HW/SW CODESIGN. Echtzeitverhalten. Mehmet Ozgan November 2015

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1 HW/SW CODESIGN Echtzeitverhalten 17. November 2015 Mehmet Ozgan

2 ÜBERBLICK 1. Echtzeitsysteme 2. Hardware im Zeitbereich 3. Software im Zeitbereich 2

3 ECHTZEITSYSTEME

4 REAL-TIME SYSTEM Ein Echtzeitsystem muss schnell sein? vorhersagbar sein? sicher (secure) sein? rechtzeitig Ergebnisse liefern? fehlerfrei arbeiten?... 4

5 DEFINITION Real-Time Computer System (Prof. Kopetz) A real-time computer system is a computer system where the correctness of the system behavior depends not only on the logical results of the computations, but also on the physical time (instant) when these results are produced. 5

6 DEFINITION Real-Time Computer System (Prof. Kopetz) A real-time computer system is a computer system where the correctness of the system behavior depends not only on the logical results of the computations, but also on the physical time (instant) when these results are produced. korrekte Ergebnisse zum richtigen Zeitpunkt produzieren 5

7 DEADLINE Der Zeitpunkt zu dem ein Resultat produziert werden muß heißt Deadline. soft: Ergebnis nach Deadline noch gültig, nichts passiert firm: Ergebnis nach Deadline ungültig, nichts massiert hard: Ergebnis nach Deadline ungültig, katastrophale Auswirkung! 6

8 ANFORDERUNGEN Funktionale Anforderungen Datensammlung und -überwachung, Prozesssteuerung, Datenkommunikation etc. Temporale Anforderungen Rechtzeitigkeit, Vorhersagbarkeit etc. Zuverlässigkeitsanforderungen Verläßlichkeit, Sicherheit, Wartbarkeit, Verfügbarkeit, Vertraulichkeit etc. 7

9 KLASSIFIKATIONEN Hard vs. Soft Real-Time System Fail Safe vs. Fail Operational Guaranteed Timeliness vs. Best Effort Resource Adequate vs. Resource Inadequate Event-Triggered vs. Time-Triggered... 8

10 HARD VS. SOFT REAL-TIME SYSTEM Charakteristik hard soft Antwortzeit hard soft Hochlastverhalten vorhersagbar verringert Fehlererkennung System Benutzer Sicherheit kritisch nicht kritisch Granularität Millisekunde Sekunde 9

11 ECHTZEIT-KOMPONENT Ein Echtzeit-Komponent besteht aus Hardware Software innerem Zustand zeitbewußt Communication Interface Assumption Coverage 10

12 ECHTZEIT-KOMPONENTEN Bus echtzeitfähig? Custom Hardware bzw. FPGA steuern 11

13 ECHTZEITKOMMUNIKATION interne bzw. externe Kontrolle Synchronisierung Vorhersagbarkeit deterministisch rechtzeitig low complexity testing Übertragungsgeschwindigkeit Richtungsabhängigkeit 12

14 HARDWARE IM ZEITBEREICH

15 SYNCHRON VS. ASYNCHRON Synchron Zeitstempel durch Takt vorhersagbar Asynchron schwer vorherzusagen 14

16 UNSICHERHEITEN gut vorhersehbar Beispiel: LM555 Timer Temperature Versorgungsspannung 15

17 SOFTWARE IM ZEITBEREICH

18 TASK t r : Zeitpunkt, ab dem der Task ausgeführt werden kann t s : Zeitpunkt des Tarts des Tasks t c : Zeitpunkt der Komplettierung des Tasks t d : Deadline des Tasks 17

19 CHARAKTERISIERUNG VON TASKS Nach ihrer Wichtigkeit kritische Tasks unkritische Tasks Nach dem Zeitpunkt ihres Auftretens periodische Tasks aperiodische Tasks sporadische Tasks Nach Abhängigkeiten von anderen Tasks unabhängige Tasks (simple tasks) abhängige Tasks (complex tasks) 18

20 TASK-MODELLE 19

21 UNSICHERHEITEN Abstraktion von der Hardware Pipelining Scheduling Caches Virtueller Speicher gemeinsam genutzte Resourcen 20

22 MAßNAHMEN Cache vermeiden Pipelining vermeiden Verwendung eines Echtzeitschedulers offline Scheduling (möglich?) WCET Analyse 21

23 ECHTZEITSCHEDULING 22

24 MODELLE UML Marte (Modeling and Analysis of Real-Time and Embedded Systems) Erweiterung zu UML OMG (Object Management Group) standartisiert SDL-RT (Specification and Description Language for Real-Time) Modellierung von Kommunikatiossystemen TRoS (Time and Resource oriented Statecharts) Zustandsgraphen modelliert 23

25 TOOLS SCADE Produkt von Esterel Technologies modellbasierte Entwicklung sicherhetisrelevanter Software Codegenerator Design Verifier RTDS (Real-Time Developer Studio) Tool von PragmaDev unterstützt SDL-RT Code generator, Model checking, Testing usw. DREAM (Distributed Real-Time Embedded Analysis Method) Formal Verification und Analyse von Distributed Real-Time und Embedded Systems Model-Checker für schedulability Analyse 24

26 ZUSAMMENFASSUNG fast is not real-time notwendig um Deadlines einzuhalten Hardware: Unsicherheiten gut vorhersehbar Software: Unsicherheiten nicht vorhersehbar Software hat keine Timing-Information 25

27 LITERATURVERZEICHNIS Hermann Kopetz»Real-Time Systems: Design Principles for Distributed Embedded Applications, 2nd Edition«VO-Folien von Echtzeitsysteme (SS 14) LM555 Timer Datasheet LM555.pdf SCADE Systems PragmaDev: DREAM: 26