V D E - B M B F - A K T I O N F R AG E BO G E N 20 15 Mikrochips selbst entwerfen ! Der Chip an dir. Antwortbogen 2015 online Ein neues Zeitalter der Chips ist angebrochen. Telefon und Computer sind schon lange mobil, jetzt werden die Chips tragfähig, und zwar direkt an dir oder deiner Kleidung. Dein Smartphone musst du noch in der Hand halten, um es zu benutzen. Mit den tragfähigen Geräten, den Wearable Devices, wird dies anders. Nun kannst du mit Handschuhen musizieren, deine Schuhe analysieren dein Laufverhalten und können sogar Blinden zur Orientierung dienen. Fitnessbänder oder spezielle Armbanduhren kontrollieren deine Bewegungen. Brillen unterstützen Chirurgen mit direkten Informationen während einer Operation und weisen auch Blinden den Weg durch Übersetzen von Räumen in Klänge. Du kannst nicht nur Text, Fotos oder Videos, sondern mit deiner Kleidung auch virtuelle Umarmungen verschicken. Die tragbaren Chips werden unser Leben und unser Miteinander verändern. Das ist eine große Chance und zugleich eine große Herausforderung, damit verantwortlich umzugehen. Der Chip an dir: Er misst, analysiert, vernetzt sich, informiert oder warnt dich. Vielleicht bedienst du ihn über deine Stimme oder indem du mit den Schultern zuckst. Welche Idee hast du für eine Chipanwendung? 20 15 Neugierig geworden auf die Welt der Mikrochips? Dann grammierung – auch das schickste Smartphone hat mal als beantwortet als erstes die 20 Fragen – und motiviert viele Holzmodell angefangen. Einreichungen zu anderen Themen eurer Mitschülerinnen und Mitschüler zum Mitmachen! Die sind selbstverständlich gleichrangig willkommen. Bewerbt Schulen mit den meisten Fragebögen erhalten nämlich einen euch mit eurer Idee für die Praxisphase. Die Experten des Schulpreis, den ihr für eine tolle Party oder die technische Institutes für Mikroelektronische Systeme (IMS) der Leibniz Ausstattung von Arbeitsräumen einsetzen könnt. Spicken ist Universität Hannover zeigen euch in einem Workshop, wie übrigens erlaubt – vielleicht geben euch eure Fachlehrkräfte, es geht. Während der Praxisphase des Wettbewerbs könnt Ingenieure oder Wissenschaftler im Bekanntenkreis oder ihr euch jederzeit mit euren Betreuern oder den anderen Studierende hilfreiche Tipps beim Ausfüllen. Teams austauschen. Zuhause benötigt ihr einen PC mit Ihr wollt genauer wissen, wie Chips entwickelt werden und Internetanschluss, Durchhaltevermögen und Freude an der habt eine Idee für einen Mikrochip und seine mögliche An- fortlaufenden Umsetzung in den folgenden 4 Monaten. Wir wendung (ein Beispiel findet ihr im Menüpunkt „Infos und wünschen euch viel Spaß und Erfolg! Tipps“ auf www.invent-a-chip.de und zudem die Ideen der Unter www.invent-a-chip.de findet ihr den Onlinebogen vergangenen Jahre unter „Siegerprojekte“)? Ihr könnt euch bis zum 31. März 2015 frei geschaltet. Nach Ablauf dieses gerne vom Thema des „Chip an dir“ inspirieren lassen. Termins ist kein Eintrag mehr möglich. Anfangs wird euer Konzept natürlich nicht unsichtbar sein Der Rechtsweg ist ausgeschlossen, es gilt das Datum des – die Hardware muss an den Gürtel, in die Mütze oder den Eintrags. Bei gleichwertigen Einreichungen entscheidet Rucksack. Doch der Trick steckt in eurer Idee und der Pro- das Los. Teilnehmer/innen Teilnehmer/innen ohne Chipidee Teilnahmezertifikate und Antwortbogen: Schülerin oder Schüler der Jahrgangsstufe 8 bis 12 (13) Jede/r Teilnehmer/in, ganz gleich ob mit oder ohne Antwortbogen bis zum 31. März 2015 online ausgefüllt Chipidee, erhält ein individuelles Teilnahmezertifikat mit Teilnahme für Schulpreis Punktzahl und den Lösungsbogen. Für Klassen bzw. Kurse können die einzelnen Leistungen dargestellt werden. zusätzlich: Bewerbung mit Chipidee Lehrkräfte bekommen unter Angabe Ihrer E-Mail ebenfalls Einzelteilnehmer oder Team von maximal 4 Personen den Lösungsbogen zugeschickt. Dokument mit Beschreibung der Chipidee eindeutig benennen (Titel des Dokuments soll identisch sein mit Schulpreis 2015: dem im Antwortbogen genannten Titel der Chipidee) Die Schulen mit den meisten Teilnehmern und besten Hochladen der Chipidee als Dokument (pdf oder doc etc.) Lösungen erhalten Geldpreise in Höhe von 1.000, 500 oder 250 Euro. Bei Teams: Jede/r Einzelne des Teams muss jeweils den Antwort bogen bis zum 31. März 2015 online ausfüllen Praxisphase Chipentwicklung: Die zwölf besten Teilnehmer/innen bzw. Teams, die von Eigens gewählter Teamname gewährt Zuordnung zur der Jury ausgewählt werden, nehmen an der Praxisphase Gruppe (bitte auf identische Schreibweise achten) teil und konstruieren selbstständig einen funktionsfähigen Teamsprecher/in bestimmen als Ansprechpartner für die Gruppe Hochladen des Dokumentes der Chipidee durch Teamsprecher Chip. Tatkräftige Unterstützung erhaltet ihr dabei von Wis senschaftlern der Leibniz Universität Hannover. Zu gewin nen 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 auf dem Mikrosystemtechnik-Kongress am 26. Oktober 2015 in Karlsruhe vor. Nähere Informationen im Wettbewerbs-Flyer oder unter www.invent-a-chip.de 2 20 15 Der Chip an dir Tragbare Elektronik bezeichnet alle elektronischen Technologien oder Computer, die bequem am Körper getragen werden und z.B. auch in Kleidung eingebaut sein können. Diese tragbaren Chips können ähnliche Leistungen erbringen wie Handys oder Laptops, sie in manchen Bereichen sogar übertreffen. Da sie mit vielfältigen Sensoren verbunden werden können, überprüfen sie z.B. Körperfunktionen oder geben auch Alarmsignale. Die Daten stehen nicht nur in Echtzeit zur Verfügung, sie können auch gespeichert und verarbeitet werden. Tragbare Elektronik wird bereits in der Medizin, Fitness, bei Handicaps eingesetzt, aber auch bei Spielen oder in der Musik. Hörgeräte zählen sicher zu den Pionieren auf diesem Sektor. Weitere Beispiele für solche „Wearable Devices“ im Alltag sind: Armbanduhren, Brillen, Kontaktlinsen, E-Kleidung, Kopf bänder, Kappen und Mützen, Schmuck wie Ringe oder Armbänder – mit integrierter Elektronik und Zusatzfunktionen. Alle benötigen winzige Mikrochips, die immer kleiner und dünner und in der Kleidung zudem biegsam und stabil sein müssen. Die Energieversorgung stellt eine weitere Herausforderung dar, da sie möglichst komfortabel, winzig klein und langlebig sein soll. Die Fragen 1Temperaturmessung Eine permanente Temperaturüberwachung spielt in der Sportmedizin eine wichtige Rolle. Bei Leistungs sportlern kann eine Langzeitüberwachung der Körpertemperatur wichtige Erkenntnisse über den Fitnesszustand liefern. Hierbei sind natürlich kleine smarte Temperatursensoren gefragt, die den Sportler nicht bei der Ausübung seines Sports behindern. Wie viele Bits benötigt ein solches kleines digitales Thermometer, wenn es in einem Wertebereich von 0 bis 50 Grad Celsius mit einer Genauigkeit von 0,1 Grad Celsius messen soll? A 7Bit B 8Bit C 9Bit D10 Bit 3 20 15 2Spannungsteiler 3 Energy Harvesting Elektronische Geräte benötigen eine Spannungsquelle Die mobile Energieversorgung ist für viele Anwen- mit einer definierten Spannung. Mobile Messgeräte dungen von grundlegender Bedeutung, allerdings und Sensoren werden häufig von nur einer Span- führt die Verwendung von herkömmlichen Akkus zu nungsquelle gespeist, die zum Beispiel durch zwei mehreren Problemen. Neben einem unkomfortablen in Reihe geschaltete 1,5 V Mignon-Zellen (AA) und regelmäßigen Wiederaufladen verkürzt vor allem das der daraus resultierenden Gesamtspannung von 3 V Altern von Akkus oftmals bereits nach wenigen Wo- gebildet werden kann. Für manche mobile Sensoren chen die zu erwartende Laufzeit von mobilen Geräten. ist allerdings eine Signalanpassung, d.h. die Herabset- Aus diesem Grund wird (wenn möglich) versucht, zung der Versorgungsspannung, notwendig, da sie in Energie aus dem Umfeld der elektrischen Schaltung einem kleineren Spannungsbereich arbeiten. Diese Si- zu gewinnen. Als Bezeichnung hierfür wird auch der gnalanpassung kann man mit einem Spannungsteiler englische Begriff „Energy Harvesting“ verwendet, der erzeugen. Dabei unterscheidet man zwischen einem wörtlich mit „Energie-Ernten“ übersetzt werden kann. belasteten und einem unbelasteten Spannungsteiler. Durch das piezoelektrische Energy Harvesting kann Im unbelasteten Fall, also ohne Anschluss des Last- mechanische Energie durch Erschütterungen oder widerstandes RL in der unten dargestellten Schaltung, Vibrationen in elektrische Energie umgewandelt wer- haben die Widerstände R1 und R2 denselben Wert. den. Es wurde experimentell gezeigt, dass mit Hilfe Somit sind die Teilspannungen U1 und U2 gleich groß eines Rucksackes die mechanische Energie eines und haben die halbe Versorgungsspannung U. Fußgängers durch piezoelektrisches Energy Harvesting verwendet werden kann, um z.B. ein Handy zu laden. I Der Akku eines Smartphones soll 28,7 kJ Energie speichern können. Die im Durchschnitt durch piezo R1 U U1 elektrisches Energy Harvesting aus dem Rucksack eines Spaziergängers gewonnene Leistung IL wird mit 4,98 W Leistung angenommen. R2 U2 RL vollständig zu laden? A 0,97 Stunden B 1¾ Stunden Welche der folgenden Aussagen ist richtig, C 191 min wenn alle drei Widerstände R1, R2 und RL D 1 Stunde 36 min denselben Wert haben und der Lastwiderstand angeschlossen wird? 4 Wie lange müsste der Spaziergänger umher laufen, um seinen komplett leeren Akku wieder A Der Gesamtstrom I sinkt auf die Hälfte. B Die Teilspannung U2 sinkt von U/2 auf U/3. C Die Teilspannung U2 verdoppelt sich. D Die Teilspannung U2 sinkt von U/2 auf U/4. 20 15 42er-Komplement 6GPS-Tracker Mit verschiedenen Sensoren, die man auch am Eine häufig genutzte Anwendung tragbarer Elektro- Körper tragen kann, werden die unterschiedlichs- nik im Sport sind GPS-Tracker, die die zurückgeleg- ten Messwerte und Messgrößen aufgezeichnet ten Wegstrecken aufzeichnen. Auch können damit und erfasst. Temperatursensoren, mit denen entlaufene Hunde oder Katzen lokalisiert werden. man zum Beispiel die Außentemperatur messen Weiterhin werden solche Geräte auch im Bereich möchte, müssen natürlich auch in der Lage sein, der Digitalfotografie eingesetzt, um Bilder über die negative Werte, also z.B. -5 Grad Celsius, auf- Aufnahmezeit mit einer Position zu versehen. zunehmen. Diese negativen Werte werden dann Um einen neuen GPS-Tracker für den Sportbe- digital weiterverarbeitet. Für die Darstellung von reich zu entwickeln, muss die notwendige Größe negativen Zahlen in der Digitaltechnik benutzt man des Speichers abgeschätzt werden. Es wird an- die sogenannte 2er-Komplement-Darstellung. genommen, dass ein GPS-Wegpunkt mit 32 Bit Zur Weiterverarbeitung der digitalen Sensorda- kodiert wird. Ein durchschnittlicher Jogger läuft ten muss oftmals die Wortbreite, d.h. die Anzahl mit 12 km/h und etwa 45 Minuten lang. der Bitstellen, entsprechend erhöht werden. Wie groß muss der Speicher des Trackers Wie lautet die auf 16 Bit erweiterte 2er-Komple- mindestens dimensioniert sein, um den kompletten ment-Darstellung der 6 Bit 2er-Komplement- Weg des Joggers aufzuzeichnen, wenn alle 50 cm Zahl 1001102? ein Wegpunkt aufgenommen werden soll? A 1100 1001 1010 01102 A 70,3125 KByte B 0000 0000 0010 01102 B 35,4215 MByte C 1111 1111 1110 01102 C 70,5685 KBit D Die Erweiterung einer 2er-Komplementzahl auf D 15,9865 KByte 16 Bit ist nicht möglich 7 5Schlafphasenwecker Laufzeit von akkubetriebenen Systemen Die Akkulaufzeit von Wearable Devices, also tragbarer Unter Schülerinnen und Schülern, Studieren- Elektronik, ist ein wichtiges Produktmerkmal und kann den und Berufstätigen ist die Morgenmüdigkeit kaufentscheidend sein. Daher muss bei der Entwicklung ein weit verbreitetes Phänomen. Studien haben von solchen Systemen besonders auf den Energieum- gezeigt, dass diese Müdigkeit mit der Schlafpha- satz, insbesondere die Verlustleistung der eingesetzten se einhergeht, in der sich ein Proband befindet, Chips, geachtet werden. Für ein solches Gerät soll ein wenn er geweckt wird. Daher werden so genann- Chip verwendet werden, der mit einer maximalen Takt- te Schlafphasenwecker immer beliebter, die die frequenz von 1 GHz betrieben werden kann. Dieser weist Schlafphasen analysieren und den Benutzer in eine dynamische Verlustleistung von 0.5 mW/MHz auf, einem gewissen einstellbaren Zeitraum in der für während die statische Verlustleistung aller Komponenten das Wecken optimalen Schlafphase wecken. bei 20 mW liegt. Das Wearable Device soll mit einem Akkumulator betrieben werden, der eine Nennspannung Welche Art von Sensoren wird in Schlafphasen- von 3,7 V und eine Kapazität von 1440 mAh aufweist. weckern eingesetzt? Mit welcher durchschnittlichen Taktfrequenz darf AHygroskope der Chip maximal betrieben werden, damit das BTemperatursensoren Gerät mindestens 24 Stunden in Betrieb sein kann? CBeschleunigungssensoren DLichtsensoren A 101 MHz B 202 MHz C 404 MHz D 808 MHz 5 20 15 8 Digitale Hörgeräte 9EKG Ein bekanntes Beispiel für tragbare Elektronik sind Im Leistungssport wird das Training inzwischen durch Hörgeräte. Analoge Hörhilfen wurden in den letzten kontinuierliche Analyse verschiedener Körperfunkti- Jahren zunehmend durch digitale Hörgeräte abge- onen der Sportler optimiert. Dadurch ergibt sich die löst, da diese neben der eigentlichen Verstärkung Möglichkeit, Trainingspläne optimal auf die jeweiligen von Audiosignalen auch bestimmte Signalverar- Sportler abzustimmen. Ähnliche Methoden werden beitungsschritte einsetzen, die den Tragekomfort aber auch in der Medizin eingesetzt, um einen ge- und die Effizienz dieser Geräte erheblich steigern nauen Überblick über den Gesundheitszustand eines können. Da diese Signalverarbeitungsschritte jedoch Patienten zu erlangen. Neben der Messung von unmerklich schnell ablaufen sollten, ist eine gute Ab- Körpertemperaturen, Laktatwerten und der Analyse stimmung der Bearbeitungszeit und der gewählten von Atemgasen ist es auch möglich, mit mobilen Hardwarearchitektur wichtig, um gleichzeitig einen EKG-Geräten ein Langzeit-EKG aufzuzeichnen. angemessenen Energieverbrauch zu gewährleisten. Eine Verzögerungszeit zwischen Eingangs- und Aus- Die Überwachung des Herzens, z.B. eines gangssignal (auch Latenz genannt) von bis zu 15 ms Sportlers, wird mithilfe von EKG-Geräten wird in Audioanwendungen typischerweise als unpro- durchgeführt. Welche elektrische Größe blematisch angesehen. Einen Teil dieser Zeit benötigt wird durch das Gerät erfasst? jedoch auch der Analog-Digital-Wandler, bevor das Audiosignal bearbeitet werden kann. Nach der Be A arbeitung muss das Audiosignal darüber hinaus auch wieder zurückgewandelt werden. Der Einfachheit B halber soll hier davon ausgegangen werden, dass beide Wandlungsschritte jeweils 4 ms Zeit benötigen. Wie viele Takte stehen für den HörhilfenAlgorithmus zur Verfügung, wenn die digitale Schaltung mit einem Taktsignal mit einer Frequenz von 50 MHz versorgt werden soll? A 1,8 * 106 B 3,5 * 105 C 18 * 107 D35000 6 Die elektrische Leistung, die beim Bluttransport in mechanische Arbeit umgesetzt wird. Die elektrische Spannung, die in den Herzmuskel zellen entsteht. C Der elektrische Widerstand, den das Herz aufweist. D Der elektrische Strom, der durch das Gehirn generiert wird. 20 15 10 Codierung von Kommazahlen eines Luftdrucksensors Bei der Messwertaufnahme von Sensoren können auch Kommazahlen auftreten. Aufgrund der zwangsläufig begrenzten Bitbreite in Speicherblöcken und arithmetischen Modulen von digitalen Schaltungen werden Kommazahlen in digitalen Schaltungen oft anders dargestellt als in unserer alltäglichen Schreibweise im Dezimalsystem. Man unterscheidet zwischen einer Festpunkt- und Gleitkomma-Zahlendarstellung, wobei erstere eine festgelegte Bitanzahl vor und nach der Position des Kommas der Zahl aufweist. Hierdurch wird der darstellbare Zahlenbereich jedoch stark begrenzt. Weder sehr kleine noch sehr große Zahlen lassen sich ohne weiteres darstellen. Dieses Problem wird durch das Gleitkomma-Zahlenformat angegangen, indem eine Zahl z folgendermaßen beschrieben wird: z = m * be Dabei bezeichnet man m als die sogenannte Mantisse, b als die Basis der Zahlendarstellung und e als den Exponenten. 3 Im Dezimalzahlensystem bedeutet dies beispielsweise, dass die Zahl 8640 auch als 8, 64*10 in der GleitkommaZahlendarstellung beschrieben werden kann. Damit diese Darstellung eindeutig ist, muss weiterhin auch beachtet werden, dass die Zahl vor dem Komma einstellig und größer Null ist. Für binäre Zahlen folgt daher, dass die Mantisse immer mit einer eins vor dem Komma beschrieben wird, weshalb die in einer binären Gleitkommazahl beinhalteten Bits der Mantisse lediglich ihre Nachkommastellen beschreiben. Darüber hinaus wird von der gespeicherten Zahl des Exponenten der feste dezimale Wert 127 abgezogen, um auf den tatsächlichen Exponenten zu kommen. Dies wird genutzt, um auch negative Exponenten einfach darzustellen. In einer 32 Bit großen binären Zahl werden im Gleitkomma-Zahlenformat die einzelnen Bits folgendermaßen interpretiert: 1 Bit 8 Bit Vorzeichen Vorzeichen Exponent Exponent der Mantisse der Mantisse 23 Bit Mantisse Mantisse Ein Luftdrucksensor einer Smartwatch soll die regelmäßig aufgenommenen Werte zwecks weiterer Berechnungen als Kommazahl im 32 Bit Gleitkomma-Zahlenformat speichern. Welche der folgenden Zahlen entspricht einem Dezimal-Zahlenwert von 860,125 hPa? A 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 B 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 C 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 D 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 7 20 15 Fragen zum Chipdesign Die meisten elektronischen Geräte in unserem Umfeld sind erst durch fortschreitende Technologien und die Miniaturisierung elektrischer Schaltungen ermöglicht worden. Oft basieren diese auf sogenannten Mikrochips (Integrierte Schaltungen), die u. a. in Steuerungen für die Energieversorgung integriert sind, Sensordaten erfassen und der komplexen Vernetzung und Auswertung aller Daten dienen können. Nicht zuletzt sind sie in jedem Smartphone zu finden. Und sie sind das Herzstück der tragbaren Elektronik, ob in Hörgeräten, pulsmessenden Armbanduhren, Datenbrillen oder intelligenter Kleidung. 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 logischen Operationen sind das logische UND, ODER und NICHT. In der Abbildung sind die Schaltsymbole der logischen Operatoren dargestellt. Diese Schaltsymbole sind allgemein gültig und international verständlich. & ≥1 Logisches UND Logisches ODER Logisches NICHT Die einzelnen logischen Operationen sind durch sog. Wahrheitstabellen definiert. Das logische UND 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 UND 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 bezeichnet. Ihr zeitliches Verhalten wird durch ein sog. Timing-Diagramm beschrieben. Neben den einzelnen möglichen Wertekombinationen 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 8 20 15 11Signalverlauf Gegeben ist die folgende Schaltung, bestehend aus normal als Q aus und einmal invertiert. Dazu sind unten einem Speicherelement, dem sogenannten D-Flipflop, verschiedene Signalverläufe angegeben, die die Ein- und mehreren Logikgattern. Das dargestellte Speicher und Ausgänge der gegebenen Schaltung darstellen element übernimmt bei einer steigenden Taktflanke sollen. Dabei sind die Verläufe von clk, rst, a und b immer gleich, nur die Ausgangssignale z und –z variieren. des Taktsignales clk den Eingang D und gibt ihn einmal a b rst & ≥1 & D CLR Q z Q z clk Welcher der folgenden Signalverläufe entspricht der Schaltung? A clk C B clk rst rst a a b b z z z z clk D clk rst rst a a b b z z z z 9 20 15 12 Endliche Zustandsautomaten Die Steuerung und Überwachung von bestimmten eines Systems und die Übergänge zwischen diesen Anwendungen wird mit Hilfe von endlichen Zustands Zuständen aufgrund äußerer Ereignisse dar. automaten realisiert. Ein endlicher Zustandsautomat be- Nachfolgend ist ein Beispiel für ein Zustandsüber steht aus einer endlichen Anzahl von Zuständen, sowie gangsdiagramm eines sogenannten Moore-Automaten Eingängen und Ausgängen. Hierbei werden zwei grund- abgebildet, der die Steuerung einer einfachen Zähler sätzliche Typen von Zustandsautomaten unterschieden, schaltung realisiert. Nach dem Start des Zählers läuft und zwar die Mealy-Automaten und die Moore-Auto dieser los und zählt bis zu einem bestimmten Zähler maten. Die Darstellung von Zustandsautomaten erfolgt wert. Ist der Zählerwert erreicht, zeigt er dies an und in sogenannten Zustandsübergangsdiagrammen. wartet solange, bis der Zähler wieder zurückgesetzt Ein Zustandsübergangsdiagramm stellt die Zustände wird. Zähler läuft 1 ignal= Starts Ruhezustand Startsignal=0 Zählerstand=0 Zähle r zurü ckset zen=1 Zählwert nicht erreicht Zählwert erreicht=1 Zähler stoppt Zählwert erreicht Welche Aussage über einen Moore-Automaten ist richtig? A Die Folgezustände sind unabhängig von den jeweiligen Eingängen. B Die Folgezustände sind unabhängig vom aktuellen Zustand. C Die Ausgabewerte sind abhängig von den jeweils anliegenden Eingängen. D Die Ausgabewerte sind nur abhängig von dem jeweiligen Zustand. 10 Zählwert erreicht=0 Zähler zurücksetzen=0 20 15 13Zähler 15Verzögerungszeit Für die Realisierung der endlichen Automaten werden Bei fast allen digitalen Schaltungen werden interne, Zähler benötigt, die bei jedem Taktimpuls (positive taktgesteuerte Speicherelemente verwendet. Die Flanke des Taktes) den Zählerstand erhöhen. Die Taktfrequenz so einer Schaltung soll dabei möglichst maximale Taktfrequenz bestimmt dabei die nahe an der physikalisch maximal erreichbaren Gren- Geschwindigkeit des Zählers. ze liegen, um eine möglichst schnelle Schaltung zu erreichen. Wie groß muss der maximale Zählerwert gewählt werden, wenn die maximal zu erfas Die Taktfrequenz wird jedoch von unterschied sende Zeit 15 Sekunden und die Taktfrequenz lichen Größen beschränkt. Welche der folgen- 5 MHz beträgt? den Größen begrenzt sie am STÄRKSTEN? A 300 000 A Bitbreite der verwendeten Speicherelemente B 75 000 000 B Verzögerungszeit der Logikgatter zwischen den C 750 000 D 15 000 Speicherelementen C Betriebstemperatur des Chips D Durchmesser der Pins des Chips 14Hardware-Beschreibungssprache Hardware-Beschreibungssprachen werden eingesetzt, um Logikgatter und ihre Verschaltung untereinander zu beschreiben. Der folgende Codeausschnitt ist in der Hardware-Beschreibungssprache VHDL geschrieben und stammt aus der Beschreibung eines großen Chips, erfüllt aber eine sehr wichtige Aufgabe. Welche Funktion wird in dem VHDL-Code mit den Eingängen a, b und c, sowie den Ausgängen d und e realisiert? process(a,b,c) begin d <= a xor b xor c; e <= (a and b) or (a and c) or (b and c); end process; ARegister BSubtrahierer CAddierer DMultiplexer 11 20 15 16 Analyse eines Timingdiagramms Heutige Chips können aus Milliarden einzelner Transis- Mit Hilfe von Timingdiagrammen lässt sich das toren bestehen. Die Transistoren übernehmen hierbei zeitliche Verhalten solcher logischen Funktionen die Funktion einfacher Schalter, die sich ein- oder analysieren. Sind die Eingangssignale x1 und x2 und ausschalten lassen. Durch eine geschickte Kombina- das daraus resultierende Ausgangssignal y bekannt, tion der Schalter ist es möglich, logische Funktionen so lässt sich die unbekannte logische Funktionen (z. B. logisches UND) zur Realisierung der Booleschen daraus benennen. Durch den systematischen Ver- Algebra, also der Kombination mehrerer logischer gleich der vorkommenden unterschiedlichen Ein- Operationen wie z. B. y = x1 UND x2 ODER x3, auf der gangsbelegungen in einer Wertetabelle kann die alle unserer Computersysteme basieren, aufzubauen. unbekannte logische Funktion gefunden werden. Wie heißt die gesuchte logische Funktion, die durch das folgende Timingdiagramm beschrieben wird? Eingang x1 t x1 x2 Unbekannte logische Schaltung y Eingang x2 t AOR Ausgang y BXOR t CNOR DNAND 17Logikanalyse Bevor ein Chip gefertigt wird, sollte die entworfene erkannt werden, d. h. eine logische „1“ oder eine Schaltung auf korrekte Funktion überprüft werden. logische „0“, und keine analogen zeitlichen Verläufe. Zur Verifikation einer Schaltung wird ein Logikanalysa- Wichtig bei der Analyse sind neben der Abtast tor eingesetzt. Das Messgerät zeichnet den Zeitverlauf frequenz, mit der die Ausgangssignale der Schaltung von digitalen Signalen auf, indem es zu bestimmten von dem Logikanalysator abgetastet werden, auch Zeitpunkten die Ausgangssignale der Schaltung auf- die Speichertiefe und damit die mögliche Aufzeich- nimmt. Dabei können nur einzelne Ausgangszustände nungsdauer. Welcher Zeitraum kann mit einem Logikanalysator aufgezeichnet werden, wenn man 40.000 Messpunkte speichern kann und ein einzelnes Signal mit einer Abtastfrequenz von 40 MHz abtasten möchte? 12 A 0,4 s B 4 ms C 1 ms D 16 ms 20 15 18 Realisierung von logischen Funktionen auf FPGAs Ein FPGA (Field Programmable Gate Array) ist eine re- Die Tabellen sind so aufgebaut, dass die Eingangs- konfigurierbare Schaltung, das heißt, die tatsächliche signale bzw. die invertierten Eingangssignale zusam- Funktion kann durch einen Anwender mit Hilfe einer men mit den im SRAM-Speicher abgelegten Tabel- Hardware-Beschreibungssprache festgelegt werden. lenwerten an sogenannten Passtransistoren anliegen, Wesentliche Elemente eines FPGAs sind Felder aus die funktional gesehen logischen UND-Gattern ent- Basisblöcken, die durch spezielle Verbindungsstruk- sprechen. Für jede Eingangsbelegung kann somit in turen miteinander verknüpft sind. Jeder dieser Basis- der Tabelle die entsprechende Speicherposition der blöcke besteht aus programmierbaren Tabellen (engl.: Tabelle ausgewählt und an den Ausgang y weiter LUT, lookup table), in die beliebige logische Funktionen gegeben werden. Da jede der vier möglichen Ein- abgelegt werden können. Durch das entsprechende gangskombinationen (jeweils logische Werte 1 und 0 Programmieren vieler einzelner Tabellen lassen sich so für Eingang x1 und x2) dabei nur einmal auftritt, ist die sehr komplexe Funktionen auf einem FPGA realisieren. Tabelle bezüglich der realisierten Funktion eindeutig. Welche logische Funktion wird in dem Basisblock mit den Eingängen x1 und x2 und dem Ausgang y realisiert? x1 x2 SRAM Speicher 1 1 y 1 0 AOR BNAND CNOR DXOR 13 20 15 19Datensicherheit Heutige mobile Geräte verfügen über eine Vielzahl lungsalgorithmen zum Einsatz. Diese benötigen zwar von drahtlosen Schnittstellen, beispielsweise WLAN, Rechenleistung an den Kommunikationsendpunkten, Bluetooth NFC oder ZigBee. Über diese Schnittstellen jedoch stellen sie je nach Qualität des Verfahrens si- können Daten mit anderen Geräten, sowie Sensoren cher, dass kein Unbefugter Zugriff auf die Daten erhält. und Aktoren ausgetauscht werden. Eine drahtlose Eine sehr einfache Möglichkeit, einen Datenstrom zu Datenübertragung birgt jedoch unter dem Gesichts- verschlüsseln, ist dabei eine XOR-Verknüpfung eines punkt der Datensicherheit ein gewisses Risiko, da seriellen Datenstroms mit dem Ausgang eines linear eine drahtlose Kommunikation mitgelesen werden rückgekoppelten Schieberegisters (eng. linear feed- kann, ohne dass Zugang zu einem geschützten Me- back shiftregister, LFSR). Das LFSR stellt dabei einen dium erlangt werden muss, wie es zum Beispiel bei Pseudozufallsgenerator dar, der – wie im Bild zu sehen Ethernet-Verbindungen der Fall ist. Daher kommen – aus einer Kette von Speicherelementen besteht, in bei drahtlosen Verbindungen verstärkt Verschlüsse- der Regel sind dies D-Flipflops, und XOR-Logikgatter. LFSR =1 D Q D Q D Q D Q '1' '1' '1' '1' clk t7 t0 0 0 1 1 1 1 1 0 =1 t7 t0 In einem Pulsgurt wird eine LFSR-basierte Verschlüsselungsstufe eingesetzt, um die Übertragung der Herzfrequenz zu verschlüsseln. Wie lautet die Ausgangsfolge der Verschlüsselungsstufe auf die Eingangsfolge „00111110“ des Sensors nach 8 Taktzyklen? Geht dabei davon aus, dass die Speicherzellen mit einer Einsfolge („1111“) initialisiert wurden sind (im Bild blau dargestellt). A„11100010“ B„10010001“ C„10011110“ D„01111000“ 20 Messungen an gefertigten Schaltungen Nach der Fertigung eines Chips wird dieser typischer- mit hoher Packungsdichte, das heißt unter anderem weise auf einer Leiterplatte mit anderen Komponenten, mit sehr nah beieinander liegenden elektrischen Anschlüssen oder Bedienelementen verschaltet. Diese Leitungen, kann es zu dem sog. Übersprechen Schaltung sollte dann noch einmal abschließend verifi- zwischen den Leitungen kommen. Ist dieser Effekt ziert werden, denn in Einzelfällen kann die Verdrahtung stark genug ausgeprägt, können auch Fehler in den selber zu Problemen führen, auch wenn die einzel- digitalen Signalen entstehen. Stellt man ein solches nen verbundenen Komponenten fehlerfrei arbeiten. Phänomen fest, versucht man die Ursache bzw. Gerade bei hochfrequenten Signalen in Schaltungen das übersprechende dynamische Signal zu finden. Welches der folgenden Messgeräte eignet sich zur Untersuchung von Signalübersprechen zwischen zwei Leiterbahnen? AMultimeter BSchieblehre COszilloskop DMikroskop 14 20 15 Antwortbogen bis zum 31. März 2015 online ausfüllen auf: www.invent-a-chip.de 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. Rückfragen ? Bitte E-Mail an [email protected] Fragen: Die richtigen Antworten lauten: 1Temperaturmessung ABCD 2Spannungsteiler ABCD 3 ABCD Energy Harvesting 42er-Komplement ABCD 5Schlafphasenwecker ABCD 6GPS-Tracker ABCD 7 Laufzeit von akkubetriebenen Systemen ABCD 8 Digitale Hörgeräte ABCD 9EKG ABCD 10 Codierung von Kommazahlen eines Luftdrucksensors ABCD 11Signalverlauf ABCD 12 Endliche Zustandsautomaten ABCD 13Zähler ABCD 14Hardware-Beschreibungssprache ABCD 15Verzögerungszeit ABCD 16 Analyse eines Timingdiagramms ABCD 17Logikanalyse ABCD 18 Realisierung von logischen Funktionen auf FPGAs ABCD 19Datensicherheit ABCD 20 Messungen an gefertigten Schaltungen ABCD 20 15 Die Partner von INVENT a CHIP 2015 Wissenschaftliche Betreuung: Autoren des Fragebogens und wissenschaftliche Berater: Prof. Dr.-Ing. Holger Blume und das Team der wissenschaftlichen Mitarbeiter des Instituts Der VDE ist Partner der BMBF-Initiative: 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