funktionsweise eingebaut werden. So müssen in Automobilen besonders zuverlässige Komponenten verbaut werden. Für welchen Dauerbetriebstemperaturbereich müssen elektronische Komponenten in einem Auto ausgelegt sein ? 14 A 0 °C bis +70 °C B -40 °C bis +85 °C C -40 °C bis +125 °C D -55 °C bis +125 °C OUT(i-1) 20 17 Antwortbogen bis zum 31. März 2017 online ausfüllen auf: w w w. i n v e n t - a - c h i p . d e Rückfragen ? Bitte E-Mail an [email protected] Hier könnt ihr eure Antworten markieren, falls ihr mit der Papier­version des Fragebogens arbeitet. Die Antworten und eure Daten sind einzutragen unter www.invent-a-chip.de . Dort reicht ihr auch eure Chipidee ein. Auch könnt ihr dort eure Anregungen zur „New Mobility“ notieren. Fragen: Die richtigen Antworten lauten: 1Fahrzeugplanung ABCD 2Beschleunigungsmessung ABCD 3 Kommunikation zwischen integrierten Schaltkreisen ABCD 4 Verlustleistung in elektronischen Komponenten ABCD 5Pegelwandlung ABCD 6Tachograph ABCD 7Verlustleistungsminimierung ABCD 8Displayansteuerung ABCD 9Kondensator-Entladung ABCD 10Analog-Digital-Wandlung ABCD 11 Realisierung von logischen Funktionen auf FGPAs ABCD 12Signalverlauf ABCD 13 Binärdarstellung von Dezimalzahlen: Festkommazahlen ABCD 14 Binärdarstellung von Dezimalzahlen: Fließkomma ABCD 15 Endliche Zustandsautomaten ABCD 16 Zyklische Redundanzprüfung ABCD 17 Analyse eines Timingdiagramms ABCD 18Logikschaltung ABCD 19Blockschaltbilder ABCD 20 Anforderungen an Elektronikbauelemente ABCD 20 17 017 2 P I a CH T EN V N I r vo n e n t r Die Pa ® Wissenschaftliche Betreuung: Autoren des Fragebogens und wissenschaftliche Berater: Prof. Dr.-Ing. Holger Blume und das Team der wissenschaftlichen Mitarbeiter des Instituts e.V. Stresemannallee 15 60596 Frankfurt am Main BMBF Bundesministerium für Bildung und Forschung Referat 523 Heinemannstr. 2 53175 Bonn Projektteam INVENT a CHIP Anja Rottke Telefon 0228 5347347 E-Mail [email protected] Impressum: Herausgeber: VDE Kommunikation + Public Affairs Fotos: VDE Gestaltung: Kellermann · GrafikDesign · Schwielowsee Caputh VERBAND DER ELEKTROTECHNIK ELEKTRONIK INFORMATIONSTECHNIK
