1. Regularien

1. Teilnehmer an der Klausur müssen sich durch Lichtbildausweis identifizieren.
2. Es dürfen nur leere Blätter, Schreibgeräte und Taschenrechner benutzt werden. Alle Blätter müssen mit Name und Matr.Nummer gekennzeichnet sein. Blätter ohne Kennzeichen werden nicht berücksichtigt.
3. Die Klausurzeit beträgt 90 Min. Man darf seinen Platz erst verlassen, wenn der Prüfungsleiter die Klausurarbeit in Empfang genommen hat.
4. Es gilt folgende Punktetabelle:
   1. >69
   2. 55-69
   3. 40-54
   4. 25-39
   5. <25
5. Das aktive Abschreiben wie auch das Zulassen von Abschreiben wird als Täuschungsversuch bewertet.

2. Aufgaben

1. Realzeitsysteme und Zeit
   PKT. MAXIMAL: 16
   PKT. ERREICHT: ______
   
   Ein System S mit Input IN und Output OUT sowie Systemfunktion F_S hat grundsätzlich eine Antwortzeit RESPONSE > 0. Dies impliziert allerlei Begriffe:
   1. Teilaufgabe - MAX.PKT: 1
      Man spricht bei der Systemantwortzeit vom Jitter; was ist damit gemeint?
   2. Teilaufgabe - MAX.PKT: 1
      Um Zeit messen zu können, benötigt man eine SI-Einheit; wie wird die SI-Einheit für Zeit benannt und wie wird sie definiert?
   3. Teilaufgabe - MAX.PKT: 3
      Zeitangaben benutzen nicht nur eine SI-Einheit, sondern nehmen auch Bezug auf Zeitskalen. Benennen Sie die drei wichtigsten Zeitskalen und beschreiben Sie, wie diese Skalen untereinander zusammenhängen.
   4. Teilaufgabe - MAX.PKT: 3
      Zu Charakterisierung des Verhaltens von Realzeitsystemen werden u.a. die Begriffe 'MTTF', 'MTTR' sowie 'MTBF' benutzt. Wie sind diese Begriffe definiert und was ist damit gemeint?
   5. Teilaufgabe - MAX.PKT: 8
      Es gibt unterschiedliche Charakterisierung von Realzeitsystemen. Die folgende Liste gibt einige oft vorkommenden Beschreibungen. Geben Sie zu jedem Begriffspaar eine kurze Beschreibung der wichtigsten Eigenschaften.
      • Fail-safe/Fail-operational
      • Resource-Adequate/ Resource Inadequate
      • Event-triggered/ Time-triggered
      • Hard Real-Time/ Soft Real-Time
   
   
2. Realzeit-Kommunikation und CAN-Modul
   PKT. MAXIMAL: 8
   PKT. ERREICHT: ______
   
   Im Rahmen der Realzeitkommunikation wurden grob die Komponenten 'System', 'Kommunikations-Schnittstelle' und 'Kommunikations-Kanal' unterschieden. Ferner mit Bezug auf das OSI-Modell die Vermittlungsschicht 2 ('data-link layer') und die Physikalische Schicht 1 ('physical layer').
   1. Teilaufgabe - MAX.PKT: 2
      Welche Aufgaben erfüllt die Vermittlungsschicht 2 und die Physikalische Schicht 1 im Rahmen der Kommunikation?
   2. Teilaufgabe - MAX.PKT: 3
      Was ist der typische Aufbau eines CAN-Moduls und auf welche Weise ist auf einem CAN-Modul die Vermittlungsschicht 2 und die Physikalische Schicht 1 implementiert?
   3. Teilaufgabe - MAX.PKT: 3
      In welchem Sinn kann man sagen, dass ein CAN-Modul ein System und eine Kommunikationsschnittstelle implementiert?
   
   
3. CAN 2.0A-Protokoll
   PKT. MAXIMAL: 21
   PKT. ERREICHT: ______
   
   Im Rahmen des CAN 2.0A-Protokolls werden Frames für die Repräsentation der Mitteilungen zwischen den Teilnehmern benutzt.
   
   1. Teilaufgabe - MAX.PKT: 3
      Nennen Sie die Namen der Typen von Frames, die im CAN 2.0A-Protokoll benutzt werden und beschreiben Sie in einem Satz die Funktion jedes Frames.
      
   2. Teilaufgabe - MAX.PKT: 4
      Einer der Frames des CAN 2.0A-Protokolls ist der Data-Frame. Ein Data-Frame besteht aus den Feldern < SOF, ARBITR, CONTR, DATA, CRC, ACK, EOF >. Beschreiben Sie kurz die Funktion der einzelnen Felder.

   3. Teilaufgabe - MAX.PKT: 5
      Es soll gelten M = <SOF, ARBITR, CONTR, DATA>, d.h. M sei eine Abkürzung für die Bitfolge des Data-Frames vom ersten Bit des Feldes SOF bis zum letzten Bit des Feldes DATA. Ferner sei P die Prüfzahl, die für den CRC-Algorithmus benutzt wird. Beschreiben Sie den CRC-Algorithmus, mittels dessen Hilfe die Prüfsumme für das Feld CRC berechnet wird. Führen Sie eine Modellrechnung für die Modellwerte M=11010010 und P=1001 mittels binärer Rechenoperationen durch.
      
   4. Teilaufgabe - MAX.PKT: 3
      Angenommen Sie haben ein Netzwerk mit 3 Teilnehmern A,B und C an einem CAN-Bus entsprechend CAN 2.0A-Protokoll. Jeder Teilnehmer ('node') will ein DATA-Frame über den Bus schicken. Die Felder SOH+IDENTIFIER der drei Frames haben folgende Werte:
      A: 0 - 11 00 11 00 00 0
      B: 0 - 11 00 10 01 11 0
      C: 0 - 11 00 10 01 11 1
      Welcher der drei Teilnehmer wird den Bus als 'Master' bekommen, um seine Daten schicken zu können? Nach welchem Mechanismus findet der CAN-Bus heraus, welcher der drei Teilnehmer der Master sein soll?
      
   5. Teilaufgabe - MAX.PKT: 6
      Neben der CRC-Prüfmethode gibt es im CAN 2.0A-Protokoll vier weitere Methoden, um das Auftreten von Fehlern zu erfassen. Benennen Sie diese Methoden und geben Sie eine kurze Beschreibung ihrer Wirkungsweise.
   
   
4. Andere Realzeit-Protokolle
   PKT. MAXIMAL: 3
   PKT. ERREICHT: ______
   
   Neben dem CAN 2.0A-Protokoll werden in der Industrie noch weitere Protokolle benutzt. Benennen Sie diese Protokolle und geben sie eine kurze Beschreibung des hauptsächlichen Einsatzgebietes.
   
   
5. MODELLIERUNG EINES FORSCHUNGSUBOOTES
   PKT. MAXIMAL: 38
   PKT. ERREICHT: ______
   Im folgenden wird die vereinfachte Variante eines Forschungs-Ubootes (Deckname 'Nautilus') beschrieben (2 Mann Besatzung; Einsatz-Tauchtiefe 500 m). Ihre Aufgabe ist es, einen ersten Prototypen zu entwickeln. Dazu sollen sie als erstes mit Hilfe der Systemtheorie ein Modell erarbeiten und programmrelevante Teile mit Hilfe von Struktogrammen formulieren.
   
   

   

   Forschungsuboot Nautilus

   
   Wie Sie aus dem Bild entnehmen können, besteht das Forschungs-Uboot aus folgenden Komponenten:
   • Dem Schiffskörper; Länge 5m
   • Einer Anzeige für den Steuermann
   • Einer Steuerung für den Steuermann
   • Einer Zweiwege-Pumpe zum Füllen oder Entleeren ('Lenzen') des Ballasttanks
   • Ein Ballast-Tank zum Auf- bzw. Abtauchen
   • Ein Motor zum Antrieb der Schraube
   • Ein Seitenruder
   Die Funktionen dieser Elemente sind wie folgt beschrieben:
   • Anzeige: angezeigt wird
     
     1. die aktuelle Richtung {0^o, 45^o, 90^o, 135^o, 180^o, 225^o,270^o,315^o}
     2. die aktuelle Tiefe in m
     3. die aktuelle Fahrt in m/s: {0, +/- 10} mit '+' := vorwärts und '-' := rückwärts
   • Steuerung: mögliche Steuerbefehle sind:
     
     1. Richtungsänderung in Fahrtrichtung: {0^o, L45^o, R45^o} /* Haben nur eine wirkung, wenn sich das UBoot in Fahrt befindet */
     2. Fahrtbefehle: in m/s: {0, +/- 10} mit '+' := vorwärts und '-' := rückwärts
     3. Tauchen: {0, auf, ab} /* Auf- bzw. Abtauchen erfolgt mit 9 m/s */
     Steuerungsbefehle bleiben solange gültig, bis ein anderer Wert gesetzt wird.
   Eine mögliche Anzeige der aktuellen UBoot-Lage zeigt das folgende Bild:
   
   

   

   UBoot mit aktueller Richtung 45^o; mögliche Richtungsänderung in Fahrtrichtung links L45^o oder rechts R45^o

   
   Das UBoot hat aktuell die Richtung 45^o. Es wird angezeigt in einer Zelle von 10m x 10m. Wenn die Geschwindigkeit 0m/s beträgt, dann verändert das UBoot seine Position nicht. Bei 10m/s würde es in 1s genau von einer Zelle zur nächsten Zelle gelangen. Eine Richtungsänderung von in Fahrtrichtung links L45^o würde das Uboot um 1 Zelle nach links verschieben; entsprechend bei R45^o um eine Zelle nach rechts. Bei Rückwärtsfahrt wird ein analoges Verhalten angenommen.
   

   Findet kein Auf- oder Abtauchvorgang statt, dann bewegt sich das UBoot in unveränderter Höhe. Wird aber ein Tauchbefehl gegeben ('auf', 'ab'), dann bewegt sich das UBoot gleichzeitig zur Vorwärts- oder Rückwärtsbewegung pro sec jeweils um 9m nach 'oben' oder nach 'unten'.
   

   1. Teilaufgabe - MAX.PKT: 6
      Zeichnen Sie ein Interaktionsdiagramm, aus dem hervorgeht, welches System welche Botschaft an welches andere System schickt.
      
   2. Teilaufgabe- MAX.PKT: 12
      Nehmen Sie das System 'Anzeige' und analysieren Sie die Systemfunktion der Anzeige im einzelnen (welcher Input, welcher Output, wie sieht die Funktion aus, die aus dem Input den Output berechnet). Beschreiben Sie diese Funktion in Form eines Struktogramms.
      
   3. Teilaufgabe - MAX.PKT: 20
      Führen Sie in Ihr Modell ein 3-dim Koordinatensystem ein, wie es im nachfolgenden Bild dargestellt wird. Bauen Sie ihr Anzeigemodul so um, dass Sie die aktuelle Position des UBoots mit Hilfe einer 3-dim-Koordinate angeben. Die Koordinate beschreibt den 'Mittelpunkt' des Ubootes.
      
      

      

      Modell mit 3-dim Koordinatensystem

      
      Angenommen das Uboot befindet sich zum Zeitpunkt t auf der Position x= 15, y=25, z=-18, also pos(Uboot) = <15,25,-18>. Wie lautet der Positionswert nach folgenden Steuerbefehlen:
      
      1. Fahrt vorwärts mit 10m/s, aktueller Richtung 0^o, keiner Richtungsänderung und kein Tauchvorgang: gefragt Position bei t+1 und t+2
      2. Fahrt vorwärts mit 10m/s, aktueller Richtung 0^o, Richtungsänderung L45^o und kein Tauchvorgang: gefragt Position bei t+1 und t+2
      3. Fahrt vorwärts mit 10m/s, aktueller Richtung 0^o, keiner Richtungsänderung und Abtauchvorgang mit 9m/s: gefragt Position bei t+1 und t+2
      4. Fahrt vorwärts mit 10m/s, aktueller Richtung 0^o, Richtungsänderung L45^o und ein Auftauchvorgang mit 9m/s: gefragt Position bei t+1 und t+2
      5. Fahrt rückwärts mit 10m/s, aktueller Richtung 0^o, Richtungsänderung R45^o und ein Abtauchvorgang mit 9m/s: gefragt Position bei t+1 und t+2