DIPLOMHAUPTPRÜFUNG FÜR ELEKTROINGENIEURE PROZESSAUTOMATISIERUNG I Sommersemester Musterlösung

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1 Universität Stuttgart Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. P. Göhner Mr, Mb DIPLOMHAUPTPRÜFUNG FÜR ELEKTROINGENIEURE PROZESSAUTOMATISIERUNG I Sommersemester Musterlösung LfdNr. Thema Punkte Zeitbedarf in min 1 Scheduling und Schedulability-Test Echtzeitprogrammierung mit ADA Bussysteme Verständnisfragen 7 15 Summe Bemerkung

2 Aufgabe 1: Scheduling Aufgabe 1.1 Task A Task B Task C laufend laufend laufend Aufgabe 1.2 Ausführungsdauer Ci Zykluszeit Ti Priorität Task A 1 T 4 T 1 Task B 3 T 9 T 3 Task C 2 T 7 T 2 Tabelle 1: Rechenprozesse des Tasksets Task A laufend bereit Task B laufend bereit Task C laufend bereit Aufgabe Keine Blockierungen. n Ci 1 3 Utotal = = + + Ti 4 9 i= = 0,869 1/ n U ( n) = n (2 1) U ( 3) 0, 780 Utotal U (n)? 0,869 > 0,790 - U total < 1 Taskset ist nach dem EDF Verfahren planbar. (Zusatzinfo) - Bedingung ist hinreichend aber nicht notwendig keine Aussage bezüglich Rate- Monotonic Scheduling ob Taskset planbar ist. Aufgabe 1.4 Ausführungsdauer C i Zykluszeit T i Priorität Belegungszeit von R1 Belegungszeit von R2 Blockierung B i Task A 1 T 4 T 1 0,5 T -- 0,6 T 2

3 Task B 3 T 9 T ,2 T -- Task C 2 T 7 T 2 0,6 T 0,8 T 0,2 T aus 4.1: Tabelle 2: Rechenprozesse mit gemeinsamem Zugriff auf Ressourcen R1 und R2 U total = n i= 1 Ci = Ti = 0,869 1/ n U ( n) = n (2 1) U ( 3) 0, 780 Berücksichtigung der Blockierung: n Bi n 0,6 0,2 Btotal = max B total = max, = 0, 150 i= 1 Ti i= Utotal + Btotal U (n) = 1,019 > 1 Das Taskset ist nach dem Rate-Monotonic Verfahren NICHT ausführbar! 3

4 Aufgabe 2: Ada-Programmierung Aufgabe 2.1: Anzahl der möglichen Grün-Phasen je Ampel Jede Ampel kann genau einmal grün werden. Danach sind die Tasks beendet. with Datentypen; use Datentypen; with IO; use IO; procedure LightControl is task type LaneControl is entry requestgreen (Lane : LaneNumber); end LaneControl; task body LaneControl is LaneNo : LaneNumber; begin loop accept requestgreen (Lane) do LaneNo = Lane; end requestgreen; switchtogreen(laneno); delay 30.0; switchtored(laneno); end LaneControl; Lane is array (1..4) of LaneControl; begin -- Set all traffic lights to red for Count in 1..4 loop switchtored(count); loop -- main loop for Count in 1..4 loop if ReadContact(Count) then Lane[Count].requestGreen(Count); end if end LightControl; Aufgabe 2.2: Gemeinsame Kreuzungsbereiche a) Sobald ein Fahrzeug sich an der Kontaktschleife anmeldet bekommt es grün. Es findet keine Überwachung statt, ob sich gerade ein Fahrzeug in der Kreuzung befindet. Wenn z. B. gleichzeitig ein Fahrzeug auf Spur 1 und Spur 3 über die Kreuzung fahren wollen, bekommen beide grünes Licht und es kommt zum Unfall, da beide gleichzeitig den Kreuzungsbereich A benutzen. 4

5 b) Spur benötigte Kreuzungsbereiche 1 A 2 B 3 A 4 A & B c) betriebsmittelorientierte Synchronisation Aufgabe 2.3: Synchronisierung in Ada a) Monitor Konzept b) 5

6 Aufgabe 2.4: Synchronisierung der Ampelsteuerung procedure LightControl is task type LaneControl is entry requestgreen (Lane : LaneNumber); end LaneControl; protected JunctionZone is function requestzones (Lane : LaneNumber) return Boolean; procedure releasezones (Lane : LaneNumber); private zonea is (Free, Occupied) := Free; zoneb is (Free, Occupied) := Free; end JunctionZone; task body LaneControl is LaneNo : LaneNumber; begin loop -- aus 2.1 accept requestgreen (Lane) do LaneNo = Lane; end requestgreen; if requestzones(laneno) then switchtogreen(laneno); delay 30.0; switchtored(laneno); releasezones(laneno); end if; end loop -- aus 2.1 end LaneControl; Lane is array (1..4) of LaneControl; begin -- Set all traffic lights to red for Count in 1..4 loop switchtored(count); loop -- main loop for Count in 1..4 loop if ReadContact(Count) then Lane[Count].requestGreen(Count); end if end LightControl; 6

7 Aufgabe 2.5 Überlagerte zyklische Grünphase with Datentypen; use Datentypen; with IO; use IO; procedure LightControl is task type LaneControl is entry requestgreen (Lane : LaneNumber); entry enforcegreen (Lane : LaneNumber); end LaneControl; task TimeControl; protected JunctionZone is function requestzones (Lane : LaneNumber) return Boolean; procedure releasezones (Lane : LaneNumber); private zonea is (Free, Occupied) := Free; zoneb is (Free, Occupied) := Free; end JunctionZone; task body TimeControl is begin loop delay 180; for Count in 1..4 loop Lane[Count].enforceGreen(Count); end TimeControl; task body LaneControl is LaneNo : LaneNumber; forcedgreen : Boolean := false; begin loop -- aus 2.1 select when not forcedgreen => accept requestgreen (Lane) do LaneNo = Lane; end requestgreen; or when not forcedgreen => accept enforcegreen (Lane) do LaneNo = Lane; forcedgreen = true; end enforcegreen; end select; 7

8 if requestzones(laneno) then -- aus 2.3 switchtogreen(laneno); delay 30.0; switchtored(laneno); forcedgreen = false; releasezones(laneno); -- aus 2.3 end if; -- aus 2.3 end loop -- aus 2.1 end LaneControl; Lane is array (1..4) of LaneControl; begin -- Set all traffic lights to red for Count in 1..4 loop switchtored(count); loop -- main loop for Count in 1..4 loop if ReadContact(Count) then Lane[Count].requestGreen(Count); end if end LightControl; 8

9 Aufgabe 3: Profibus (23 Punkte) Aufgabe 3.1 Schätzen sie die Länge des Profibusses ab. Welche Busübertragungsrate lässt sich maximal erreichen? Der Bus hat eine Länge von über 400 Meter, jedoch unter 1200 Meter. Es lässt sich eine Übertragungsrate von maximal BR = 93,75 kbit/s erreichen. Aufgabe 3.2 Die maximale Laufzeit einer Nachricht auf dem Bus soll unabhängig vom verwendeten Telegrammformat 30 ms betragen. Ist dies mit der in diesem Fall maximal erreichbaren Übertragungsrate möglich? Begründen Sie Ihre Antwort. Es ist eine Worst-Case-Abschätzung erforderlich. Das längste Telegramm ist das Telegramm mit variabler Datenlänge. Die Länge des Telegramms in Bit berechnet sich folgendermaßen: L T,max = (N Daten + N Overhead ) 11 Bit = ( ) 11 Bit = 2805 Bit Für die Dauer der Übertragung gilt: L T max T T,max =, BR 2805 bit = bit s = 29,92 ms 30 ms Die maximale Laufzeit wird für das Telegramm mit variabler Datenlänge und damit auch für alle Nachrichten eingehalten. Aufgabe 3.3 a) Welche Telegrammformate kommen für die einzelnen Nachrichten in Frage? Begründen Sie Ihre Antwort. b) Geben Sie die jeweils resultierende Telegrammlänge in Bytes und Bits an. Für die Auswahl des Telegrammformats ist die zu übertragende Datenmenge maßgebend. SRD-Dienst: 1. Sendeanforderung, Steuerung Roboter Es handelt sich um eine Sendeanforderung ohne Datenübertragung. Daher kommt das Telegramm ohne Datenfeld in Frage. L TSRD1 = 6 Bytes = 66 Bit 9

10 SDN-Dienst: 2. Übertragung der Sensorwerte, Roboter Steuerung Jeder Roboter verfügt über 12 Sensoren. Für jeden Sensorwert werden 11 Byte zur Codierung benötigt. Es fallen daher 132 Byte an Daten an. Daher wird das Telegramm mit variabler Datenlänge für diese Nachricht verwendet. L TSRD2 = ( ) Byte = ( ) 11 Bit = 1551 Bit 1. Übertragung der Steuersignale, Steuerung Roboter Jeder Roboter verfügt über 4 Antriebe. Für jeden Antrieb werden 2 Byte zur Codierung des Steuersignals benötigt. Es fallen daher 8 Byte an Daten an. Daher wird das Telegramm mit fester Datenlänge für diese Nachricht verwendet. L TSDN = (6 + 8) Byte = (6 + 8) 11 Bit = 154 Bit Aufgabe 3.4 a) Skizzieren Sie den zeitlichen Verlauf der Kommunikation mit einem Roboter in einem Sequenzdiagramm. b) Ermitteln Sie für jede Nachricht die jeweils erforderliche Übertragungszeit. c) Wie lange dauert der vollständige Kommunikationszyklus mit einem Roboter? a) SPS1 Roboter Sendeaufforderung T TSRD1 Sensordaten T TSRD2 Ste uerd aten T TSDN b) T TSRD1 = L TSRD1 = 0,704 ms BR 10

11 T TSRD2 = L TSRD2 = 16,544 ms BR L T TSDN = TSDN = 1,64 ms BR c) T Total,Roboter = T TSRD1 + T TSRD2 + T TSDN = 18,888 ms Aufgabe 3.5 a) Kann im Monomasterbetrieb eine geforderte maximale Reaktionszeit von T max =800 ms eingehalten werden? b) Wie hoch kann die Slottime T SL maximal gewählt werden? a) Lösungsweg: 1. Berechnung der der Kommunikationsdauer mit einem Roboter inklusive Overheadzeiten. 2. Berechnung der Kommunikationsdauer mit allen Robotern 3. Abschätzung, ob geforderte Reaktionszeit eingehalten werden kann. 1. Berechnung der der Kommunikationsdauer mit einem Roboter inklusive Overheadzeiten L T OR = OR = BR L T OS = OS = BR 300 Bit KBit 100 Bit KBit s s = 3,2 ms = 1,07 ms T Total,Roboter,O = T Total,Roboter + T OR + T OS = 18,888 ms + 3,2 ms + 1,07 ms = 23,158 ms 2. Berechnung der Kommunikationsdauer mit allen Robotern T Total = N Roboter T Total,Roboter,O = 16 23,158 ms = 370,528 ms T max = 800 ms 3. Abschätzung, ob geforderte Reaktionszeit eingehalten werden kann. Die geforderte Reaktionszeit kann eingehalten werden. b) Im schlimmsten Fall gilt: T Total,max = N Roboter (2T SL + T Total,Roboter,O ) Mit T Total,max = T max gilt: 11

12 T SL = 1 T 2 N max Roboter T Total,Roboter, O = 13,421 ms Die Slottime ist kleiner als die Zeit zur Übertragung von T SRD2. Die Kommunikation auf dem Profibus wird daher nicht korrekt ablaufen! Aufgabe 3.6 a) Erläutern Sie die Handhabung des Tokens in den aktiven Stationen. b) Von welchen Parametern ist die Übermittlung von Nachrichten bei Besitz des Tokens abhängig? a) Prüfung, ob T RR > T TR Wenn Ja: Versenden einer hochprioren Nachricht (falls vorhanden) Wenn Nein: Versenden von hochprioren Nachrichten, solange T RR < T TR. Dann versenden von niederprioren Nachrichten, solange T RR < T TR. Weiterreichen des Tokens, wenn T RR > T TR oder wenn keine weiteren Nachrichten zum Versand anliegen. b) Relevante Parameter: - Token-Soll-Umlaufzeit - Token-Ist-Umlaufzeit - Priorität der anliegenden Nachrichten Aufgabe 3.7 a) Von welchen Kriterien hängt die Wahl der maximalen Token-Soll-Umlaufzeit TTR ab? b) Die Token-Soll-Umlaufzeit soll in diesem Fall TTR=500 ms betragen. Wie schätzen Sie diesen Wert ein? a) Die Wahl der Token-Soll-Umlaufzeit ist abhängig von der geforderten Reaktionszeit des Systems. Insbesondere spielt die Reaktionszeit auf hochpriore Nachrichten eine wichtige Rolle. Diese Nachrichten werden auch nach Ablaufen der Token-Soll-Umlaufzeit übermittelt. b) Zum Abschätzen der T TR wird folgende Überlegung angestellt: Für einen vollständigen Kommunikationszyklus des Systems müssen folgende Zeiten berücksichtigt werden: T SPS1 Zeit für die Kommunikation der SPS1 mit den Zellen 1 bis 4 12

13 T Vis1 T Token Zeit für die Kommunikation zwischen SPS1 und der Visualisierung Zeit zur Übermittlung des Tokens (wird insgesamt 3 mal je Zyklus übermittelt) T SPS2 Zeit für die Kommunikation der SPS2 mit den Zellen 5 bis 8 T Vis2 Zeit für die Kommunikation zwischen SPS2 und der Visualisierung (=T Vis1 ) Für T Vis = T Vis1 = T Vis2 gilt: T Vis = T Vis,SRD1 + T Vis, SRD2 T Vis,SRD1 = ( )*11Bit bit/s T Vis,SRD2 = 0,704 ms (aus 3.4 b)) T Vis = 16,66 ms Somit ergibt sich = 15,96 ms T Zyklus = T SPS1 + T Vis1 + T Token + T SPS2 + T Vis2 + T Token + T Token = 185,26 ms + 16,66 ms + 0,5 ms + 185,26 ms + 16,66 ms + 0,5 ms + 0,5 ms = 405,34 ms Die gesamte Zeit liegt also unterhalb der der gegebenen T TTR.Sie ist also ausreichend. Es kann auch festegestellt werden, dass das Token die SPS2 zum Zeitpunkt T = T SPS1 + T Vis1 + T Token = 202,42 ms erreicht, sodass diese ausreichen Zeit für ihre Kommunikation hat. Aufgabe 4: Kurzfragen Frage 4.1 Redundanz a) dynamisch funktionsbeteiligte Redundanz b) statische Redundanz Frage 4.2 Mini-Betriebssystem a) Warum kommt das in der Vorlesung vorgestellte Mini-Betriebssystem in seiner ersten Erweiterung mit weniger als 4 Zuständen aus? b) Welche Zustände des Zustandsmodells von Rechenprozessen werden nicht benötigt? Warum? a) In der ersten Ausbaustufe gibt es keine Blockierung von Rechenprozessen, deshalb werden nur 3 Zustände benötigt. 13

14 b) Blockiert tritt ein wenn RP auf den Eintritt irgend eines Ereignisses warten muss (z.b. Freigabe einer Ressource). Erst wenn das Ereignis eingetreten ist, kann der RP aus dem Zustand "blockiert" wieder in den Zustand "bereit" kommen. In der ersten Ausbaustufe des Mini-Betriebssystems werden keine Ressourcen berücksichtigt. Frage 4.3 Speicherprogrammierbare Steuerungen Benötigte Zykluszeit: t = (20 ms 5 ms) / 2 = 7,5 ms Begründung: Die Reaktionszeit einer SPS entspricht der doppelten Zykluszeit. Es muss die Reaktionszeit des Temperatursensors ebenfalls berücksichtigt werden. Das Modell DualAutomatus 5000 ist die optimale SPS für den Einsatzzweck. Das Modell DualAutomatus 1000 erfüllt die Anforderungen bezüglich der Reaktionszeit nicht. Das Modell DualAutomatus 2000 erfüllt die Anforderungen bezüglich der Reaktionszeit nicht. Die Zykluszeit von 10 Sekunden lässt Reaktionszeiten von 20 ms zu jedoch muss die Reaktionszeit des Temperatursensors ebenfalls berücksichtigt werden. Das Modell DualAutomatus erfüllt die Anforderungen bezüglich der Reaktionszeit. Es ist jedoch im Vergleich zum Modell DualAutomatus Euro teuerer und bietet keinen erforderlichen Mehrwert. Frage 4.4 Schedulingmethoden a) Die Protokolle sind keine Scheduling-Algorithmen, sondern Synchronisationsprotokolle. Sie dienen dem effizienten Zugriff auf gemeinsam genutzte Ressourcen und stellen eine Erweiterung des Semaphorkonzepts dar. b) Beide Protokolle beschränken die Zeit, die eine Task durch andere Tasks mit niedrigerer Priorität blockiert werden kann (maximal die Dauer einer kritischen Sektion) und erhöhen damit die zeitliche Vorhersagbarkeit. c) Das PCP vermeidet im Gegensatz zum PIP Deadlocks. 14

15 Lösungsblatt zu Aufgabe 1: Task A Task B Task C laufend laufend laufend Bild 1: Zeitlicher Soll-Ablauf der Tasks in Aufgabe 1.1 Bild 2: Zeitlicher Ist-Ablauf der Tasks beim Rate-Monotonic-Scheduling (Aufgabe 1.2)

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