Hardware-Software-Co-Design - Cheatsheet

Grundlagen des Hardware-Software-Co-Designs

Definition:

Grundlagen des Hardware-Software-Co-Designs bietet Konzepte und Methoden zur gleichzeitigen Entwicklung von Hardware und Software, um eine optimale Systemleistung zu erreichen.

Details:

• Co-Design-Prozess umfasst Spezifikation, Partitionierung, Prototyping und Verifikation.
• Spezifikation definiert Anforderungen und Funktionalitäten eines Systems.
• Partitionierung teilt die Aufgaben zwischen Hardware und Software auf.
• Prototyping validiert Designentscheidungen durch frühe Modellierung und Simulation.
• Verifikation stellt sicher, dass das System den Spezifikationen entspricht.
• Trade-offs zwischen Hardware und Software werden analysiert, um optimale Systemarchitektur zu finden.

Schnittstellen zwischen Hardware und Software

Definition:

Generischer Begriff für die Interaktion und Kommunikation zwischen Hardwarekomponenten und Softwareebene in einem Computersystem.

Details:

• Definiert durch Protokolle und Treiber
• Ermöglicht Datenübertragung und Steuerung
• Beispiele: UART, USB, I2C, SPI
• Verwendet Register, Speicheradressen und Interrupts
• Kenntnisse in Elektronik und Programmierung erforderlich
• Optimierung durch Hardware-Software-Co-Design

Kommunikationsprotokolle und -methoden

Definition:

Kommunikationsprotokolle legen Regeln fest für den Datenaustausch zwischen Komponenten. Kommunikationsmethoden beschreiben, wie diese Regeln implementiert werden.

Details:

• Verwendung in System-on-Chip (SoC) Designs
• Beispiele: I2C, SPI, UART
• Synchron: Datenübertragung in einem vorgegebenen Takt
• Asynchron: Datenübertragung ohne gemeinsamen Takt
• Protokolle spezifizieren: Datenrahmen, Fehlererkennung, Fehlerkorrektur

Modellbasierter Entwurf und Simulation

Definition:

Modell- und Simulationsbasierter Entwurf für den Hardware-Software-Co-Design-Prozess.

Details:

• Verwendung von Modellen zur Spezifikation, Analyse und Verifikation.
• Simulationsbasierte Validierung von Systemfunktionalitäten.
• Tools: MATLAB/Simulink, SystemC.
• Ermöglicht frühe Fehlererkennung und Optimierungspotential.
• Wichtige Schritte: Modellbildung, Simulation, Verifikation.
• Modellarten: funktionale, strukturelle und zeitliche Modelle.
• Code-Generierung und automatisierte Verifikation möglich.

Verwendung von Hardware Description Languages (HDL)

Definition:

Einsatz von Hardwarebeschreibungssprachen zur Modellierung und Implementierung von hardwarebasierten Systemen in der Vorlesung Hardware-Software-Co-Design.

Details:

• Primäre HDLs: VHDL, Verilog
• Modellierung des Systemverhaltens auf Register-Transfer-Ebene (RTL)
• Möglichkeit zur Simulation und Verifikation vor der physischen Implementierung
• Erstellung von Testbenches zur Überprüfung des Designs
• Unterstützung durch Tools wie ModelSim, Xilinx ISE, Vivado
• Synthese von HDL-Code zur Erzeugung von Schaltkreisnetzen

Top-Down und Bottom-Up Designansätze

Definition:

Zwei grundlegende Ansätze zur Entwicklung und Implementierung von Systemen im Hardware-Software-Co-Design.

Details:

• Top-Down: Systematisches Zerlegen des Gesamtsystems in kleinere Subsysteme; beginnt mit einer abstrakten Spezifikation und verfeinert schrittweise.
• Bottom-Up: Integration kleinerer, bereits existierender Komponenten zu einem größeren System; beginnt mit konkreten Implementierungen und kombiniert diese zu komplexeren Systemen.
• Top-Down: Bessere Übersicht und Kontrolle über das Gesamtsystem.
• Bottom-Up: Wiederverwendung von bestehenden Modulen und kürzere Entwicklungszeit für kleine Systeme.
• Oft Kombination beider Ansätze für optimale Ergebnisse.

Performance-Optimierung durch effiziente Zusammenarbeit

Definition:

Einsatz von koordinierter Anpassung von Hardware- und Softwarekomponenten zur Verbesserung der Gesamtleistung.

Details:

• Synergieeffekte nutzen durch parallele Entwicklung und Optimierung
• Vermeidung von Engpässen mittels Kommunikation zwischen Hardware- und Software-Teams
• Gemeinsame Nutzung von Ressourcen und Spezialisierungen
• Verwendung von Schnittstellentools zur Integration und Test von Änderungen
• Regelmäßige Evaluierung und Anpassung von Optimierungsstrategien

Verifikation und Validierung von Co-Designs

Definition:

Prozess der Überprüfung und Bestätigung, dass ein Hardware-Software-Co-Design den festgelegten Anforderungen und Spezifikationen entspricht.

Details:

• Verifikation: Überprüfung, ob das Design korrekt implementiert wurde (z.B. durch Simulation, formale Verifikation).
• Validierung: Überprüfung, ob das endgültige System den ursprünglichen Anforderungen genügt (z.B. durch Tests und Experimentieren).
• Tools: Verilog, VHDL für Verifikation; Software-Testumgebung für Validierung.
• Ziele: Fehlererkennung frühzeitig im Designprozess, Kosten und Zeit sparen.