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Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />

Vorlesung im Sommersemester 2005<br />

Modellbildung zur Bewertung und<br />

Optimierung von eingebetteten Systemen<br />

Institut für Rechnerentwurf und Fehlertoleranz<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

(Prof. D. Schmid)<br />

Dr. M. Syrjakow<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

Organisatorisches<br />

Termin: Montags, 11:30 - 13:00, wtl.<br />

(Sommersemester 2005)<br />

Ort: Raum 062, Gebäude 20.20<br />

Prüfbar: Schwerpunktgebiete<br />

Entwurf eingebetteter Systeme<br />

Systemtechnik<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

Dr. Michael Syrjakow<br />

1<br />

2<br />

1


Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />

Literatur: Wird jeweils bekanntgegeben<br />

Skript: <strong>Folien</strong> sind im Postscript und PDF-Format<br />

auf der WWW-<strong>Seite</strong> zur Vorlesung unter<br />

folgender Adresse erhältlich:<br />

http://goethe.ira.uka.de/people/syrjakow/mod_vorlesung/seiten/modvorl.html<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

Organisatorisches<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

Who is Who?<br />

Michael Syrjakow<br />

Raum 061.3 (Geb. 20.20), Tel.: 608-4258<br />

syrjakow@ira.uka.de<br />

http://goethe.ira.uka.de/~syrjakow/<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

Dr. Michael Syrjakow<br />

3<br />

4<br />

2


Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />

√ Organisatorisches<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

Inhalt der Vorlesung<br />

Übersicht über die Vorlesung<br />

System und Modell<br />

Verfahren zur Leistungsbewertung von<br />

– Rechen- und Kommunikationssystemen<br />

– Eingebetteten Systemen<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

Inhalt der Vorlesung<br />

Leistungsbewertung durch modelltheoretische Verfahren<br />

– Allgemeine Vorgehensweise bei der Modellierung<br />

– Modellierungstechniken<br />

Modellauswertung durch Simulation<br />

– Einführung in die rechnergestützte Simulation<br />

– Teil<strong>pro</strong>bleme bei der rechnergestützten Simulation<br />

– Simulationswerkzeuge<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

Dr. Michael Syrjakow<br />

5<br />

6<br />

3


Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

Inhalt der Vorlesung<br />

Zukunftstechnologien in der Modellierung und Simulation<br />

– Java<br />

– World Wide Web<br />

– Komponenten<br />

Fallstudien zur modellbasierten Leistungsanalyse<br />

– Speichergekoppeltes Multi<strong>pro</strong>zessorsystem<br />

– Vernetzung eingebetteter Systeme durch ein<br />

Feldbussystem<br />

Modelloptimierung<br />

– Problemstellung<br />

– Vorgehensweise<br />

– Verfahren<br />

– Fallstudien<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

Inhalt der Vorlesung<br />

Zusammenfassung und Ausblick<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

Dr. Michael Syrjakow<br />

7<br />

8<br />

4


Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />

Charakterisierung eingebetteter Systeme<br />

Bei eingebetteten Systemen handelt es sich um einen durch<br />

Software kontrollierten Computer oder Mikro<strong>pro</strong>zessor,<br />

der Teil eines größeren Systems ist, dessen primäre<br />

Funktion nicht rechenorientiert ist.<br />

Anwendungen finden sich in der Wehrtechnik, Luft- und<br />

Raumfahrt, Automobilbau, Konsumelektronik, bei<br />

Messgeräten und peripheren Einheiten in der<br />

Computerindustrie.<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

Charakterisierung eingebetteter Systeme<br />

Eingebettete Systeme werden eigens für spezielle<br />

Anwendungen entworfen und führen dedizierte Funktionen<br />

innerhalb eines Gesamtsystems aus.<br />

Eingebettete Systeme bestehen aus Hard- und Software.<br />

Neben Standardhardware wie Mikro<strong>pro</strong>zessoren bzw.<br />

Mikrokontrollern wird häufig auch speziell entworfene<br />

Hardware verwendet (z.B. MPEG-Dekoder in der<br />

Videotechnik, etc.)<br />

Eingebettete Systeme können Echtzeitsysteme sein,<br />

müssen es allerdings nicht.<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

Dr. Michael Syrjakow<br />

9<br />

10<br />

5


Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />

Charakterisierung eingebetteter Systeme<br />

Speicher<br />

Prozessor<br />

Schematische Darstellung eines eingebetteten Systems<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

Kopplung<br />

ASIC<br />

eingebettetes System<br />

Systemumgebung<br />

Prozessor<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

Dr. Michael Syrjakow<br />

- Standard<br />

Komponente<br />

Bedeutung eingebetteter Systeme<br />

Nahezu neun Zehntel aller elektronischen Bauelemente<br />

sind in Geräten implementiert, die als eingebettete Systeme<br />

bezeichnet werden.<br />

Eingebettete Systeme sind heute auf breiter Front in alle<br />

Bereiche der Technik eingedrungen.<br />

Die Hauptgründe für das große Interesse an eingebetteten<br />

Systemen sind<br />

– Fortschritte in Schlüsseltechnologien (Mikroelektronik,<br />

formale Methoden) und die sich daraus ergebende<br />

– Vielfalt von Anwendungen<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

11<br />

12<br />

6


Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />

Gefahrenpotential eingebetteter Systeme<br />

Eingebettete Systeme haben immer dann ein großes<br />

Risikopotential, wenn es sich um Echtzeitanwendungen<br />

handelt, wenn also harte Forderungen in Bezug auf das<br />

Zeitverhalten existieren.<br />

Dieses Gefahrenpotential wird häufig nicht erkannt oder in<br />

seiner Auswirkungen unterschätzt.<br />

Um das Risikopotential zu minimieren, bedarf es eines<br />

systematischen Entwicklungs- und Bewertungs<strong>pro</strong>zesses.<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

Vorlesungsziele<br />

Grundlegende Einführung in Methoden zur Bewertung<br />

und Optimierung von eingebetteten Systemen, mit<br />

Hauptaugenmerk auf dem (digitalen) elektronischen<br />

Systemanteil (Speicher-Prozessor-Bus Ebene).<br />

Ausgangspunkt: Konventionelle Methoden zur Bewertung<br />

und Optimierung von Rechen- und Kommunikationssystemen.<br />

Anschließend: Anpassungen und Erweiterungen<br />

hinsichtlich der speziellen Problematik eingebetteter<br />

Systeme.<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

Dr. Michael Syrjakow<br />

13<br />

14<br />

7


Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

Fallstudien<br />

Speichergekoppeltes Multi<strong>pro</strong>zessorsystem mit<br />

Mehrfachbus<br />

Vernetzung eingebetteter Systeme durch ein<br />

Feldbussystem mit Multi-Master-/Slave-<br />

Zugriffsverfahren<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

Speichergekoppeltes Multi<strong>pro</strong>zessorsystem<br />

mit Mehrfachbus<br />

PE 1 PE 2 PE p<br />

P1 P2 Pp LS2 LS1 ···<br />

LB 1 LB 2 LB p<br />

GS 1 GS 2<br />

·<br />

···<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

Dr. Michael Syrjakow<br />

LS p<br />

GS s<br />

GB 1<br />

GB 2<br />

GB b<br />

15<br />

16<br />

8


Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />

Vernetzung eingebetteter Systeme<br />

durch ein Feldbussystem<br />

Feldbus-<br />

Komponente<br />

SW<br />

Anwendungs-<br />

<strong>pro</strong>zeß<br />

BUS<br />

HW<br />

HW<br />

SW<br />

Prozeß<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

Logischer Tokenring<br />

Aktive Teilnehmer T a<br />

Prozeß<br />

SW<br />

HW<br />

SW<br />

HW<br />

Prozeß<br />

Passive Teilnehmer T p<br />

Prozeß<br />

SW<br />

HW<br />

SW<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

Dr. Michael Syrjakow<br />

HW<br />

Prozeß<br />

Modellierungstechniken<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

Anwendungsgebiete:<br />

• Automobiltechnik<br />

• Gebäudeautomatisierung<br />

Warteschlangennetze und deren Erweiterungen<br />

ankommende<br />

Aufträge<br />

Petrinetze und deren<br />

Erweiterungen<br />

Bedienstation<br />

Warteschlange<br />

gerichtete Kante<br />

1<br />

n<br />

identische<br />

n<br />

Bedieneinheiten<br />

Platz p<br />

Marke<br />

Transition t<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

bediente<br />

Aufträge<br />

zur<br />

Eingangsplätze<br />

t<br />

Transition<br />

zur<br />

Ausgangsplätze<br />

t<br />

Transition<br />

17<br />

18<br />

9


Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />

Erweitertes Warteschlangenmodell des speichergekoppelten<br />

Multi<strong>pro</strong>zessorsystems mit Mehrfachbus<br />

Bedienstation1<br />

P λ<br />

3<br />

P 1<br />

1<br />

3<br />

1<br />

3<br />

1<br />

3<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

GS 3<br />

GS 1<br />

GS 2<br />

µ<br />

GB<br />

Bedienstation2<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

Dr. Michael Syrjakow<br />

µ<br />

µ<br />

Bedienstation3<br />

Bedienstation4<br />

GSPN-Modell des speichergekoppelten<br />

Multi<strong>pro</strong>zessorsystems mit Mehrfachbus<br />

1<br />

3<br />

t 5<br />

t 8<br />

p 1<br />

t 1<br />

p λ<br />

3<br />

p4 p5 p6 t 2<br />

t 3<br />

t 4<br />

1<br />

1<br />

3<br />

3<br />

P<br />

GB<br />

p 2<br />

p7 p8 p9 p10 p11 p12 t6 t 7<br />

GS1 GS2 GS3 t 9<br />

t µ µ µ<br />

10<br />

P 4<br />

P 2<br />

P 5<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

19<br />

20<br />

10


Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />

Noch ein GSPN-Modell des speichergekoppelten<br />

Multi<strong>pro</strong>zessorsystems mit Mehrfachbus<br />

P2<br />

t6<br />

P9<br />

P2<br />

T11<br />

m9*µ<br />

t5<br />

P8<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

P2<br />

T10<br />

m8*µ<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

P2<br />

t4<br />

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P2<br />

T9<br />

m7*µ<br />

t3<br />

P6<br />

P1<br />

T1<br />

T8<br />

m6*µ<br />

P1 P1 P1 P1<br />

P3<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

Dr. Michael Syrjakow<br />

m1*λ<br />

P4<br />

t2<br />

P5<br />

T7<br />

m5*µ<br />

Parameteroptimierung von Simulationsmodellen<br />

mit direkten Optimierungsverfahren<br />

ß<br />

e<br />

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s<br />

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Prozeß-<br />

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tio<br />

n<br />

s<br />

u<br />

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S<br />

im<br />

Parametervektor<br />

{<br />

x1 Modelleingabeparameter<br />

Direkte Optimierungsstrategie<br />

Zielfunktionswert<br />

synchronisation x Schnittstelle<br />

x<br />

x 2<br />

x n<br />

Simulationsmodell<br />

fM D⊂ : R n R → m<br />

Modellausgabegrößen<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

} am a1 a2 F( )<br />

21<br />

22<br />

11


Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />

Simulationsbasierte Zielfunktionen<br />

Multi<strong>pro</strong>zessorsystem Feldbussystem<br />

F<br />

x1<br />

x2<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

Direkte Optimierungsverfahren<br />

Genetische Algorithmen<br />

Simulated Annealing<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

global lokal<br />

Dr. Michael Syrjakow<br />

F<br />

hybrid<br />

x1<br />

Hill-Climbing Methoden<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

x2<br />

23<br />

24<br />

12


Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />

Ziel des Systementwurfs:<br />

Prototypische<br />

Realisierung<br />

Zu entwickelndes System<br />

- Funktionale Spezifikation<br />

- Lösungsprinzipien<br />

- Technologie<br />

Modellbildung<br />

u<br />

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Systemmodell<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

g<br />

n<br />

u<br />

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ie<br />

r<br />

R<br />

e<br />

a<br />

Optimierung<br />

experimentelle<br />

realen System<br />

am<br />

Modelloptimierung<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

System und Modell<br />

Der Systembegriff und sein Umfeld<br />

System:<br />

Dr. Michael Syrjakow<br />

“optimale“ Systeme<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

System*<br />

g<br />

n<br />

u<br />

lis<br />

ie<br />

r<br />

R<br />

e<br />

a<br />

Systemmodell*<br />

• Abgegrenzte Anordnung von aufeinander einwirkenden Gebilden<br />

[Lexikon der Informatik und Datenverarbeitung].<br />

• Solche Gebilde können sowohl Gegenstände als auch<br />

Denkmethoden und deren Ergebnisse (z.B. Organisationsformen,<br />

mathematische Methoden, Programmiersprachen) sein.<br />

• Diese Anordnung wird durch eine Hüllfläche von ihrer Umgebung<br />

abgegrenzt oder abgegrenzt gedacht.<br />

25<br />

26<br />

13


Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />

Der Systembegriff und sein Umfeld<br />

Weitere Systemdefinitionen:<br />

Menge von miteinander in Beziehung stehender Teile<br />

(Komponenten), die zu einem gemeinsamen Zweck interagieren.<br />

[Forrester 72]<br />

Ein von seiner Umwelt abgegrenzter Wirklichkeitsbereich<br />

[Schmidt 85]. Ein reales System ist immer offen, d.h. es<br />

steht mit seiner Umwelt in Beziehung.<br />

Sehr allgemeine Begriffsdefinitionen, die sich auf alle<br />

Formen von Systemen (technische, biologische, soziale,<br />

organisatorische, etc.) anwenden lassen.<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

Der Systembegriff und sein Umfeld<br />

In dieser Vorlesung werden technische Systeme betrachtet.<br />

Technisches System:<br />

System, das ausschließlich aus technischen Bestandteilen<br />

besteht. [Lexikon der Informatik und Datenverarbeitung]<br />

Die Beschreibung eines technischen Systems umfasst dessen<br />

statische Struktur (Systemkomponenten und deren<br />

Verknüpfung über Schnittstellen) sowie dessen dynamisches<br />

Verhalten, das durch die im System ablaufenden<br />

Prozesse festgelegt wird.<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

Dr. Michael Syrjakow<br />

27<br />

28<br />

14


Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />

Prozess:<br />

Der Systembegriff und sein Umfeld<br />

Geschlossener Vorgang in einem System, bei dem Materie,<br />

Energie und/oder Information umgeformt wird und/oder<br />

transportiert wird. [DIN 66201]<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

Der Systembegriff und sein Umfeld<br />

Systemanalyse:<br />

• Systematische Untersuchung komplexer Systeme mit dem Ziel, den<br />

Entscheidungsverantwortlichen umfassende Informationen über die mit<br />

ihren Handlungsmaximen und Handlungsalternativen verbunden<br />

zur Verfügung zu stellen. [Page 91]<br />

Konsequenzen<br />

Systemtheorie:<br />

• Allgemeine Theorie des Zusammenhangs zwischen Struktur und Verhalten<br />

von Systemen. Gesucht wird nach Grundprinzipien, die gleichermaßen für<br />

alle Systeme gelten, die in den unterschiedlichen wissenschaftlichen<br />

Disziplinen erforscht werden. [Page 91]<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

Dr. Michael Syrjakow<br />

29<br />

30<br />

15


Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />

System–<br />

eingang<br />

System–<br />

elemente<br />

System–<br />

eingang<br />

Grundlegende Systembegriffe<br />

S 1<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

S 4<br />

Systemumgebung<br />

System<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

Dr. Michael Syrjakow<br />

3 S3 S<br />

Rückkopplungen<br />

Grundlegende Systembegriffe<br />

Systemelement:<br />

• Nicht weiter unterteilbare oder als nicht weiter unterteilbar<br />

betrachtete Komponenten eines Systems, denen Eigenschaften<br />

zugeordnet werden können.<br />

(Attribute)<br />

Zustandsvariable:<br />

Veränderliche Eigenschaft eines Systems.<br />

•<br />

Zustand des Systems:<br />

• Menge der Werte aller Zustandsvariablen zu einem bestimmten<br />

Zeitpunkt.<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

S 2<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

System–<br />

ausgang<br />

31<br />

32<br />

16


Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />

Grundlegende Systembegriffe<br />

Systemverhalten:<br />

Zustandsfolgen, die sich ergeben, wenn sich die Werte der<br />

Zustandsvariablen im Verlauf der Zeit ändern.<br />

Komplexität eines Systems:<br />

Hängt von der Anzahl der Systemelemente und deren<br />

Beziehungen (kausale Beeinflussungen) untereinander<br />

(Verflechtungsgrad) ab.<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

Grundlegende Systembegriffe<br />

Offenes System:<br />

Steht mit seiner Umwelt (Systemumgebung) in Beziehung;<br />

reale Systeme sind praktisch immer offen.<br />

Geschlossenes System:<br />

Im Idealfall ein System, auf das keinerlei Umwelteinflüsse<br />

einwirken.<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

Dr. Michael Syrjakow<br />

33<br />

34<br />

17


Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />

Grundlegende Systembegriffe<br />

Statisches System:<br />

Der Systemzustand bleibt unverändert im Zeitverlauf.<br />

Dynamisches System:<br />

Der Systemzustand ändert sich im Zeitverlauf.<br />

h<br />

r<br />

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KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

Einteilung dynamischer Systeme<br />

d<br />

n<br />

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zeitkontinuierlich<br />

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festes Zeitraster<br />

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Z<br />

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s<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

Dr. Michael Syrjakow<br />

a Kontinuierliche<br />

Systeme<br />

b Systeme diskreter<br />

Ereignisse<br />

c Diskrete Systeme<br />

d Ganzzahlige<br />

zeitdiskrete Systeme<br />

e Sonderfall von b) aber<br />

ohne festes Zeitraster:<br />

Ereignisorientierte<br />

diskrete Systeme<br />

35<br />

36<br />

18


Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />

Einteilung dynamischer Systeme<br />

Deterministische Systeme:<br />

• Systeme mit deterministischem Verhalten. Dieses liegt dann vor, wenn<br />

eine eindeutige Folge von Zuständen bzw. Abläufen gegeben ist, d.h.<br />

eine Ursache mit Notwendigkeit zu einer bestimmten Wirkung führt.<br />

Stochastische Systeme:<br />

• Systeme mit stochastischem Verhalten. Dieses liegt dann vor, wenn<br />

keine eindeutige Folge von Zuständen bzw. Abläufen gegeben ist, d.h.<br />

ein und dieselbe Ursache zu verschiedenen Wirkungen führen kann.<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

Einteilung dynamischer Systeme<br />

Gemischte oder hybride Systeme:<br />

Systeme, die aus verschiedenartigen Teilsystemen<br />

zusammengesetzt sind.<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

Dr. Michael Syrjakow<br />

37<br />

38<br />

19


Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />

Beziehung “System - Modell“<br />

Die gleichen Definitionen, die für Systeme aufgestellt<br />

wurden, können auch auf Modelle angewandt werden.<br />

Zu beachten ist:<br />

Bei der Modellbildung muss der Typ des Modells nicht mit<br />

dem Typ des Systems übereinstimmen.<br />

In den meisten Fällen liegt hier sogar keine<br />

Übereinstimmung vor.<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

Modelle<br />

Modelle sind das Ergebnis des Vorgangs der Modellbildung,<br />

bei dem Systeme auf Modelle abgebildet werden.<br />

Modelle sind selbst wiederum Systeme, die aber die<br />

Elemente und Relationen des Ursprungssystems in<br />

veränderter Weise darstellen. [Page 91]<br />

Modelle sind materielle oder immaterielle Systeme, die<br />

andere Systeme so darstellen, dass eine experimentelle<br />

Manipulation der abgebildeten Strukturen und Zustände<br />

möglich ist. [Niemeyer 77]<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

Dr. Michael Syrjakow<br />

39<br />

40<br />

20


Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />

Bedeutungsvielfalt<br />

– schwierig zu definieren<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

Der Modellbegriff<br />

– jede Definition greift zu kurz<br />

Ähnliche Probleme auch bei Begriffen aus dem Umfeld<br />

des Modellbegriffs<br />

– Original<br />

– Wirklichkeit<br />

– Abbild<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

Allgemeine Modelltheorie (Stachowiak, 1973)<br />

Original<br />

System<br />

(reales<br />

Modell)<br />

oder<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

Abstraktion<br />

Subjekt<br />

Zweck<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

Dr. Michael Syrjakow<br />

Modell<br />

Ab-<br />

(vereinfachtes<br />

des Originals)<br />

bild<br />

41<br />

42<br />

21


Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />

Prozess der Modellbildung beim Menschen<br />

Menschliches Bewusstsein<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

und<br />

Ordnen<br />

Interpretieren<br />

von Daten<br />

M odellaufbau<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

Wozu Modelle?<br />

Dr. Michael Syrjakow<br />

1<br />

Wirklichkeit<br />

Umwelt<br />

Originalsystem<br />

n<br />

a<br />

k<br />

tio<br />

tr<br />

s<br />

A<br />

b<br />

Abstraktes<br />

2 Systemmodell<br />

Abstraktes<br />

Systemmodell<br />

k<br />

u<br />

n<br />

g<br />

lis<br />

ie<br />

a<br />

I<br />

d<br />

e<br />

Abstraktes<br />

Systemmodell<br />

Durchführung von Experimenten, die am Original nicht durchgeführt<br />

•<br />

sollen, können oder dürfen<br />

werden<br />

• Verstehen eines Gebildes<br />

• Kommunizieren über ein Gebilde<br />

• Gedankliches Hilfsmittel zum Gestalten und Bewerten eines Gebildes<br />

• Spezifikation von Anforderungen an ein geplantes Gebilde<br />

Aufstellen/Prüfen von Hypothesen über beobachtete oder postulierte<br />

•<br />

Phänomene<br />

• Gefahrloses und kostengünstiges Training/Ausbildung<br />

• Ersatz für ein fehlendes oder defektes Originalsystem<br />

• Unterhaltung<br />

• etc.<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

43<br />

44<br />

22


Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />

Modelle in der Informatik<br />

• von zentraler Bedeutung aufgrund der hohen Komplexität von<br />

Informatiksystemen<br />

– permanente Erhöhung der (bereits zahlreichen)<br />

Abstraktionsebenen<br />

– zusätzliche orthogonale Sichten<br />

– Modell-getriebene Systementwicklung<br />

• grob klassifizierbar in<br />

– Modelle für die Informatik (als Hilfsmittel zum Verstehen,<br />

Konstruieren und Beurteilen von Informatiksystemen)<br />

– Modelle für Bereiche außerhalb der Informatik, die mit Mitteln der<br />

Informatik umgesetzt werden<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

Klassifikation von Modellen<br />

Möglichkeiten zur Klassifikation:<br />

Art der Untersuchungsmethode<br />

Abbildungsmedium<br />

Art der Zustandsübergänge<br />

Verwendungszweck<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

Dr. Michael Syrjakow<br />

45<br />

46<br />

23


Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />

Klassifikation nach Abbildungsmedium und<br />

Untersuchungsmethode<br />

materiell immateriell<br />

verbal<br />

Modelle<br />

informal<br />

grafischdeskriptiv<br />

mathematisch<br />

formal<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

grafischmathematisch<br />

analytisch simulativ analytisch simulativ<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

Dr. Michael Syrjakow<br />

• materielles Modell:<br />

Schiffsmodell<br />

• verbales Modell:<br />

umgangssprachliche Beschreibung<br />

• grafisch-deskriptives Modell:<br />

Flussdiagramm<br />

• mathematisches Modell:<br />

Gleichungssystem<br />

• grafisch-mathematisches Modell:<br />

Petri-Netz<br />

Klassifikation nach Art der Zustandsübergänge<br />

Modelle<br />

statisch dynamisch<br />

kontinuierlich diskret<br />

deterministisch stochastisch deterministisch stochastisch<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

47<br />

48<br />

24


Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />

Klassifikation nach dem Verwendungszweck<br />

Erklärungsmodelle<br />

Prognosemodelle<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

Modelle<br />

Gestaltungsmodelle<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

Literatur<br />

Modellierung und Simulation<br />

Dr. Michael Syrjakow<br />

Optimierungsmodelle<br />

Morgan, Byron J.: Elements of Simulation; Chapman and Hall, 1984.<br />

•<br />

Zeigler, B.P.: Multifacetted Modelling and Discrete Event Simulation;<br />

Academic Press, 1984.<br />

• Bernd Page: Diskrete Simulation; Springer, 1991.<br />

• Grams, Timm: Simulation: Strukturiert und objektorientiert <strong>pro</strong>grammiert;<br />

BI-Wissenschaftsverlag, 1992.<br />

• Liebl, Franz: Simulation: Problemorientierte Einführung; Oldenbourg, 1992.<br />

• Bossel, Hartmut: Modellbildung und Simulation; Vieweg, 1993.<br />

• Kaufmann, W.J.; Smarr, L.L.: Simulierte Welten; Spektrum Akademischer<br />

Verlag, 1994.<br />

• Fishwick, P.A.: Simulation Model Design and Execution: Building Digital<br />

Worlds; Prentice Hall, 1995.<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

49<br />

50<br />

25


Vorlesung: Modellbildung zur Bewertung und Optimierung von eingebetteten Systemen<br />

Leistungsbewertung<br />

KARLSRUHE<br />

UNIVERSITÄT<br />

(M. Syrjakow)<br />

IRF<br />

Literatur<br />

Kobayashi, Hisashi: Modeling and Analysis - An Introduction to<br />

System Performance Evaluation Methodology; Addison-Wesley, 1978.<br />

MacNair, E.A.; Sauer, C.H.: Elements of Practical Performance<br />

Modeling; Prentice-Hall, 1985.<br />

Marsan, M.A.; Balbo, G.; Conte, G.: Performance Models of<br />

Multi<strong>pro</strong>cessor Systems; The MIT Press, 1986.<br />

Bolch, Gunter: Leistungsbewertung von Rechensystemen; B.G.<br />

Teubner-Verlag, Stuttgart, 1989.<br />

• Jain, Raj: The Art of Computer Systems Performance Analysis; Wiley, 1991.<br />

• Haas, M; Zorn, W.: Methodische Leistungsanalyse von Rechensystemen;<br />

OldenbourgVerlag; 1995.<br />

Vorlesung "MODELLBILDUNG"<br />

Dr. Michael Syrjakow<br />

51<br />

26

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