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An international study summarizes the threat situation in the OT environment under the heading "Growing security threats" [1]. According to this study, attacks on automation systems are likely to increase in the future. Accordingly, an automation system must be able to protect the integrity of the transmitted information in the future. This requirement is motivated, among other things, by the fact that the network-side isolation of industrial communication systems is no longer considered sufficient as the sole protective measure. This paper uses the example of PROFINET to show how the future requirements for a real-time communication protocol can be met and how they can be derived from the IEC 62443 standard.
Als Fortsetzung des FHOP-Projektes wurde an der Fachhochschule Offenburg auf Basis des bestehenden Mikroprozessorkerns im Rahmen einer Diplomarbeit ein Mikrocontroller in ES2-0.7 μm-Technologie entworfen. Der Controller wurde modular aufgebaut mit den Komponenten: FHOP-Mikroprozessor, Buscontroller, Waitstate-Chipselect-Einheit, 16x16 Bit Multiplizierer, 2KB ROM, 256 Byte RAM, Watchdog, PIO mit 16 konfigurierbaren Ports, SIO, 2 Timer und ein Interruptcontroller für 8 Interrputquellen.
Der Chip benötigt bei einer Komplexität von ca. 65400 Transistoren eine Siliziumfläche von etwa 27 mm². Er wurde im September 1996 zur Fertigung gegeben und mittlerweile erfolgreich getestet. Das interne ROM des Mikrocontrollers enthält das BIOS sowie ein Testprogramm. Zur Erstellung der Software steht eine komplette Entwicklungsumgebung zur Verfügung. Sämtliche Komponenten stehen im FHOP-Design-Kit in Kürze zur Verfügung.
Nach dem Nachweis der Funktionalität des an der Fachhochschule Offenburg entwickelten Mikroprozessorkernels FHOP (First Homemade Operational Processor), wird eine Anwendung des Kernels in einem Applikationschip beschrieben.
Der Thermologger-ASIC soll mit Hilfe eines Temperatursensors die Umgebungstemperatur bei technischen Prozessen in regelmäßigen Zeitabständen erfassen und abspeichern. Die Meßwerte werden bei Bedarf ber eine serielle Schnittstelle des Thermologger-ASICs an einen PC übertragen und ausgewertet. Zur Verringerung der Leistungsaufnahme wird zwischen zwei Temperaturmessungen in einen Power-Down-Mode geschaltet.
Der ASIC soll später in einer Chipkarte integriert werden.
Im Frühjahr 1995 entstand die Idee, einen Lottozahlengenerator als Demonstrations- und Studienobjekt, für die Anwendung komplexer digitaler Entwurfsmethoden, zu entwerfen. Mit Hilfe der Schaltung ist es möglich, 6 verschiedene Zahlen zufällig aus 49 Zahlen zu ermitteln. Bei der Ziehung der einzelnen Zahlen werden verschiedene Töne und Melodien erzeugt. Die Schaltung ist so konzipiert, daß eine einfache Bedienung möglich ist. Der Chip wurde als Standardzellen-Entwurf mit einer Fläche von ca. 7 um² geroutet.
An der Fachhochschule Offenburg wurde im Sept. 93 das Projekt eines implantierbaren 16 Bit Mikroprozessor-Kernels FHOP ins Leben gerufen. Ausgehend von dem in einem Testchip erfolgreich erprobten umstrukturierten Entwurf wurde durch gezielten Einsatz von strukturiertem Routen unter Nutzung der Fähigkeiten zum hierarchischen Arbeiten in der MENTOR-IC-Station eine erheblich verkleinerte und flächenmäßig optimierte Struktur abgeleitet, die sich mit 4 Quadratmilimetern Fläche durchaus mit kommerziellen Mikroprozessor-Kerneln vergleichen läßt.
FHOP-Mikroprozessor-Kernel
(1995)
Für die Implementation in ASIC's wurde ein kompakter Mikroprozessor-Kernel als Standardzellen-Makro entworfen. Durch konsequenten Einsatz von Hochsprachen und CAE-Werkzeugen (VHDL, Synthese) konnte ein vollständiges Design in nur vier Monaten durchgeführt werden. Der Prozessor wird in einem Testchip erprobt.
Erstellen von Hardmakros und Aufbau einer Zellbibliothek unter Verwendung des ES2-Library-Kits
(1993)
Es wird eine Anleitung zur Erstellung von Hardmakros mit der Mentor-Graphics-Software gegeben. Die Hardmakros werden mit Standardzellen aus der ES2-Bibliothek der Firma EUROCHIP aufgebaut. Die Hardmakros werden in eine eigenständige Bibliothek abgelegt und können in neuen Chip-Designs verwendet werden.
Mit zunehmend komplexer werdenden Schaltungen wachsen auch die Anforderungen an die Entwicklung einer entsprechenden Leiterplatte. Mit der BOARD-Station von MENTOR-Graphics können professionelle Leiterplatten entwickelt werden.
Im Rahmen dreier Entwicklungsprojekte an der Fachhochschule Offenburg wurden mehrere aufwendige Layoutentwürfe mit der BOARD-Station in verschiedenen Diplomarbeiten durchgeführt. Im Folgenden wird über die dabei gewonnenen Erfahrungen berichtet.
Digitaler Phasenreglerkreis mit numerisch gesteuertem Oszillator als LCA-Microcontroller Kombination
(1992)
Am Beispiel einer Schrittmotor-Indexerschaltung wird der effektive Einsatz von konfigurierbaren Logic Cell Arrays in Zusammenwirkung mit einem Mikrokontroller demonstriert, wobei die hohe Arbeitsgeschwindigkeit des LCAs den Bereich der Schaltung übernimmt und im Regelkreis die arithmetrische Berechnung durchführt. Die Konfiguration des LCA aus dem EPROM des Controllers führt zu einer ungewöhnlichen Flexibilität des Entwurfs und ermöglicht zahlreiche andere Anwendungen mit dieser Architektur.
Die Fachhochschule Offenburg bietet den Studenten des Fachbereichs Nachrichtentechnik seit Ende 1990 das Wahlfach "Entwicklung integrierter Anwenderschaltkreise (ASIC)" an. Ziel des Wahlfachs ist es, den Studenten Grundkenntnisse im Entwurf eines ASIC's zu vermitteln, und wie im folgenden Beitrag aufgezeigt, die Möglichkeit zu bieten, den gesamten Entwurfszyklus von der Schaltungsentwicklung bis hin zur Fertigungsmaske zu durchlaufen.
Die Fachhochschule Offenburg bietet seit dem Wintersemester 1990/91 den Studenten des Fachbereichs Nachrichtentechnik das Wahlpflichtfach ASIC-Design an. Schon kurz nach der Errichtung des ASIC-Design-Centers im Frühjahr 1990 ermöglicht sie damit künftigen Ingenieuren eine Ausbildung in einem Bereich, der in der modernen Schaltungsentwicklung nicht mehr wegzudenken ist.
Im Rahmen eines GPS-Projektes ist an der Fachhochschule Offenburg ein Konzept für einen experimentellen Navigationsempfänger entstanden. Hierfür wurde der digitale Teil entwickelt und aufgebaut. Für die Realisierung der Schaltung sollten benutzerprogrammierbare Gate Arrays von Xilinx (LCAs) verwendet werden, die sich schon bei einer anderen Arbeit an der Fachhochschule bewährt hatten.
Nachfolgend möchte ich dem Leser einen Überblick über das GPS-System und die Entwicklung der LCAs geben.
An der FH Offenburg arbeiten seit Ende 1989 in einem Team die Professoren Dr. Jansen, Dr. Schüssele, die wissenschaftlichen Mitarbeiter Bernd Reinke, Martin Jörger und die Diplomanden Hans Fiesel, Otmar Feißt an dem Entwurf eines Nachrichtenempfängers. Im Rahmen dieses Projekts, genannt GPS-Projekt (GPS = Global Positioning System), wurde im Herbst 1990 ein experimenteller Empfänger in Betrieb genommen. Nachdem die Testergebnisse gezeigt hatten,daß das Konzept der Anlage stimmte, ging es nun um die Miniaturisieriung, Integration und Optimierung der Schaltung. Außerdem sollte der bisher verwendete PC durch einen auf der Platine befindlichen Mikroprozessor ersetzt werden. Im Zusammenhang mit dem GPS-Projekt wurden bisher im Offenburger ASIC-Labor eine Analogschaltung auf einem B500, drei LCA Designs und diverse GAL's entwickelt.
Zur Zeit arbeiten mehrere Diplomanden an der zweiten Generation des Empfängers. Meine Aufgabe besteht darin, die dort noch in drei LCA's untergebrachte digitale Logik sowie einen Teil des bisherigen PC-Interface in einem IMS Gate Forrest zu integrieren. Außerdem muß die Logik von 8 Bit auf einen 16 Bit breiten Datenbus umgestellt und an die neue Peripherie des Mikroprozessors angepasst werden. Damit soll die jetzige Digital-Platine noch weiter verkleinert werden. Wesentlich ist dabei die Umsetzung der zahlreichen Zähler- und Registerstrukturen in einem Gate Forrest. Als Arbeitsmittel stehen Apollo Workstations mit Mentor Software zur Verfügung.
Die Elektronikindustrie bietet für die Realisierung digitaler Logik eine Vielzahl integrierter Bausteine an, die ein Höchstmaß an Zuverlässigkeit als auch Integrationsdichte ermöglichen.
Je nach Integrationsdichte unterscheidet man hierbei zwischen Standardlogik (TTL,CMOS,DTL...), programmierbarer Logik (PLA, GAL...), Gate Arrays und ASIC-Bausteinen. Mit steigender Integrationsdichte werden Systemeigenschaften verbessert, wie Leistungsverbrauch, Platzbedarf, und Zuverlässigkeit.
Jedoch steht ihr auch ein stark erhöhter Kosten- und Entwicklungsaufwand gegenüber, der den Einsatz hochintegrierter Bausteine in Einzelfertigung bzw. Kleinserien verhindert.
Xilinx bietet nun mit seiner LCA-Produktreihe (logic cell array) eine Alternative zu bestehender hochintegrierbarer Logik an, mit der es möglich sein soll, Vorteile der genannten Einzelproduktgruppen zu übernehmen, und deren Nachteile zu beseitigen.
Im Rahmen einer Diplomarbeit wurde ein solcher LCA-Baustein (XC3020) eingesetzt. Anhand der gegebenen konkreten Anwendung konnte hierbei untersuch twerden, wie schnell sich ein solcher Baustein in bestehende Hardware eingliedern läßt, und welche Integrationsdichte er ermöglicht.
Im Folgenden sollen nun als Schwerpunkte das Einsatzgebiet, die Entwicklung und die Simulation des LCA bei vorliegender Aufgabenstellung aufgezeigt werden.
Seit einiger Zeit wird an der Fachhochschule in Offenburg ein Entwicklungsprojekt verfolgt, an dessen Ende ein GPS Empfänger stehen soll. Dabei handelt es sich um einen Satellitenempfänger, mit dem weltweit eine genaue dreidimensionale Standortbestimmung durchgeführt werden kann. Für diesen Empfänger sollte ein Großteil der Analogschaltung, bestehend aus ZF Verstärker, Costas Loop Synchrondemodulator und Pegeldetektor, in das Transistorarray B500a von AEG intgriert werden. Das Chipdesign wurde im Labor für ASIC Design an der FH Offenburg während des Wintersemesters 1990/91 erstellt. Gefertigt wurde der Chip von der Firma AEG in Ulm, wobei die Fertigungszeit des ASIC 6 Wochen betragen hat.