Fakultät 07 / Institut für Nachrichtentechnik
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Untersuchung der Yosys Hardwaresynthese von der internen Datenstruktur RTLIL bis zur Netzliste
(2023)
Das Ziel dieser Arbeit ist die Beantwortung der Frage "Wie funktioniert Synthese?". Yosys ist ein offenes Synthesewerkzeug, welches untersucht wurde, um diese Frage zu beantworten. Yosys implementiert eine Datenstruktur RTLIL, mit der ein Entwurf in allen Synthesephasen dargestellt wird. Yosys ist modular aufgebaut, was dem Nutzer ermöglicht, das Programm zu erweitern. Die Synthese in Yosys ist auf Pässe unterteilt, die jeweils eine bestimmte Aufgabe erfüllen. Im Rahmen der Arbeit wurde die Datenstruktur und die Passes im einzelnen analysiert. Es wurde auch untersucht, wie in Yosys Erweiterungen zu implementieren sind. Die Analyse hat gezeigt, dass ein wichtiger Teil der Synthese die Umwandlung von Prozessen in eine RTL-Beschreibung darstellt. Im Rahmen der Synthese werden die, von einem Frontend vorläufig erzeugten RTL-Komponenten, umgewandelt. Der letzte Schritt der Synthese ist das Technologiemapping, welches die umgewandelten Komponente auf die verwendete Hardware anpasst.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit besteht darin, die Frage zu beantworten wie Yosys Verilog einliest und daraus RTLIL generiert. Mit der Beantwortung dieser Frage, soll die Datenstruktur RTLIL und die Verknüpfung zu einem Verilog Design besser verstanden werden. Dafür wurde das Frontend von Yosys untersucht und die Datenstruktur RTLIL näher eleuchtet. Als Ergebnis konnte festgehalten werden, dass die AstNode Datenstruktur eine wesentliche Rolle bei der Konvertierung von Verilog zu RTLIL spielt, und mit deren Hilfe beim Einlesen ein abstrakter Syntaxbaum gebildet wird. Allein der Typ des Knotens beeinflusst, wie der RTLIL Generator damit umgeht. Weiter ist die Generierung von RTLIL::Cell Objekten als erster Schritt zur Synthese zu verstehen, da sie durch Technologie Mapping reale Komponenten abbilden können
Domänenspezifische Sprachen gewinnen seit einigen Jahren zunehmend an Bedeutung. Xtext ist eine sogenannte \textit{Language Workbench}, mit der solche Sprachen schnell entwickelt werden können. Neben der Sprachinfrastruktur wird eine inzwischen weit fortgeschrittene Integration in die IDE Eclipse erzeugt und es können optional ein Plug-in für IntelliJ und ein Webeditor erstellt werden. Der Ansatz ist dabei, dass der oder die Codegeneratoren direkt mit dem Abstract Syntax Tree arbeiten. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie ein Domänenmodell in eine Xtext-Sprache integriert werden kann und wie Test- und Wartbarkeit davon profitieren. Besondere Beachtung finden, gegeben durch das Projektumfeld, die Anforderungen durch Funktionale Sicherheit.
Das Ziel dieser Arbeit ist die Definition einer allgemeinen Aufgaben-beschreibungssprache, die nicht an einen einzelnen Roboter gebunden ist, sondern für alle möglichen Arten von Robotern einsetzbar ist. Dieses Ziel soll mit Hilfe der Robotic Task Definition Language erreicht werden. Die Robotic Task Definition Language (RTDL) ist eine Sprache, die an der Fachhochschule Köln im Rahmen des Instituts-übergreifenden Projektes Verteilte Mobile Applikationen (VMA)" entwickelt wird. Die Aufgabe der RTDL besteht darin, eine allgemein gültige Aufgabenbeschreibungssprache für unterschiedlichste Roboter zu definieren. Mit einer solchen Aufgabenbeschreibungssprache ist es möglich, die Steuerungssoftware verschiedener Roboter in einer einheitlichen Sprache zu beschreiben und in einem weiteren Schritt auch umzusetzen.
Die Grundlage für diese Arbeit ist das opensource Roboterkettenfahrzeug SRV1 der Firma Surveyor [www-surveyor]. Im Auslieferungszustand ist es möglich, das Fahrzeug über ein Steuerungsprogramm fernzusteuern. Dies entspricht dem Funktionsumfang eines normalen ferngesteuerten Fahrzeugs, erweitert um eine Kamera, jedoch ohne jegliche Autonomie oder Intelligenz. Da das Fahrzeug auf einem embedded Board aufgebaut ist, welches über eine WLAN Verbindung verfügt, bietet es einen guten Ausgangspunkt für Erweiterungen. Ziel dieser Arbeit ist es eine Grundlage für autonome Fahrten zu schaffen. Als Betriebssystem wird uClinux, ein Linux für embedded Plattformen genutzt. Das Fahrzeug soll um einen zur Orientierung dienenden Kompass erweitert werden. Außerdem kommt ein RFID-Reader zum Einsatz, mit dessen Hilfe werden RFID-Transponder auf einer Teststrecke als künstliche Landmarken zur Positionsbestimmung genutzt. Es wird eine Software für autonome Fahrten entwickelt, die es ermöglicht, durch Verwendung der erweiterten Hardware, den Roboter eigenständig Punkte der Teststrecke anfahren zu lassen. Hierzu ist es erst notwendig alle Hardware im Betriebssystem, beispielsweise durch Treiber verfügbar zu machen.
Moderne Mobiltelefone bieten heutzutage eine Vielzahl von Funktionen, die weit über die grundlegenden Sprachdienste hinausgehen. Sie können als Terminplaner oder auch als Foto- und Videokamera genutzt werden. Die Nutzung dieser Funktionen wurde durch die steigende Leistungsfähigkeit der Geräte möglich. Mit der Entwicklung von UMTS und insbesondere den Übertragungstechniken HSDPA und HSUPA erhält das „mobile Internet" mehr und mehr Einzug auf mobilen Endgeräten. Aufgrund der hohen Leistungsfähigkeit und des Vorhandenseins der nötigen Infrastruktur können auch Videostreaming-Dienste genutzt werden. Um die Qualität einer Videoübertragung sicherzustellen, ist es notwendig, eine Software zu haben, die die Rahmenbedingung der Übertragung bestimmt und so Rückschlüsse auf die entscheidenden Parameter ermöglicht. In dieser Arbeit soll eine Software entwickelt werden, mit der es möglich ist, die Qualität einer Videoübertragung zu bewerten. Um eine möglichst hohe Qualität der Videos zu ermöglichen, müssen sie zur Übertragung effizient komprimiert werden. Einer der neuesten Standards zur Komprimierung ist H.264. Dieser Standard bietet eine durchschnittlich dreimal höhere Kompressionsrate als MPEG-2, welches beispielsweise bei der Übertragung von digitalem Fernsehen (DVB) und der Speicherung von Videodaten auf einer DVD zum Einsatz kommt. H.264 ist Teil des MPEG-4 Standards, der sich im Bereich der mobilen Endgeräte schon jetzt durchgesetzt hat. Die Struktur von H.264 wird im zweiten Kapitel dargestellt, der Transport von H.264 über verschiedene Streaming-Protokolle im dritten Kapitel dieser Arbeit. Die zur Bewertung der Qualität verwendeten Parameter werden im vierten Kapitel zusammengefasst. Die zu erstellende Software soll primär für die Android Plattform entwickelt werden. Jedoch soll bei der Entwicklung auch darauf geachtet werden, dass die Software leicht in eine andere Umgebung portierbar ist. Die Android Plattform ist ein komplettes Softwarepaket für mobile Endgeräte wie Smartphones und Netbooks. Neben einem auf Linux basierenden Betriebssystem liefert Android eine Middleware für die Entwicklung und den Betrieb der Anwendungen. Im fünften Kapitel wird der grundlegende Aufbau und die Entwicklung einer Android Anwendung beschrieben. Nach der Betrachtung der Grundlagen zur H.264-Videokompression, der verwendeten Streaming-Protokolle und der Entwicklung einer Android Anwendung folgt das sechste Kapitel, welches sich mit dem Softwareentwurf und der Implementierung beschäftigt. Der plattformunabhängige Teil der Software steht hier im Fokus, während dem plattformabhängigen Teil lediglich ein kleiner Teil des Kapitels gewidmet ist. Die Qualitätssicherung der Software wird im siebten Kapitel beschrieben. Hier erfolgt eine Betrachtung des Einflusses der Software auf die Übertragung. Ebenso werden Methoden zur Überprüfung der Korrektheit erläutert. Das achte Kapitel zeigt die Auswertung der Messerergebnisse. Im neunten Kapitel wird die entworfene Software dargestellt. Es wird die Bedienung der Software erläutert, sowie die Darstellung der Messergebnisse präsentiert.
Entwicklung eines Videoanalysesystems auf Basis von Java Mobile Edition für Symbian SmartPhones
(2009)
Der Markt für mobile Telefone wächst schon seit mehreren Jahren rasant. Das "Handy" wird schon lange nicht mehr nur zum Telefonieren benutzt. Es ist zu einem nicht mehr wegzudenkenden Assistenten geworden, der immer einsatzbereit und in Reichweite ist. Das Gerät kann außer den Grundfunktionen wie Telefonieren und SMS-Verschicken als persönlicher Terminplaner, Notizbuch oder auch als Foto- oder sogar Videokamera genutzt werden. In den letzten Jahren sind Mobiltelefone auch in der Internet- und Multimediawelt vertreten. Sie besitzen mittlerweile genug Leistung, Speicher und Bildschirmfläche, um Webseiten darzustellen oder komplette Spielfilme wiederzugeben. Die sinkenden Preise für mobile Breitband-Internetzugänge (Flatrate mit 7,2 Mbit/s schon ab 35 Euro), die wachsende Anzahl der mobilen Internet-Zugänge, die sinkenden Nutzungspreise der so genannten „HotSpots“ (in Hotels, Restaurants, etc. oft kostenfrei) und die Leistungsfähigkeit der aktuellen mobilen Endgeräte, ermöglichen die Nutzung der Videostreaming-Dienste. Diese Dienste können zum Beispiel IPTV, Video on Demand oder Videotelefonie sein. Um die Qualität des über ein IP-Netzwerk gelieferten Videodatenstrom zu gewährleisten, ist es notwendig die Qualität dieses Datenstroms im realen Umfeld und unter realen Bedingungen messen zu können. Das erfordert die Entwicklung eines Messsystems, welches direkt auf einem Endgerät installierbar und vom Gerätetyp möglichst unabhängig ist. Das zu entwickelnde Programm soll den Videodatenstrom mitschneiden und auswerten können ohne die Übertragung zum Wiedergabeprogramm zu stören. Es soll der Paketverlust, der Wert des Interarrival Jitters sowie die für das jeweilige Videoformat spezifischen Informationen erfasst werden. Die Auswertung soll in vom Benutzer bestimmbaren Intervallen durchgeführt werden können. Um diese Anforderungen zu erfüllen, wird eine Anwendung in der Programmiersprache Java Mobile Edition implementiert, die wie eine Netzwerkbrücke funktionieren wird. Sie wird Java-Threads für das parallele Empfangen und Weiterleiten der Datenpakete zwischen dem Server und dem Wiedergabeprogramm sowie für das Extrahieren und Auswerten der Daten verwenden. In Kapitel 2 werden die meisten Begriffe, die in der Diplomarbeit vorkommen erläutert. Einen wichtigen Punkt stellen in diesem Kapitel die Protokolle für den Transport der multimedialen Daten. Für die Darstellung von Videodaten auf mobilen Endgeräten hat sich der MPEG-4-Standard durchgesetzt. Dessen Entwicklung hat als Ziel, Systeme mit geringen Ressourcen oder schmalen Bandbreiten bei relativ geringen Qualitätseinbußen zu unterstützen. Auch dieser Standard wird hier dargestellt. Die Wahl der Programmiersprache, deren Hauptaspekte und die zur Fertigstellung des Messsystems nötigen Komponenten werden zum Schluss dieses vorgestellt. In Kapitel 3 wird die Umsetzung des Systems beschrieben: Zuerst die Darstellung des Entwicklungssystems und der Entwicklungsumgebung (3.1), danach werden zwei Alternativen genannt, nach denen die Entwicklung des Grundgerüsts der Software möglich ist (3.2). In Abschnitt 3.3 werden die Methoden präsentiert, die den Kern des Messsystems bilden und die so genannte „Deep Inspection“ des Videodatenstroms durchführen.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Realisierung eines Parsers, der mathematische Beweise aus „TeXmacs“ in eine zu erstellende XML-Struktur umwandelt. Die Struktur der XML-Datei wird durch eine ebenfalls zu entwickelnde DTD-Datei vorgegeben. TeXmacs ist ein WYSIWYG-Editor zum Beschreiben von mathematischen Texten. Die Arbeit findet im Rahmen der Forschungsgruppe Naproche statt. Langfristig soll das Ergebnis der Arbeit in Naproche eingesetzt werden, um mathematische Beweise besser auf ihre logischen Aussagen zu überprüfen. Zu klären ist also, ob die logische Abfolge des erfassten TeXmacs-Beweises richtig in eine XMLStruktur umgesetzt wurde und alle dokumentierten Voraussetzungen und Beweisschritte im XML-Dokument syntaktisch richtig sind. Die Anwender, die direkt in TeXmacs mit Beweisen arbeiten, sollen eine Rückmeldung erhalten. Bei einer fehlerhaften Rückmeldung soll auch die Stelle im Beweis gekennzeichnet werden, an der der Fehler aufgetreten ist. Dieser kann so schnellstmöglich korrigiert werden. Tritt keine Fehlermeldung auf, wird auch das als Information ausgegeben. Diese Bachelorarbeit befasst sich mit der Realisierung des ersten Teils: Aus einer von TeXmacs erzeugten SCM-Datei soll mit einem Java-Programm die Struktur des mathematischen Textes ermittelt werden; es soll also eine Trennung von mathematischen Formelanteilen (Formeln, Gleichungen/Ungleichungen, mathematische Symbole, usw.) und beschreibenden Texten durchgeführt werden. Diese Struktur wird mit den Regeln einer DTD in ein XML-Format so umgewandelt, dass das resultierende XML-Dokument von den nachfolgenden Modulen des Naproche-Projekts bearbeitet werden kann.
Das für diese Masterthesis realisiertes Softwaresystem verwendet als Teilkomponente die Softwarelösung IPEE (Internet Pattern Extrakt Engine), die von M.Sc. Andreas Frey entwickelt und in der ursprünglichen Fassung dokumentiert wurde. Diese Kapitel sind aus Gründen des Copyrights, die auf der Software IPEE liegen, nicht in der veröffentlichten Fassung (der Masterthesis) enthalten. Eingeleitet wird die Arbeit mit Aspekten des Entwicklungsstandes des Semantik Web (Web3.0). Es folgt die Begriffsdefinition der Semantik und der semantisch orientierten Verarbeitung. Für die Ablage (Archivierung) und Verarbeitung von Daten für semantisch orientierte verarbeitende Systeme eignet sich die Konzeption der semistrukturierten Daten, die darauf folgend definiert und mit den anderen Konzeptionen - wie strukturiert und nicht strukturiert - in Beziehung gesetzt wird. In den folgenden Kapiteln werden die Komponenten erklärt, die für die Realisierung eines Prototypen zur semantisch orientierten Verarbeitung verantwortlich sind und hauptsächlich auf Aspekte der semantisch orientierten Verarbeitung von Verben fokussiert sind. Von Relevanz sind hierbei Komponenten zur Wort- und Phrasen-Analyse und zur automatischen Recherche von Wörtern aus dem Internet. Da diese Komponenten auf die Realisierung von Pattern-Extraktionsverfahren basieren, wurde die spezielle Softwarelösung IPEE verwendet. Des weiteren werden Komponenten für die Generierung des semantischen Graphen und die Visualisierung anhand von hyperbolischen Bäumen mit Hilfe einer Open Source Software Treebolic Browser beschrieben. Auch wird eine GUI für die Eingabe und Verarbeitung von Sätzen der deutschen Sprache und die Verwaltung eines Bedeutungswörterbuches erklärt. Abschließend erfolgt eine experimentelle Auswertung der semantisch orientierten Verarbeitung.