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Lehrstuhl für Informatik 12
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Kognitive eingebettete Systeme auf Basis dynamisch rekonfigurierbarer Hardware

Kurzbeschreibung des Projektes

Die Leistungsfähigkeit von Hardwarekomponenten wächst ständig. Es ist damit zu rechnen, dass eingebettete Systeme in Zukunft auch kognitive Aufgaben übernehmen, die bisher nur vom Menschen selbst durchgeführt werden konnten. Dazu gehören die Fähigkeiten der Wahrnehmung sowie der Muster- und Objekterkennung bis hin zu Fähigkeiten des Lernens und der Selbstorganisation.

Die Realisierung solcher rechenintensiven kognitive Ansätze stellt im Allgemeinen sehr hohe Anforderungen an die Leistungsfähigkeit des Rechnersystems (bzgl. Geschwindigkeit, Speicherressourcen etc.) und ist bisher im Bereich eingebetteter Systeme kaum zu finden, obwohl genügend Anwendungsfelder für solche Systeme vorhanden sind. Die übliche Realisierung kognitiver Funktionalität in Software auf Vielzweckrechnern kommt für eingebettete Systeme nicht in Frage, da hier harte Vorgaben hinsichtlich Platzverbrauch, Gewicht und Energieaufwand gegeben sind.

Durch die Verwendung rekonfigurierbarer Logik und leistungsfähiger Embedded-Prozessoren sollen erstmals auch kognitive Funktionen in eingebetteten Systemen realisiert werden, was bisher aufgrund der benötigten hohen Rechenleistung nicht möglich war. Zum Einsatz soll ein solches kognitives System bei zwei Anwendungen kommen:

  • Als Netzwerktechnologie im Automobilbereich, wobei eine einzelne leistungsfähige Netzwerkstruktur verwendet wird, über die Steuergeräte mit verschiedenen Kommunikationsanforderungenum kommunizieren können. Mittels kognitiven, intelligenten Methoden soll zwischen verschiedenen Protokollen umgeschaltet und die Übertragung an zusätzliche Buslast adaptiert werden. Bisher war dazu jeweils eine Netzwerk-Infrastruktur pro verwendetem Protokoll erforderlich, was Gewicht und Kosten deutlich erhöht.
  • Die zweite Anwendung besteht in der Echtzeit-Voranalyse von Videodaten aus Überwachungskameras mit dem Zweck einer Identifikation typischer geometrischer Formen oder einfacher Objekte. Dies ermöglicht später das gezielte und schnelle Auffinden bestimmter Situationen in den Aufzeichnungen. Bisher müssen dazu die gesamten aufgezeichneten Videodaten eines Zeitraumes visuell (d.h. von Personen) analysiert werden, was sehr zeitaufwendig ist.
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Ziele

Das Ziel dieses Vorhabens ist es, Grundlagen und Techniken für die Umsetzung kognitiver Funktionen auf eingebetteten Systemen zu erforschen, entsprechende Entwurfsabläufe zu automatisieren und diese Methodiken auf Plattformen anhand zweier konkreter Anwendungen zu testen. Besonderes Augenmerk soll dabei auf den Einsatz dynamisch rekonfigurierbarer Hardware gelegt werden: Da rechenintensive und zeitkritische Algorithmen bei begrenzten Systemressourcen nicht allein in Software berechnet werden können, ist die Unterstützung durch dedizierte Hardware unerlässlich. Um gleichzeitig ein hohes Maß an Flexibilität zu erreichen, sollen programmierbare Hardwarebausteine, sog. FPGAs (engl. Fieldprogrammable Gate Arrays), zum Einsatz kommen. Dabei soll untersucht werden, inwieweit sich diese während des Betriebs umkonfigurieren lassen und sich dadurch einerseits Ressourcen sparen und andererseits kontextabhängige Funktionen bereitstellen lassen.

Schematische Darstellung einer kognitiven eingebetteten Systemarchitektur

Ein Beispiel für ein solches kognitives eingebettetes System auf Basis rekonfigurierbarer Hardware. Durch Umschaltung der Verarbeitungsfunktionen können ressourcensparend berechnungsintensive Verarbeitungsfunktionen kontextabhängig geladen werden.

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Stand

Ein Konzept zur Realisierung von Protokollmultiplex wurde erarbeitet. Um das Ziel zu erreichen, vorhandene Busstrukturen weiter zu verwenden, muss gewährleistet sein, dass bereits vorhandene Busteilnehmer in ihrer Kommunikation nicht gestört werden. Hierzu wurde das CAN+ Protokoll entworfen. Es ist im Wesentlichen wie das Standard-CAN-Protokoll aufgebaut. Allerdings wird auf Bitebene ein eigenständiges Protokoll aufgesetzt, so dass im Datenteil durch Übertaktung mehr Daten übertragen werden. Mit CAN+ lässt sich ein Protokollmultiplex realisieren, da CAN+ und CAN auf einem Bus gleichzeitig genutzt werden kann. Dies beruht darauf, dass beide Protokolle das gleiche Buszugriffsverfahren verwenden.

Schematische Darstellung einer gemultiplexten Busarchitectur

Ein Beispiel für eine Kommunikationstruktur in einem Automobil, bei der ein kognitives eingebettetes System auf Basis rekonfigurierbarer Hardware zum Einsatz kommt. Durch Umschaltung der Verarbeitungsfunktionen und des Protokolls kann die gleiche Kommunikationsresource sowohl für Sensor/Aktor-Schleifen als auch für die Videoübertragung der Rücksichtkamera genutzt werden.

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Ergebnis

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Projektpartner

Dallmeier electronics Dallmeier electronics, D-93051 Regensburg
softgate GmbH softgate GmbH, D-91052 Erlangen
Fraunhofer IIS Logo Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen, D-91058 Erlangen
Logo der Universität Universität Erlangen-Nürnberg, D-91058 Erlangen

Das Projekt wird vom Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft, Infrastruktur, Verkehr und Technologie im Forschungs- und Entwicklungsprogramm "Informations- und Kommunikationstechnik" und dem Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung (EFRE) der Europäischen Union gefördert.

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Publikationen

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