OSEK / OSEKtime Ausgewählte Kapitel eingebetteter Systeme

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1 OSEK / OSEKtime Ausgewählte Kapitel eingebetteter Systeme Wilhelm Haas Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Institut für Informatik Lehrstuhl Juli / 34

2 Überblick 1 Einführung OSEK-Gremium OSEK-Standards 2 OSEK-OS 3 OSEKtime-OS 4 Zusammenfassung 2 / 34

3 OSEK-Gremium OSEK-Gremium OSEK ˆ= Offene Systeme und deren Schnittstellen für die Elektronik im Kraftfahrzeug 1993 gegründet industrielles Standardisierungsgremium Gründungsmitglieder: BMW AG Siemens AG Daimler-Benz AG Zusammenschluss mit VDX 1 -Initiative zu OSEK/VDX 1 Vehicle Distributed Executive 3 / 34

4 OSEK-Standards OSEK-Standards Geschaffene Standards: OSEK-OS: Event Triggered Realtime Operating System OSEKtime-OS: Time Driven Realtime Operating System OSEK-OIL: OSEK Implementation Language OSEK-ORTI: OSEK RunTime Interface OSEK-COM: COMmunication OSEK-NM: OSEK Network Management 4 / 34

5 Überblick 1 Einführung 2 OSEK-OS Architektur Task-Management Interrupt-Behandlung Ereignismechanismus Betriebsmittelverwaltung Fehlerbehandlung 3 OSEKtime-OS 4 Zusammenfassung 5 / 34

6 Architektur Architektur OSEK-OS: statisches, ereignisgesteuertes Betriebssystem Betriebsmittel und Tasks müssen noch während der Entwicklung konfiguriert werden 4 Konformitätsklassen legen fest: welche Task-Typen verwendet werden Anzahl der Aktivierungen eines Tasks Anzahl Tasks pro Prioritätsebene 6 / 34

7 Architektur Priorität Interrupt-Ebene Kategorie 2 Kategorie 1 Logische Ebene für Scheduling-Aktivitäten Task-Ebene Einfache-Tasks Komplexe-Tasks 3 Prozesse: Prozess für die Interrupt-Behandlung (höchste Priorität) Prozess für den Scheduler Prozess für die Abarbeitung der Tasks (niedrigste Priorität) 7 / 34

8 Task-Management Task-Management OSEK unterscheidet zwischen zwei Task-Typen: Komplexe Tasks erwarten die Zuteilung von Betriebsmitteln dürfen auf Ereignise warten können blockieren mehrere Synchronisationspunkte Einfache Tasks laufen durch ohne zu blockieren zwei Synchronisationspunkte 8 / 34

9 Task-Management Komplexe Tasks Komplexe-Tasks Einfache-Task warte laufend laufend terminiere wartend starte verdränge suspendiert starte verdränge signalisieren aktiviere bereit bereit 9 / 34

10 Task-Management Einfache Tasks Einfache-Tasks laufend terminiere terminiere suspendiert starte verdränge suspendiert aktiviere aktiviere bereit 10 / 34

11 Task-Management Scheduling: Task werden nach ihren Prioritäten eingeplant Scheduling-Arten: verdrängendes Scheduling nichtverdrängendes Scheduling Mischbetrieb (Mischung aus verdrängendem und nichtverdrängendem Scheduling) 11 / 34

12 Interrupt-Behandlung Interrupt-Behandlung Es existieren zwei Interrupt-Behandlungs (ISR) Kategorien : ISR der Kategorie 1 verwendet keine Systemfunktionen hat keinen Einfluss auf den unterbrochenen Task ISR der Kategorie 2 sind für die Behandlungsroutinen des Benutzers vorgesehen eingeschränkte nutzung von Systemfunktionen 12 / 34

13 Interrupt-Behandlung Hardware kümmert sich um die Prioritätenvergabe Hardware ist auch für die Einplanung zuständig Aktivierung und Deaktivierung der Interrupts möglich Fehler führen zu einem undefinierten Verhalten 13 / 34

14 Ereignismechanismus Ereignismechanismus Ereignise sind Objekte dürfen nur von den komplexen Tasks verwendet werden sind Träger von binären Informationen nur vom Besitzer zurücksetzbar BÖSE (erschwerte Antwortzeitanalyse) 14 / 34

15 Betriebsmittelverwaltung Betriebsmittelverwaltung Koordinierung des Zugriffs konkurierender Tasks verschiedener Prioritäten auf gemeinsame Betriebsmittel auch auf ISR erweiterbar stellt sicher, dass keine zwei Tasks zur selben Zeit die selbe Ressource besitzen 15 / 34

16 Betriebsmittelverwaltung Wann ist dieser Mechanismus nützlich? bei verdrängbaren Tasks bei gemeinsamer Betriebsmittelnutzung zwischen Tasks und ISRs bei gemeinsamer Betriebsmittelnutzung zwischen ISRs 16 / 34

17 Betriebsmittelverwaltung Probleme: blockierende Synchronisation Deadlock (unkontrollierte) Prioritätsumkehr 17 / 34

18 Betriebsmittelverwaltung Beispiel für einen Deadlock PRIORITÄT TASK 2 TASK 1 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t Ressource 1 (R1) Ressource 2 (R2) Zeit (t) TASK 1 TASK 2 1 wird aktiviert und gestartet 2 belegt Ressource 1 (R1) 3 wird verdrängt wird aktiviert und gestartet 4 belegt Ressource 2 (R2) 5 wird gestartet möchte R1, wird blockiert 6 möchte R2, wird blockiert 18 / 34

19 Betriebsmittelverwaltung Beispiel für eine (unkontrollierte) Prioritäsumkehr PRIORITÄT TASK 3 TASK 2 TASK 1 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 Ressource t Zeit (t) TASK 1 TASK 2 TASK 3 1 wird aktiviert und gestartet 2 belegt Ressource 1 (R1) 3 wird verdrängt wird aktiviert und gestartet 4 wird gestartet möchte R1, wird blockiert 5 wird aktiviert und gestartet 6 wird gestartet terminiert 7 gibt R1 frei, wird verdrängt wird gestartet und belegt R1 8 gibt R1 frei 9 wird gestartet terminiert 10 terminiert 19 / 34

20 Betriebsmittelverwaltung Lösung: OSEK Priority-Ceiling-Protokoll Vier Regeln sind einzuhalten: 1 Prioritätsobergrenze (r) = max (T.Priorität : T.belegt (r)) T Tasks, r Betriebsmittel 2 Ein Task darf ein Betriebsmittel nur belegen wenn seine Priorität der Prioritätsobergrenze des Betriebsmittels ist. 3 Die Priorität des Tasks wird auf die Prioritätsobergrenze angehoben. 4 Freigabe der Betriebsmittel in der LIFO-Reihenfolge. Dabei wird die Priorität des Tasks herabgesetzt. 20 / 34

21 Betriebsmittelverwaltung Lösung: OSEK Priority-Ceiling-Protokoll Vier Regeln sind einzuhalten: 1 Prioritätsobergrenze (r) = max (T.Priorität : T.belegt (r)) T Tasks, r Betriebsmittel 2 Ein Task darf ein Betriebsmittel nur belegen wenn seine Priorität der Prioritätsobergrenze des Betriebsmittels ist. 3 Die Priorität des Tasks wird auf die Prioritätsobergrenze angehoben. 4 Freigabe der Betriebsmittel in der LIFO-Reihenfolge. Dabei wird die Priorität des Tasks herabgesetzt. 20 / 34

22 Betriebsmittelverwaltung Lösung: OSEK Priority-Ceiling-Protokoll Vier Regeln sind einzuhalten: 1 Prioritätsobergrenze (r) = max (T.Priorität : T.belegt (r)) T Tasks, r Betriebsmittel 2 Ein Task darf ein Betriebsmittel nur belegen wenn seine Priorität der Prioritätsobergrenze des Betriebsmittels ist. 3 Die Priorität des Tasks wird auf die Prioritätsobergrenze angehoben. 4 Freigabe der Betriebsmittel in der LIFO-Reihenfolge. Dabei wird die Priorität des Tasks herabgesetzt. 20 / 34

23 Betriebsmittelverwaltung Lösung: OSEK Priority-Ceiling-Protokoll Vier Regeln sind einzuhalten: 1 Prioritätsobergrenze (r) = max (T.Priorität : T.belegt (r)) T Tasks, r Betriebsmittel 2 Ein Task darf ein Betriebsmittel nur belegen wenn seine Priorität der Prioritätsobergrenze des Betriebsmittels ist. 3 Die Priorität des Tasks wird auf die Prioritätsobergrenze angehoben. 4 Freigabe der Betriebsmittel in der LIFO-Reihenfolge. Dabei wird die Priorität des Tasks herabgesetzt. 20 / 34

24 Betriebsmittelverwaltung Beispiel für Priority-Ceiling-Protokoll TASKS PRIORITÄT VON TASK 1 TASK 3 3 TASK 2 2 TASK 1 1 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11 t12 t t1 t2 t6 t8 t10 t12 t Ressource 1 (R1) Ressource 2 (R2) Zeit (t) TASK 1 TASK 2 TASK 3 1 wird aktiviert und gestartet 2 belegt R1, hat Priorität 2 3 wird verdrängt wird aktiviert und gestartet 4 wird aktiviert 5 startet wird terminiert t2 t3 t4 t5 t6 6 belegt R2, bekommt Priorität 3 7 wird aktiviert 8 gibt R2 frei, hat Priorität 2 startet 9 startet terminiert 10 gibt R1 frei, hat Priorität 1 wird gestartet 11 terminiert 12 terminiert 21 / 34

25 Fehlerbehandlung Fehlerbehandlung verschiedene Hook-Routinen stehen zur Verfügung werden in abhängigkeit vom Systemzustand ausgelöst Hook-Routinen haben höhere Prioritäten als alle Tasks des Systems werden nicht von ISR der Kategorie 2 unterbrochen eingeschränkte Systemfunktionnutzung 22 / 34

26 Fehlerbehandlung Einsatzarten: beim Systemstart (StartupHook) vor dem Herunterfahren des Systems (ShutdownHook) zum Debuggen und für Zeitmessungen (PreTaskHook, PostTaskHook) im Fehlerfall (ErrorHook) 23 / 34

27 Überblick 1 Einführung 2 OSEK-OS 3 OSEKtime-OS Architektur Task-Management Interrupt-Behandlung Uhrensynchronisation 4 Zusammenfassung 24 / 34

28 Architektur Architektur statisches, zeitgesteuertes Echtzeitsystem alle Parameter bekannt Aktivierungspunkte Deadlines Ausführungszeiten Abarbeitung einer vorher berechneten Ablauftabelle 25 / 34

29 Architektur Priorität Nichtmaskierbare Interrupts OSEKtime Dispatcher Maskierbare Interrupts Time-Triggered Tasks OSEK Interruptbehandlung Idle Task OSEK Scheduler OSEK Tasks 26 / 34

30 Task-Management Task-Management sequenzielle Ausführung nach einem statischen Ablaufplan laufen durch ohne zu blockieren verdrängbares Scheduling Terminierung nur durch sich selbst 27 / 34

31 Task-Management laufend terminiere aktiviere wieder aufnehmen verdränge suspendiert verdrängt 28 / 34

32 Task-Management Deadlines Strenge-Task-Deadline-Beobachtung Beobachter wird direkt zum Zeitpunkt der Deadline aktiviert. Keine-Strenge-Task-Deadline-Beobachtung Beobachter wird an einer beliebigen Stelle, nach der Deadline aber vor dem Rundenende, positioniert. 29 / 34

33 Interrupt-Behandlung Interrupt-Behandlung jeder Interrupt hat sein Intervall, in dem dieser nur maximal einmal behandelt wird Reaktivierungszeitpunkte werden in der Ablauftabelle definiert nichtmaskierbare Interrupts können zu unvorhersagbaren Verzögerungen führen keine Möglichkeit Interrupts manuell zu deaktivieren 30 / 34

34 Interrupt-Behandlung Interrupt 2 Interrupt 1 IE1,1 tn tn+1 IE2,1 tn+2 tn+3 IE1,2 tn+4 tn+5 IE2,2 IE1,3 t 31 / 34

35 Uhrensynchronisation Uhrensynchronisation jede ECU besitzt eine lokale Zeit bei Existenz einer globalen Zeit, muss die Lokale mit der Globalen synchronisiert werden 3 Synchronisationsarten: Synchroner Start Asynchroner Start - harte Synchronisation Asynchroner Start - weiche Synchronisation 32 / 34

36 Überblick 1 Einführung 2 OSEK-OS 3 OSEKtime-OS 4 Zusammenfassung 33 / 34

37 Zusammenfassung Zusammenfassung OSEK / OSEKtime sind statische Betriebssysteme ereignisgesteuert vs. zeitgesteuert komplexe Tasks vs. einfache Tasks unterschiedliche Interrupt-Behandlung 34 / 34

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