Echtzeitprogrammierung und Echtzeitverhalten von Keil RTX. Frank Erdrich Semester AI 7

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1 Echtzeitprogrammierung und Echtzeitverhalten von Frank Erdrich Semester AI 7

2 Inhalt Einleitung Echtzeit und Echtzeitsysteme Echtzeitprogrammierung Real-Time Operating System Keil RTOS RTX Zusammenfassung 2

3 Einleitung Requirements Space einer Echtzeitanwendung (Quelle: Measuring the Performance of Real-Time Systems) 3

4 Echtzeit und Echtzeitsysteme Echtzeit: Unter Echtzeit versteht man den Betrieb eines Rechensystems, bei dem Programme zur Verarbeitung anfallender Daten ständig betriebsbereit sind, derart, dass die Verarbeitungsergebnisse innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne verfügbar sind. Die Daten können je nach Anwendungsfall nach einer zeitlich zufälligen Verteilung oder zu vorherbestimmten Zeitpunkten anfallen. nach DIN Echtzeitsystem: Ein Echtzeitsystem ist ein System, bei dem der Zeitpunkt, zu dem Ausgaben erzeugt werden, bedeutend ist. Das liegt für gewöhnlich daran, dass die Eingabe mit einigen Änderungen der physikalischen Welt korrespondiert und die Ausgabe sich auf diese Änderungen beziehen muss. Die Verzögerung zwischen der Zeit der Eingabe und der Zeit der Ausgabe muss ausreichend klein für eine akzeptable Rechtzeitigkeit sein. Oxford Dictionary of Computing 4

5 Echtzeit und Echtzeitsysteme Anforderungen an Echtzeitsysteme: Rechtzeitigkeit Reaktion auf Events innerhalb definierter Zeitschranken Trotzdem logisch korrekte Ergebnisse Gleichzeitigkeit Gleichzeitige Behandlung mehrerer Events Verfügbarkeit Keine Unterbrechung des Ablaufs durch Reorganisation von Speicher oder anderen Ressourcen 5

6 Anforderungen: Rechtzeitigkeit Festlegung verschiedener Zeitschranken Genauer Zeitpunkt Spätester Zeitpunkt Frühester Zeitpunkt Zeitintervall 6

7 Anforderungen: Rechtzeitigkeit Weiche Echtzeit(systeme) Verletzung von Deadlines tolerierbar Keine Gefährdung der Umgebung Beispiel: Audiowiedergabe Aussetzer beim abspielen 7

8 Anforderungen: Rechtzeitigkeit Harte Echtzeit(systeme) Verletzung von Deadlines nicht tolerierbar Katastrophale Folgen bei Nichtbeachtung Beispiel: Airbag 8

9 Echtzeit realisieren Real-Time Service timeline (Quelle: Real-Time Embedded Systems and Components) 9

10 Echtzeit realisieren Unterbrechungsgesteuerte Programmierung Kritische Programmteile in ISR (Interrupt Service Routine) Lange Berechnungen in der Main-Schleife Main Loop Vorteile: Relativ einfach Programmierbar Kein unnötiger Overhead Ressourcenschonend Nachteile Schwer nachvollziehbarer Programmablauf ISR ISR ISR 10

11 Echtzeit realisieren Programmierung mit RTOS Unterprogramme laufen als Tasks Scheduler steuert Ausführung der Tasks Vorteile Faire Verteilung der CPU-Zeit Gleichzeitigkeit der Tasks Nachteile Overhead durch Kontext-Switch Vergrößerung des Programms durch RTOS Erhöhter RAM-Bedarf ISR ISR Programm Segment Programm Segment Programm Segment 11

12 Echtzeitprogrammierung System muss definiertes Echtzeitverhalten zeigen 2 Programmieransätze Synchrone Programmierung Asynchrone Programmierung 12

13 Synchrone Programmierung Auch zeitgesteuerte Programmierung genannt Festlegung des zeitlichen Verhaltens schon vor der Ausführung Periodische Unterbrechung der Teilprogramme Nur periodische Ereignisse, die gepuffert werden sollten Task 1 Task 2 Task 3 Task 1 Task 2 Task 3 Zeit 13

14 Synchrone Programmierung Vorteile Festes, vorhersagbares Zeitverhalten Einfache Analyse und Test des Systems Rechtzeitigkeit und Gleichzeitigkeit sehr gut planbar Für sicherheitsrelevante Systeme geeignet Nachteile Geringe Flexibilität gegenüber Änderungen Reaktion auf aperiodische Ereignisse nicht vorgesehen 14

15 Asynchrone Programmierung Auch ereignisgesteuerte Programmierung genannt Unterbrechung durch periodische und aperiodische Ereignisse, sofortige Reaktion darauf möglich Anfällig auf viele gleichzeitige Events Programmablauf schwer nachvollziehbar Scheduler notwendig Task 3 Task 3 Task 1 Task 2 Task 2 Task 1 Zeit 15

16 Asynchrone Programmierung Vorteile Flexibler Programmablauf, Programmstruktur Reaktion auf periodische und aperiodische Ereignisse Nachteile Rechtzeitigkeit nicht in jedem Fall im Voraus garantierbar Prioritätsabhängige Zeitschwankungen Analyse und Test schwieriger als bei synchroner Programmierung 16

17 Real-Time Operating System RTOS: Real-time in operating systems: the ability of the operating system to provide a required level of service in a bounded response time Nach Posix b Erfüllung der Anforderungen: Gleichzeitigkeit Rechtzeitigkeit Verfügbarkeit Realisierung durch Scheduler 17

18 RTOS - Scheduler Kooperatives Scheduling Task muss CPU freiwillig abgeben Keine Synchronisierung notwendig Keine Unterbrechung eines Tasks möglich Keine Prioritäten möglich Task 3 Freiwille Abgabe der CPU Task 2 Task 1 Task 1 Zeit 18

19 RTOS - Scheduler Präemptives Round Robin Zeitschlitzverfahren Höher priorisierte Tasks verdrängen niederpriorisierte Tasks Synchronisierung notwendig: Deadlockvermeidung Zugriff auf gemeinsame Speicherbereiche T3:P3 T3:P3 T2:P2 T2:P2 T1:P1 T1:P1 T T E T T T Zeit 19

20 Keil RTOS RTX RTX Real-Time executive Teil der Real-Time Library RL-ARM Für ARM7, ARM9 und Cortex-M3 Controller RTX Kernel Mutex Memory Pool Mailbox Delay & Interval Event & Semaphore Scheduler Quelle: 20

21 RTX - Kurzdaten Unbegrenzte* Anzahl Tasks max. 250 aktiv Unbegrenzte* Anzahl Mutexes, Semaphores, Mailboxes Unbegrenzte* Anzahl UserTimer Max. 16 Events pro Task Speicherbelegung Kernel: ca. 4,5 kb Programm-, 350 Byte Datenspeicher Task: TaskStack + 52 Byte Konfiguration über RTX_Config.c (max. Anzahl Tasks, OS Tick, Scheduling ) * Begrenzt durch max. Datenspeicher 21

22 RTX - Scheduling Kooperatives Scheduling Abgeben der CPU mit os_dly_wait() oder os_task_pass() Präemptives Scheduling Round Robin mit Prioritäten Taskwechsel, wenn höher priorisierter Task aktiv wird 22

23 RTX - Echtzeitprogrammierung Keine direkte Unterstützung für synchrone Echtzeitprogrammierung Asynchrone Echtzeitprogrammierung durch Scheduling mit Round Robin Multitasking Asynchrone Events von anderen Tasks oder extern Synchronisation mit Semaphoren und Mutexen Prioritäten für Echtzeittasks 23

24 RTX - Echtzeitverhalten Gründe für ein aktiv werden höher priorisierter Tasks Ablaufen eines Delays Event an den Task Mutex wird freigegeben, auf den der Task wartet Nachricht über Mailbox an den Task Freiwerden einer Mailbox, an die ein Task eine Nachricht senden möchte Verringerung der Priorität der aktuellen Task 24

25 RTX - Echtzeitverhalten Abhängig von der Echtzeitanwendung Verschiedene Controller und Taktfrequenz beeinflussen das Echtzeitverhalten Wichtige Kenngrößen sind Interrupt Latenzzeit und Task Switch Time Task Switch Time Interrupt Latenz Task 1 Scheduler Task 2 Task 1 Zeit 25

26 RTX Echtzeit Kenngrößen Vergleich der Task Switch Time und Interrupt Latenz zwischen, Segger embos und CMX-Systems CMX RTX (ARM7 µcontroller, Angabe in Taktzyklen) RTOS Task Switch Time Interrupt Latenz RTX embos 283 n.d. CMX-RTX Maximale Task Switch Time weniger al 6 72 MHz 26

27 Zusammenfassung Echtzeittauglichkeit von Projekt zu Projekt zu überprüfen Aktuelle Technik mit kleinem Memory Footprint Unterstützung aller wichtigen Betriebssystemelemente Nicht für andere Controller verfügbar 27

4. Echtzeitaspekte der Software

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