Echtzeitverhalten. Einleitung. Was bedeutet Echtzeit? Beispiele. Andere Faktoren. Echtzeitsystem und Echtzeitkomponenten

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1 Echtzeitverhalten Einleitung Was bedeutet Echtzeit? Die Interaktion mit der Außenwelt stellt in einem System den Zeitbezug her. Normalerweise will man ein korrektes Ergebnis so schnell wie möglich bekommen. In einem Echtzeitsystem will man das Ergebnis aber auch korrekt und zum richtigen Zeitpunkt bekommen, was den Unterschied zum normalen System darstellt. Zu schnelle Ergebnisse können auch Probleme verursachen. Deadlines Beispiele soft, Ergebnis nach Deadline gültig, System funktioniert weiter (Sicherer Zustand) firm, Ergebnis nach Deadline ungültig, System funktioniert weiter (Sicherer Zustand) hard, Ergebnis nach Deadline ungültig, Katastrophe! (AKW explodiert, Flugzeugabsturz) Autonomes Fahren Interaktives System muss in Echtzeit reagieren sonst kann ein Unfall geschehen. Fließband (Pommes aussortieren) Das System darf nicht zu schnell und nicht zu langsam reagieren, da sonst gute Pommes ausgeworfen werden. Daher können auch zu schnelle Ergebnisse Probleme in Echtzeitsystemen bereiten. Andere Faktoren Andere Faktoren spielen in Echtzeitsystemen auch eine Rolle, wie zum Beispiel Fail-Operational vs. Fail-Safe. Soll das System noch funktionieren (Fail-Operational) und in einen definierten Sicherheitszustand gehen wenn ein Fehlerhafen Zustand auftritt oder soll es sich abschalten (Fail- Safe)? Beispiel: Flugzeug muss Fail-Operational sein und ein Zug kann Fail-Safe sein. Zuverlässigkeit und Ressourcenbedarf spielen in Echtzeitsystem natürlich auch eine Rolle. Sind Redundanzen im System gut oder nicht? - Verweis auf spätere Vorträge. Echtzeitsystem und Echtzeitkomponenten Es gibt drei Hauptkomponenten in einem Echtzeitsystem: Software (Mit Betriebssystem) Custom Hardware FPGA Eine Möglichkeit wäre alles in einen dieser Komponenten zu stecken, normalerweise wird es aber aufgeteilt. Die Custom Hardware sowie der FPGA werden über den Bus von der Software gesteuert. Diese behält die Kontrolle. Der Bus muss natürlich auch echtzeitfähig sein, wie zum Beispiel Abbildung 1: Komponenten TTCAN (Time Triggered CAN). Das Zeitverhalten der einzelnen Komponenten muss für das Design des Gesamtsystems auch bekannt sein.

2 Kenngrößen Echtzeitverhalten Worst-Case Execution Time (WCET): Diese Zeit gibt an ob man im schlechtesten Fall ein Deadline-Miss bekommt oder nicht. Best-Case Execution Time (BCET): Gibt an was der schnellste Ausführungsfall ist. Average-Case Execution Time: Gibt die Durchschnittszeit der Ausführung an. Average-Case und Best-Case: wird eher weniger beachtet da man ein Ergebnis speichern kann und erst zum benötigten Zeitpunkt verwendet. Hardware Bei Hardware hat man delays beispielsweise durch Gatter oder Routing. Auf der niedrigsten Ebene (Gatterebene) ist es theoretisch kein Problem WCET zu determinieren. Bei höherer Abstraktionsebene muss immer Synthetisiert werden und dann eine Post-Layout Simulation gemacht werden oder statisch analysiert werden. Das geschieht in HDLs erst zum Schluss. Bei FPGAs kann das Interconnect delay größer sein als das der Gatter selbst. Daher sind genaue Aussagen über das Zeitverhalten erst nach Partitioning und Place & Route möglich. Bei Adaptionen der Hardware hat man an diesem Punkt natürlich eine große Iterationsschleife (Synthese dauert bei großen Designs sehr lange). WCET-Analyse Postlayout-Gate-Level Simulation Ist sehr aufwendig da das Design immer komplexer wird, bei großen Designs kann es aber auch sein dass man gar keinen Pfad findet da es zu komplex ist. Wenn aber ein solcher Pfad gefunden wurde ist er gültig und man weiß auch welche Eingangsmuster dafür verantwortlich waren. Statische WCET-Analyse Implementierung wird (ähnlich wie bei Software) als Graph abgebildet. Dieser kann dann analysiert werden. Es werden pessimistische Annahmen getroffen da man sich auf einer höheren Abstraktionsebene befindet. Man kann sich aber Anfangs damit orientieren ob eine Implementierung besser in Software oder Hardware realisiert werden soll.

3 Syncron und Asyncron Syncron Asyncron Der Takt stempelt beim syncronen Ansatz ein gewisses Zeitverhalten auf. Man braucht beim syncronen Design einfach nur die Taktzyklen zählen um das Zeitverhalten vorrhersagen zu können. Das Ergebnis kann falsch sein aber man ist nach einer definierten Zeit fertig. Schaltung regelt sich selbst beim übernehmen der Daten (Self-Timed). Im schlimmsten Fall dauert dies ewig und man kann gar nicht vorraussagen wann die Schaltung fertig ist. Daher ist es im Asyncronen Design um einiges schwieriger Zeitverhalten vorherzusagen. Unsicherheiten Unsicherheiten stellen Störfaktoren in der vorhersage von Zeitverhalten dar. Dazu gehört die Exemplarstreuung, Temperatur sowie Versorgungsspannung. Beispiel des Inverters, welches zeigt wie unterschiedlich sich das Propagation-delay bei verschiedener Versorgungsspannung verhält. Abbildung 2: Propagation Delay bei unterschiedlicher Versorgungsspannung Bei großer Feature Size ist die Exemplarstreuung eher gering, wohingegen eine kleine Feature Size große Exemplarstreuungen produziert (Siehe Abbildung2). Software Fast is not Realtime Unsicherheiten In der Software abstrahiert man ausgehend von der Hardware um leichter komplexere Systeme erstellen zu können. Man kann für Echtzeit nicht mehr ganz genau vorhersagen wie lange was dauert. Schedulers bringen Unsicherheiten da Tasks unterbrochen und andere fortgesetzt werden, ist wieder abhängig vom Betriebssystem wann für welchen Task entschieden wird. Pipelining bringt bei flushes ebenfalls Unsicherheiten, wieder abhängig vom Prozessor. Bei Caches (L1 oder L2) gibt es schnellere und langsamere Varianten, wo es wieder fraglich ist in welchen wird was geschrieben (wieder abhängig von Betriebssystem) und dabei treten wieder unterschiedliche Zeitverhalten auf. Beim Virtual Memory hat man wieder dasselbe Problem. Der RAM ist in Wirklichkeit kleiner und der Rest wird auf die Festplatte geschrieben, somit hat man bei einem Zugriff auf die Festplatte

4 mehr Zeitverlust. Gemeinsam genutzte Ressourcen wie der Bus haben nur eine gewisse Kapazität, wenn also viel Verkehr am Bus ist wird der Zugriff wieder langsamer. Beispiel: Simple Task, Complex Task Abbildung 3: Simple Abbildung 4: Complex Task Task Simple Task muss nicht auf Shared Resource warten wie der Complex Task. Dies generiert auch wieder eine Zeitverzögerung. WCET-Analyse Statische WCET Analyse Mit Tools wird der Sourcecode analysiert und somit eine Worst-Case Zeit generiert. Mat hat dabei zwei Probleme, das Pfadproblem (if else welcher ist länger? Heute besser im Griff) und das Stateproblem welches das größere darstellt. Dabei ist die Frage in welchem Zustand sich meine Caches und mein Prozessor befinden. Kann man mit statischer WCET-Analyse nicht feststellen. (Es gibt Tools welches das schätzen, was aber nicht stimmen muss.) Messbasierte WCET Analyse Man legt Eingangsdaten an und misst wie lange es dauert bis die richtigen Ausgangsdaten herauskommen. Man kann eventuell nicht alle Zustände die intern auftreten können durchspielen da es ansonsten sehr lange dauern würde. Gegenmaßnahmen Caches vermeiden, Pipelining vermeiden und einen Echtzeitscheduler verwenden. Bei Offline- Scheduling wird schon im Vorhinein entschieden wer wann drankommt, daher ist man bei neuen Tasks sehr unflexibel. Beispiele für Echtzeitscheduler sind: Fixed Priority Scheduling Rate Monotonic Scheduling Earliest Deadline First Least Laxity Scheduling Static Scheduling

5 Echtzeitbetriebssystem Ein Echtzeitbetriebssystem ist: für den Worst Case optimiert vorhersagbar beim Scheduling einfach ausgeführt (wenig Services, Zeiten gut vorhersehbar) nach garantiert nach einer bestimmten Ausführungszeit fertig Ein traditionelles Betriebssystem ist: für den durchschnittlichen Fall optimiert effizient beim Scheduling für eine große Anzahl an Services ausgelegt (Flexibilität ist wichtig) nicht garantiert nach einer bestimmten Ausführungszeit fertig Beispiel beim Pathfinder auf dem Mars, worauf VxWorks läuft. Modelle Modelle zur Analyse von Zeitverhalten in Systemen: UML Marte (Modeling and Analysis of Real-Time and Embedded systems) Dies ist eine Erweiterung zu UML, welche von der OMG (Object Management Group) standartisiert ist. SDL -RT (Specification and Description Language for Real Time) Dieses Modell wird zur Modellierung von Kommunikationssystemen verwendet. TRoS (Time and Resource oriented Statecharts) Wie der Name schon sagt modelliert man damit Zustandsgraphen. Am Beispiel des Bahnschrankenmodelles sieht man dass die verwendeten Ressourcen sowie deren Priorität beschrieben wird. Diese Modelle werden nicht nur für Echtzeitsysteme eingesetzt. Abbildung 5: Bahnschrankenbeispiel, modelliert mit TRoS

6 Tools SCADE modellbasierte Entwicklung sicherheitsrelevanter Software kommerzielles Produkt von der Firma Esterel Technologies Codegenerator Design Verifier (Model checking) Basiert auf der Programmiersprache Lustre (Lustre ist eine syncrone Datenflussorientierte Sprache) RTDS (Real Time Developer Studio) Diskussion kommerzielles Produkt von PragmaDev Unterstützt SDL-RT Ist ein Codegenerator: kann aus SDL-RT C oder C++ Code erzeugen (Anders als bei SCADE kann hier gleich in C oder C++ entwickelt werden) Testen mithilfe von SDL-RT Warum ist Hardware besser als Software in der Berechnung von Echtzeitverhalten? Hardware: Software: + Weniger Annahmen, es wird weniger abstrahiert + Software baut auf der Hardware auf Hardware ist weniger komplex, Software mehr - Timing Variationen, Typenstreuungen Nicht so sicher bei der Harware + Weniger komplexe Struktur, verglichen mit komplexer Software + Es gibt auch deterministische Scheduler, dabei kann die Ausführungsreihenfolge und deren Zeit vorrausgesagt werden, somit auch der kritische Pfad. ~ Indeterministik wird auch durch Optimierung in Software erzeugt. + Ein befehlt brauch eine bekannte Anzahl an Taktzyklen (Berechenbar) + Trick ist das die Unsicherheiten hinter dem Syncronen Modell versteckt sind, auf diesem Fundament kann die Software sehr schon aufbauen + Mit dem statischen Scheduling hat man die Zyklen und somit ist alles berechenbar, man kann somit genau sagen wann was fertig ist - Software ist in der Struktur komplexer als Hardware, bei schlecht abgedeckten worst case kann das viel schlimmer als bei Hardware sein Statemachine Beispiel; Hardware oder Software? Sobald man eine Wahl hat, hat man immer Ärger mit den Pfaden. Wir sagen es ist Hardware. Generell gilt Optimierung, sei es im Scheduler, in der Hardware und bei den Architekturen, zielt auf average Performance ab und im worst case bringt es nichts. Es kann sogar manchmal Nachteile erzeugen (Pipeline flush). Letztlich muss man alles weglassen um ein berechenbares System zu bekommen. Auf dieser Ebene hat man dann eine Hardware die genau das, was man will, in einer

7 genau vorhergesehenen Zeit tut. Merke: Average Case optimieren bringt ärger, Entscheidungen bringen ärger. Man will bei den Schedulern die WCET nicht zu lange machen, ein bisschen soll es schon optimiert werden aber wenn einer mit einer hohen Priorität kommt dann soll der schon zuerst ausgeführt werden. Es gibt aus diesem Grund schon sehr viele verschiedene Scheduler. Man brauch überall schon Scheduling, wie z.b. : Bus, CPU, Betriebssystem und Virtuelle Maschinen. WCET in Software mag keiner, von den Firmen hört man eine WOET (Worst Observed Execution Time) Der messbasierte Ansatz. Statt Faktor 3 nimmt man halt ca % Aufschlag dann passt es auch so wird Software in der Industrie gemacht (Auch in Automobilfirmen). Sowas wird natürlich über Jahre beobachtet und ist somit nicht ein irgendein Wert. Zusammenfassend ist in syncronen Systemen Hardware und Software berechenbar.

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