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1 5.7 Echtzeitbetriebssysteme Prof. Dr. Dieter Zöbel, Institut für Softwaretechnik Rheinau 1 D Koblenz zoebel 26. November 2001 I

2 Merkmale von Echtzeitbetriebssystemen Durchreichen von Unterbrechungsanforderungen (prioritätsabhängig) an die Anwendungsprogramme Mehrprogrammbetrieb mit der Möglichkeit der anwendungsspezifischen Zuordnung von Prioritäten Bereitstellung einer effizienten Zeit- und Weckverwaltung einstellbare Zeitauflösung (Bezugszeitspanne t G ) Überwachung der Einhaltung von Echtzeitbedingungen Unterbrechbarkeit des Kerns (bzw. von Systemaufrufen) asynchrone E/A-Operationen Verhersagbarkeit der Zugriffsdauer auf Plattendateien durch entsprechende Organisation (z.b. zusammenhängende Folgen von Dateiblöcken) Möglichkeit zur Abschaltung der virtuellen Speicherverwaltung (z.b. zur Vermeidung unvorgesehener Seitenaustausche) Dieter Zöbel WS 01/02 1

3 Genealogie der Echtzeitbetriebssysteme Kategorisierungsschemata Grad der Offenlegung: proprietär (z.b. irmx) offen 1 (z.b. REAL/IX) Herkunft: Eigenentwickeltes Echtzeitbetriebssystem (z.b. QNX) Integration von Echtzeitmerkmalen (z.b. AIX) Weiterentwicklung eines Betriebssystems zu einem Echtzeitbetriebssystem (z.b. LynxOS) Plattformabhängigkeit: aus Betriebssystem-Sicht: Microsoft basiert (z.b. RTX- DOS, EUROS) UNIX-basiert (z.b. psos) aus Hardware-Sicht: Bindung an Prozessoren oder an Boards: PC-basiert (z.b. RMOS, QNX) oder Intelbasiert (z.b. irmx) Ausbaustufe: Ausführungssystem für parallele Prozesse (engl.: executive) (z. B. RTKernel) vollständig ausgebautes Betriebssystem (z.b. Solaris) 1 offen in dem Sinne, dass es herstellerunabhängige Standards wie POSIX.4 erfüllt Dieter Zöbel WS 01/02 2

4 Entwicklungslinien von Echtzeitbetriebssytemen eigenständige Entwicklung angelehnt an UNIX angelehnt an Microsoft integriert in ein universelles Betriebssystem angelehnt an den PC Standard proprietär offen vorwiegend proprietär offen, proprietär eher proprietär Beispiele iirmx OS/9 QNX, REAL/IX EUROS, WindowsCE Solaris, Ada QNX, irmx, WindowsCE Dieter Zöbel WS 01/02 3

5 Vor und Nachteile einer Anlehnung an ein vorhandenes Betriebssystem Vorteile: größere Akzeptanz bei den Entwicklern Verfügbarkeit von komfortablen Werkzeugen und Schnittstellen (z.b. make, awk oder graphische Benutzeroberflächen) Nachteile: Probleme mit der Größe und der Skalierbarkeit Probleme mit der Rechtzeitigkeit Dieter Zöbel WS 01/02 4

6 Wie wird UNIX ein Echtzeitbetriebssystem? unterbrechbarer, skalierbarer Kern (ist für ein Echtzeitbetriebssystem neu zu entwickeln) Bereitstellung einer hohen Zeitauflösung prioritätsbasierte Prozessausführung Ergänzung um leichtgewichtige Prozesse Verhinderung des Seitenaustausches kalkulierbare Zugriffszeiten auf Plattendateien Erfüllung von Standards, z.b. POSIX und POSIX Dieter Zöbel WS 01/02 5

7 Bsp.: Mikrokernarchitektur von QNX Prozess Prozess Prozess Netzanbindung Scheduler Interprozesskommunikation Interrupt Redirector Netzwerkschnittstelle Abbildung 1: Blockdiagramm zur Softwarearchitektur des Echtzeibetriebssystems QNX Minimaler Umfang des Kerns für einbettete Anwendungen: 130KByte (nach Angaben von QNX: 64KByte [?]). Zusätzlich: IDE-Treiber 40KByte, Plattentreiber (fdisk) 130KByte Dieter Zöbel WS 01/02 6

8 Unterbrechungen Echtzeitbetriebssysteme Grundsätzliche Zielsetzung: Unterbrechung des normalen Ablaufs durch eine vorrangige Verarbeitung. Klassen von Unterbrechungen Asynchron (interrupts) z.b.: Timerinterrupt Meldung eines Spannungsausfalls Abschluss des Plattenzugriffs Abschluss des Sendens einer Nachricht Synchron (traps) z.b.: arithmetische Fehler Seitenfehler Verletzung des Speicherschutzes Systemaufrufe Dieter Zöbel WS 01/02 7

9 Latenzen bei der Unterbrechungsbehandlung Die Unterbrechungslatenz (engl.: interrupt latency) umfasst alle Zeitspannen vom Zeitpunkt der Auslösung der Unterbrechung bis zum Beginn der Ausführung des Unterbrechungsprozesses (Schritte 1. und 2.) Bsp.: unter LynxOS auf einem 33MHz Intel 386: 75µs Bsp.: unter QNX auf einem 33MHz Intel 386: 15µs Bsp.: unter QNX auf einem 133MHz Intel Pentium: 4.3µs Strategie: Abarbeitung der ISR als Prozess des Echtzeitbetriebssystems Verzögerung für einen höher priorisierten Prozess: die Unterbrechungslatenz Dieter Zöbel WS 01/02 8

10 Merkmale von Solaris Merkmale im einzelnen: Universalbetriebssystem unterbrechbarer Kern Threadkonzept klassenspezifische Prioritäten Mehrprozessorfähigkeit Synchronisierungsobjekte: mutex, r/w-lock, counting semaphor, condition variable Prioritätsvererbung 159 Interrupt Threads Realtime Threads fixed priorities System Threads Timescliced Threads dynamic priorities Abbildung 2: Prozessklassen von Solaris Dieter Zöbel WS 01/02 9

11 Merkmale von QNX Merkmale Mikrokern-Betriebssystem Skalierbarkeit extern: Dateiverwaltung, Netzwerkverwaltung, graphische Oberfläche Interprozesskommunikation mittels synchroner Nachrichtenübertragung (send(), receive(), reply()) Netzwerktransparenz (TCP/IP-basiert: WAN, LAN, CAN, serielle Schnittstelle) prioritätsbasierte Prozessausführung Prioritätsvererbung einstellbare Zeitauflösung PC-Plattform Dieter Zöbel WS 01/02 10

12 Synchrone Nachrichtenübertragung in QNX Prinzip der synchronen Nachrichtenübertragung: Das Senden und Empfangen von Nachrichten ist eine gemeinsame Operation von Sender und Empänger, d.h. keiner kann dem anderen vorauslaufen. Steuerung Laserscanner Logdaten Laserdaten Funkmodem Eingreifdaten Fahrdaten Antrieb, Lenkung Abbildung 3: Funktionale Zerlegung von EZauto Synchrone Nachrichtenübertragung heißt auch: beide Prozesse müssen gleichzeitig zur Nachrichtenübertragung bereit sein. Das ist unmöglich, wenn Prozesse ereignisgesteuert sind oder unterschiedlich Perioden besitzen (hohe Wartezeiten, Gefahr von Deadlock). Dieter Zöbel WS 01/02 11

13 Beispiel mit QNX: Entwurf mit Briefkästen Zur Vermeidung von Deadlocks dienen Breifkästen (engl.: mailbox), die eine asynchrone Nachrichtenübertragung zwichen Prozessen realisieren. Log daten Fahrdaten Laserdaten Timer Funkmodem Steuerung Laserscanner Eingreifdaten Timer Timer Timer Antrieb, Lenkung Abbildung 4: Entwurf von EZauto mit den 4 ursprünglichen Prozessen, 4 Briefkästen und 4Timern Dieter Zöbel WS 01/02 12

14 Merkmale von OSEK/VDX Ziele von OSEK 2 /VDX: Echtzeitbetriebssysteme Portabilität und Wiederverwendbarkeit (gezielt für Software-Anwendungen in Kraftfahrzeugen) Spezifikation abstrakter Schnittstellen bzgl. Echtzeitanforderungen, Kommunikation und Netzwerkmanagement Spezifikation abstrakter Schnittstellen zur Hardware Skalierbarkeit der Implementierung auf das von der Anwendung aus Notwendige Verifikation der Funktionalität Partner (u.a.): Autoindustrie: BMW, Opel, Mercedes, Volkswagen, Renault, Fiat, Volvo Elektroindustrie und Zulieferer: Siemens, Philips, SGS Thomson, Hella, Lucas, Bosch EDV: Windriver Systems, Integrated Systems Wissenschaft: Karlsruhe 2 Akronym für offene Syteme und deren Schnittstelle zur Elektronik im Kraftfahrzeug Dieter Zöbel WS 01/02 13

15 automotive Merkmale von OSEK/VDX vollkommene Statik des Betriebssystems (z.b. alle Betriebsmittel und Synchronisierungsobjekte vorab bekannt) statische Prioritätsvergabe und Prioritätsobergrenzen (PIP) generative Erzeugung der Laufzeitumgebung Reduzierbarkeit auf RAM/ROM- Anwendungen Anpassbarkeit an kleinste Prozessoren ( 8 Bit) hoch präzises Modell für die Prozessausführung und Unterbrechungsbehandlung (3 Kategorien von Unterbrechungsroutinen) Untrebrechungsbehandlung feste Prioritaet Systemfunktionen Bereich der Anwendungsprozesse niedrig Abbildung 5: Prozessmodell Dieter Zöbel WS 01/02 14

16 Zusammenfassung Echtzeitbetriebssysteme Stand der Technik: Große Auswahl leistungsfähiger Betriebssysteme für unterschiedliche Anwendungsfelder im Bereich der Echtzeitsysteme Aufgreifen von Konzepten und Methoden der Theorie der Echtzeitsysteme durch die Hersteller von Echtzeitbetriebssystemen Bestrebungen zur Standardisierung, insbesondere auf der Ebene von Systemaufrufen Mängel beim jetzigen Stand der Technik Durchgängigkeit bei den Phasen der Software- Entwicklung (Analyse Entwurf Implementierung) Leichtferigkeit ggf. Irreführung im Umgang mit feststehened Begriffen (Latenzzeiten, Prioritätsvererbung,... ) Testbarkeit von Versprechungen der Hersteller von Echtzeitbetriebssystemen (Test-Suiten, Benchmarks,... ) Dieter Zöbel WS 01/02 15

17 Schluss 16

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