Verteilte Echtzeit-Systeme

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1 - Verteilte Echtzeit-Systeme Hans-Albrecht Schindler Wintersemester 2018/19 Teil C: Echtzeit-Betriebssysteme Abschnitt 18: Standards für Echtzeit-Betriebssysteme CSI Technische Universität Ilmenau

2 18.1 Übersicht Gegenwärtig 4 Hauptstandards 1. POSIX Hauptstandard für Betriebssysteme mit Echtzeit-Erweiterungen (RT-POSIX) 2. OSEK für die Automobil-Industrie 3. APEX für die Luftfahrt 4. μitron für kleine eingebettete Systeme 18. Standards für Echtzeit-Betriebssysteme / 18.1 Übersicht ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 18-2

3 18.2 POSIX/RT-POSIX POSIX-Standard POSIX = Portable Operating System Interface [for UNIX] ist eine Gruppe von Standards spezifiziert durch die IEEE die API sowie Shell- und Utility-Schnittstellen für Quellcode kompatible [UNIX]-Systeme beschreibt neueste Version: POSIX enthält auch Definitionen für UNIX-artige Echtzeit-Betriebssysteme (Echtzeit-Erweiterungen: RT-POSIX) 18. Standards für Echtzeit-Betriebssysteme / 18.2 POSIX/RT-POSIX ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 18-3

4 POSIX/RT-POSIX RT-POSIX: definierte Echtzeitkomponenten Echtzeit-Scheduling fest vorgesehen: Scheduling mit festen Prioritäten, Zeitscheibentechnik beliebig hinzufügbar: durch Benutzer definierte Scheduling-Strategien Timer neue Funktionen für feingranularen Umgang mit Timern Zeitauflösung in Nanosekunden (falls durch Hardware möglich) mindestens 32 Timer dynamisch erzeugbar (früher nur 3) asynchrone und priorisierte Ein-/Ausgaben Definition nichtblockierender E/A-Funktionen, die asynchrone E/A ermöglichen Ein-/Ausgaben können mit Prioritäten versehen werden, die Position in E/A-Warteschlangen bestimmen 18. Standards für Echtzeit-Betriebssysteme / 18.2 POSIX/RT-POSIX ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 18-4

5 POSIX/RT-POSIX RT-POSIX definierte Echtzeitkomponenten synchronisierte Ein-/Ausgaben Standard-E/A-Funktionen: garantieren nicht, dass Daten sofort geschrieben werden (Daten dann in Zwischenpuffern abgelegt; sehr oft realisiert bei Festplatten-Schreib-Operationen) synchronisierte E/A: garantiert sofortige Datenausgabe u. vermeidet Puffern (Verbesserung von Ausgabe-Zeitverhalten und Datenkonsistenz) Mapped Files (speicherabgebildete Dateien) vorgesehen: vollständig im Primärspeicher gehaltene Dateisysteme (erhebliche Beschleunigung der Dateizugriffe u. Verbesserung der zeitlichen Vorhersagbarkeit) 18. Standards für Echtzeit-Betriebssysteme / 18.2 POSIX/RT-POSIX ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 18-5

6 POSIX/RT-POSIX RT-POSIX definierte Echtzeitkomponenten Task Locking & Memory Locking damit: vollständige Prozesse oder bestimmte Hauptspeicherbereiche vor Auslagerung (Paging-out) schützbar Echtzeit-Signale zu normalen UNIX-Signalen folgende Erweiterungen: 1. Definition von mindestens 8 zusätzlichen Signalen 2. ankommende Signale in Warteschlangen verwaltet 3. jedes Signal erhält zusätzliche Begleitinformationen (wie z.b. Signalquelle und benutzerdefinierbare Daten) 4. alle Signale sind priorisiert (bestimmt Reihenfolge der Zustellung) 5. durch neue Funktion: Signalerkennung ohne gleichzeitige Ausführung möglich (für asynchrone Signalbehandlung) 18. Standards für Echtzeit-Betriebssysteme / 18.2 POSIX/RT-POSIX ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 18-6

7 18.3 OSEK/VDX Genauere Bestimmung ist: gemeinsames Projekt vieler Auto-Firmen Ziel industrieller Standard für eine offene Architektur verteilter Steuereinheiten in Fahrzeugen OSEK: Offene Systeme und deren Schnittstellen für die Elektronik im Kraftfahrzeug VDX: Vehicle Distributed executive Unterstützte Anwendungen insbesondere: Steuerungs- u. Regelungs-Anwendungen (control applications) 18. Standards für Echtzeit-Betriebssysteme / 18.3 OSEK/VDX ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 18-7

8 Unterschiede des OSEK-Kernels zu anderen BS-Kernen 1. Statische Definition aller Kernel-Komponenten alle Anwendungs- u. Kern-Komponenten: zum Kompilierungs-Zeitpunkt statisch definiert bei meisten dieser Systeme: keine Unterstützung für a) dynamische Speichervergabe b) dynamische Prozesserzeugung OSEK/VDX Definition einer Implementierungssprache: zur Spezifikation der Applikations-Komponenten ( OSEK Implementation Language OIL ) OIL-Compiler: erzeugt aus Spezifikation auch notwendige Kernel- Datenstrukturen (u.a. Bestimmung des notwendigen statischen Speicherplatzes) 18. Standards für Echtzeit-Betriebssysteme / 18.3 OSEK/VDX ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 18-8

9 OSEK/VDX Unterschiede des OSEK-Kernels zu anderen BS-Kernen 2. Unterstützung für Stack-Sharing dadurch möglich: Einsparung von Speicherplatz 3. Scheduling-Unterstützung für: Fixed Priority Scheduling mit Priority Ceiling Protocol zur Verhinderung von Prioritätsumkehr Ressourcennutzung: spezifiziert in OIL-Konfigurationsdatei OIL-Compiler: berechnet daraus auch Priority-Ceiling-Werte für jeden Prozess 4. Skalierbarkeit des Systemumfangs dabei u.a.: Möglichkeit für Unterstützung reduzierter Versionen der Kernel-API zur Einsparung von Speicherplatz (Kosten bei Massenproduktion!) 18. Standards für Echtzeit-Betriebssysteme / 18.3 OSEK/VDX ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 18-9

10 OSEK/VDX Unterschiede des OSEK-Kernels zu anderen BS-Kernen 4. Skalierbarkeit des Systemumfangs dazu: Konzept von Performanzklassen mit spezifischen Subsets: BCC1: o unterstützt: nur 8 Prozesse mit nur einer gemeinsam benutzten Ressource BCC2: o zusätzlich: mehr Prozesse mit gleicher Priorität ECC1: o zusätzlich: Unterstützung sog. erweiterter Prozesse (extended tasks), die auf ein Ereignis warten können ECC2: o zusätzlich zu ECC1: multiple Prozess-Aktivierungen 18. Standards für Echtzeit-Betriebssysteme / 18.3 OSEK/VDX ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 18-10

11 18.4 ARINC - APEX ARINC 653 (Avionics Application Standard Software Interface) ist: Software-Spezifikation für Echtzeitsysteme im Luftfahrtbereich spezifiziert: wie verschiedene Applikationen auf der gleichen Hardware auszuführen sind definiert: API (APEX = APplication EXecutive) zur Entkopplung des Betriebssystems von der Applikations-Software dient: zur Implementierung, Zertifizierung u. Ausführung analysierbarer sicherheitskritischer Echtzeitanwendungen 18. Standards für Echtzeit-Betriebssysteme / 18.4 ARINC APEX ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 18-11

12 ARINC - APEX ARINC 653 Anwendung verschiedene kritische Echtzeitsysteme unter Benutzung von APEX bereits erfolgreich entwickelt u. zertifiziert, u.a. kritische Komponenten für die Boeing 777 Technische Details Primärspeicher unterteilt in Partitionen Software-Subsysteme in unterschiedlichen Partitionen untergebracht in jeder Partition: 1 oder mehr Anwendungsprozesse mit Attributen wie o Periodendauer o Bearbeitungsdauer o Priorität o Prozess-Zustand 18. Standards für Echtzeit-Betriebssysteme / 18.4 ARINC APEX ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 18-12

13 ARINC - APEX ARINC 653 Technische Details Scheduling: hierarchisch, a) obere Ebene: Partitionen o Scheduling: nach zyklisch angewendeter off-line-tabelle o Prozessorzeit pro Partition begrenzt auf im zyklischen Schedule angegebene Menge b) darunter: Scheduling in jeder Partition o Scheduling: auf Basis fester Prioritäten 18. Standards für Echtzeit-Betriebssysteme / 18.4 ARINC APEX ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 18-13

14 ARINC - APEX ARINC 653 Technische Details Interprozess-Kommunikation a) zwischen Prozessen in unterschiedlichen Partitionen o über Botschaften (message passing) o dabei: 2 Typen von Botschaften 1. Sampling Messages hierbei: Ankunft einer neuen Botschaft überschreibt vorhergehende Botschaft, Botschaft bleibt nach Lesen erhalten 18. Standards für Echtzeit-Betriebssysteme / 18.4 ARINC APEX 2. Queuing Messages hierbei: Botschaften in FIFO-Ordnung gespeichert, Lesen einer Botschaft löscht diese ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 18-14

15 ARINC - APEX ARINC 653 Technische Details Interprozess-Kommunikation b) zwischen Prozessen in derselben Partition o es existieren: Vielzahl von Möglichkeiten, u.a. konventionelle Puffer o verwendeter Kommunikationsmechanismus: außerhalb der Partition nicht sichtbar 18. Standards für Echtzeit-Betriebssysteme / 18.4 ARINC APEX ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 18-15

16 ITRON-Projekt (Industrial TRON = The Real-time Operating system Nucleus) 18.5 MICRO-ITRON begonnen: 1984 in Japan beschreibt: Architekturen für Echtzeit-Betriebssysteme zum Aufbau eingebetteter Systeme entwickelt: Serie von de-facto-standards für Echtzeit-Kerne ausgerichtet: primär auf kleine Systeme registriert: ca. 50 ITRON-Kernel-Produkte für 35 Prozessor-Typen 18. Standards für Echtzeit-Betriebssysteme / 18.5 MICRO-ITRON ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 18-16

17 MICRO - ITRON ITRON-Projekt Anwendung: über großen Bereich von Domänen eingebetteter Systeme 1. audio/visuelle Komponenten: Fernseher, Digitalkameras usw. 2. Heim-Anwendungen: Mikrowellen-Geräte, Klimaanlagen, Waschmaschinen u.a. 3. Anwendungen für personenbezogene Information: PDAs, Organizer, Automobil-Navigation 4. Unterhaltungs-Elektronik: Hardware-Komponenten für Computer-Spiele, elektronische Musikinstrumente 18. Standards für Echtzeit-Betriebssysteme / 18.5 MICRO-ITRON ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 18-17

18 MICRO-ITRON ITRON-Projekt Anwendung: 5. Rechner-Peripherie: Drucker, Scanner, Laufwerke für Magnetplatten u. optische Speichermedien 6. Büro-Ausrüstung: Kopierer, FAX-Geräte u.a. 7. Telefon-Ausrüstung: Anrufbeantworter, Smartphones, Rundfunk, drahtlose Systeme, Satelliten 8. Industrielle Steuerungen u. Regelungen: Industrie-Roboter, automatisierte Produktionsstraßen 9. eine Reihe weiterer Anwendungen: Fahrstühle, medizinische Geräte u.v.a. 18. Standards für Echtzeit-Betriebssysteme / 18.5 MICRO-ITRON ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 18-18

19 MICRO - ITRON Spezifikation Micro-ITRON 4.0 kombiniert lose Standardisierung der bisherigen ITRON-Standards zu Standard-Profil dieses: unterstützt eine strenge Standardisierung, notwendig für Portabilität dabei: Bemühung zur Erhöhung der Portabilität unter Aufrechterhaltung von Skalierbarkeit Beispiel: Portabilität von Interrupthandlern mit klein gehaltenem Overhead 18. Standards für Echtzeit-Betriebssysteme / 18.5 MICRO-ITRON ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 18-19

20 MICRO-ITRON Projekt μitron Systemausrichtung des Standard-Profiles: Kernel-Größe: kbyte Gesamtsystem: verlinkt als 1 Modul Kern-Komponenten: statisch erzeugt Schutz-Mechanismen: nicht vorhanden Unterstützung für Prozess-Prioritäten Semaphore Message Queues Primitiven für gegenseitigen Ausschluss inklusive o Priority-Inheritance- bzw. Priority-Ceiling-Protokoll 18. Standards für Echtzeit-Betriebssysteme / 18.5 MICRO-ITRON ENDE Abschnitt 18 ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 18-20