Aufbau eines Echtzeit-Betriebssystems für Embedded Systems

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1 Aufbau eines Echtzeit-Betriebssystems für Embedded Systems I. Begriffsdefinition II. Anforderungen III. Struktur und Komponenten Dr.-Ing. Ludwig Eckert, Seite 1 I. Begriffsdefinition: Embedded System Bsp.: Temperatur- und Druckregelung eines Düsentriebwerkes Technisches System Druck p Tempertur ϑ Embedded- System HW - Mikrocontroller - IOs (dig, analog, ser, parall) Treibstoff- Stellventil Display (Cockpit) SW - (Echtzeit-)Betriebssystem - Applikationen Protokollierung (Blackbox) Embedded System - ist ein mit SW ausgestatteter Mikroprozessor/Mikrocontroller, - ist ein Rechensystem, dass Teil einer größeren technischen Anordnung ist - ist auf einen bestimmten Zweck zugeschnitten - meist über die gesamte Lebenszeit unverändert - Bsp.: ABS, Motorsteuerung Dr.-Ing. Ludwig Eckert, Seite 2

2 I. Begriffsdefinition: Echtzeit-Systeme DIN (Begriffe der Informationsverarbeitung, 1985): Echtzeitbetrieb ist ein Betrieb eines Rechensystems, bei dem Programme zur Verarbeitung anfallender Daten ständig betriebsbereit sind, und zwar derart, dass die Verarbeitungsergebnisse innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne verfügbar sind. Die Daten können je nach Anwendungsfall nach einer zeitlich zufälligen Verteilung oder zu vorbestimmten Zeitpunkten anfallen. John A. Stankovic, K. Ramamritham (University of Virginia): What is predictability for Real-Time Systems? (1990): Real-time systems are those systems in which the correctness of the system depends not only on the logical results of computations, but also on the time at which the results are produced. Dr.-Ing. Ludwig Eckert, Seite 3 Definition Echtzeit (1) Rechtzeitigkeit innerhalb garantierter Zeiten auf Signale von außen reagieren Gleichzeitigkeit gewährleisten, dass die Rechenprozesse alle (quasi-) gleichzeitig vom Rechner (Prozessor) abgearbeitet werden Dr.-Ing. Ludwig Eckert, Seite 4

3 II. Anforderungen an ein Echtzeit-Betriebssystem Gleichzeitigkeit: Bereitstellung paralleler Prozesse Alle Rechenprozesse werden (quasi-)gleichzeitig vom Prozessor abgearbeitet. Betriebsmitteleinplanung mit Echtzeitverfahren (Kernproblem: Prozessor,..) Interaktion der Prozesse (Kommunikation, Synchronisation) Rechtzeitigkeit: Reaktion innerhalb garantierter Zeiten auf Signale von außen z.b. kurze Reaktionszeiten auf einen Interrupt. Prozesse müssen zugunsten wichtigerer Prozesse unterbrechbar sein Ein-/Ausgabeabwicklung mit determiniertem Zeitverhalten Zeitfunktionen, Uhrensynchronisation Dr.-Ing. Ludwig Eckert, Seite 5 Definition Echtzeit (2) - harte versus weiche Echtzeit Harte Echtzeit (hard real time): - definierte Zeitanforderungen: P (TA TAmax) = 1 - Verletzung der Zeitforderungen -> Ergebnis unbrauchbar oder sogar Schaden - deterministisch Weiche Echtzeit (soft real time): - definierte Zeitforderungen, aber P (TA TAmax) 1 - Verletzung der Zeitforderungen für einen Teil der Ereignisse tolerierbar, Ergebnis hat nach Zeitüberschreitung noch gewissen Wert Nicht-Echtzeit: -keintamax vorgegeben, nur TA minimieren - System trifft keine Vorkehrung zur Einhaltung von Zeitschranken Dr.-Ing. Ludwig Eckert, Seite 6

4 Architektureigenschaften eines EBS (1) 1. Multitasking Strukturierung von Programmen in Tasks Taskimplementierung mit minimaler HW-Kenntnis (Taskimplementierung nicht über Interruptroutinen notwendig) Taskimplementationen als logisch eigenständige Einheiten (Taskabstraktion) 2. Zeitsteuerung Verwendung von Systemressourcen zu vorbestimmten Zeitpunkten Verwendung von Systemressourcen zu zufälligen Zeitpunkten 3. Prioritätsbasierte preemptive Ablaufsteuerung statische, dynamische Prioritäten online, offline Scheduling Dr.-Ing. Ludwig Eckert, Seite 7 Architektureigenschaften eines EBS (2) 4. Taskkoordinierung Synchronisation und gegenseitiger Ausschluß (Semaphore, Condition Variable) Intertaskkommunikation (Mailbox, Shared Memory) 5. Interruptbehandlung, Exceptionbehandlung leistungsfähiges Interruptsystem notwendig Unterstützung durch HW Unterstützung durch SW (BS): ISR, Interrupttasks Dr.-Ing. Ludwig Eckert, Seite 8

5 Entwicklung eines Minimal-EBS Vereinfachende Annahmen: (1) Die Summe aller Abarbeitungszeiten der Rechenprozesse sei kleiner als die Taktzeit T => Damit ist gewährleistet, dass beim Eintreffen des nächsten Taktimpulses alle Rechenprozesse beendet sind (2) Es werden keine Tasks verwaltet, die durch einen Interrupt angestoßen werden => d.h. Konzentration zunächst nur auf zyklisch auszuführende Rechenprozesse, die per Timer gestartet werden sollen (3) Die Ausführungszeiten für die Ein- und Ausgabegeräte sollen zunächst vernachlässigt werden => somit ist keine Betriebsmittelverwaltung für die im allgemeinen deutlich langsamere Ein- und Ausgabeperipherie erforderlich. Dr.-Ing. Ludwig Eckert, Seite 9 Komponenten eines Echtzeit-Betriebssystem Scheduler Dispatcher Taktimpuls Zeit- Verwaltung Task- Verwaltung Prozessor- Verwaltung Start eines Rechenprozesses T=1ms P1 40 P2 60 ms ms Zeit Liste Zykluszeiten Liste akt. Zeitzähler Aktivierung Suche Liste Zyklus Dispatcher Ende eines Rechenprozesses Deaktivierung Dr.-Ing. Ludwig Eckert, Seite 10

6 Schedulingstrategien Schedulingstrategien am Beispiel einer Warteschlange vor einem Kopiergerät aus Betriebsysteme, Spektrum Verlag Dr.-Ing. Ludwig Eckert, Seite 11 Zustandsdiagramm eines Prozesses Prozesszustände bereit: Prozess verfügt über alle Bm außer Prozessor rechnend: Prozess verfügt über alle Bm, arbeitet blockiert: Prozess wartet auf Bm (z.b. Ereignis oder Nachricht) (weitere Übergänge möglich) Start bereit Ereignis eingetreten Prozessor zuteilen 2 Prozessor entziehen rechnend blockiert 3 Warten auf Ereignis Dr.-Ing. Ludwig Eckert, Seite 12

7 Dr.-Ing. Ludwig Eckert, Seite 13 Komponenten des Echtzeit-Betriebssystemkerns Aus Fortschritt-Berichte VDI, Dr. Ludwig Eckert Dr.-Ing. Ludwig Eckert, Seite 14

8 Zusammenfassung und Ausblick Die wichtigsten implizit getroffenen weiteren vereinfachenden Bedingungen waren: - die Betriebssystemprogramme sind selbst sind nicht unterbrechbar, - Eine Mechrfachbeauftragung eines Rechenprozesses, d. h. eine erneute Beauftragung vor der Beendigung, wurde ausgeschlossen, - Eine gegenseitige Beauftragung von Rechenprozessen untereinander ist nicht möglich, - Eine Synchronisation der Rechenprozesse, z.b. mittels Semaphoroperationen, ist nicht möglich - Es gibt keine Datenkommunikation zwischen den Tasks, d.h. keinen Austausch von Daten, keine gemeinsame Benutzung von Daten (Shared Memory) etc. - Eine dynamische Änderung der Prioritäten der Tasks während der Programmdurchführung ist nicht möglich, - Die Rechenprozesse befinden sich stets im Arbeitsspeicher, (langsame) Hintergrundspeicher (Festplatte) sind nicht vorhanden. Dr.-Ing. Ludwig Eckert, Seite 15 Literatur [1] D. Zöbel, W. Albrecht: ''Echtzeitsysteme: Grundlagen und Techniken'', Thomson, Bonn, 1995 [2] Mark H. Klein, et al.: ''A practitioner's handbook for real-time analysis'', Kluwer, Boston, 1993 [3] André M. von Tilborg, Gary M. Koob ''Foundations of Real-Time Computing Formal Specifications and Methods'', Kluwer Academic Publishers 1991 [4] Erik Jacobson, ''Prozeßdatenverarbeitung'', Hanser Verlag 1989 Dr.-Ing. Ludwig Eckert, Seite 16

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