Echtzeitsysteme. Dieter Zöbel. Universität Koblenz-Landau Fachbereich Informatik, Institut für Softwaretechnik

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1 Echtzeitsysteme Dieter Zöbel Universität Koblenz-Landau Fachbereich Informatik, Institut für Softwaretechnik

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Merkmale von Echtzeitsystemen Harte und weiche Echtzeitbedingungen Determiniertheit und Vorhersagbarkeit Sicherheit und Zuverlässigkeit Das Grundmodell eines Echtzeitsystems Paradigmatische Beispiele Aktionen und Akteure Eingebettete Systeme Prozesse Rechenprozesse Regelungstechnik Echt und Zeit Schnelligkeit und Rechtzeitigkeit Zeit auf dem Rechensystem Echtzeit Beispiele Echtzeitplanung Grundlagen der Echtzeitplanung Prozessmodelle Prozessparameter Echtzeitplanung Planen durch Suchen Planen nach Fristen Planen nach Spielräumen Planen nach festen Prioritäten Planen nach monotonen Raten Planen nach monotonen Fristen Zyklische Planungsverfahren Vergleich der Planungsverfahren Betriebssysteme Merkmale von Echtzeitbetriebssystemen Aufbauprinzipien Speicherverwaltung Datei und Geräteverwaltung i

3 3.5 Treiber Unterbrechungen Beispiele für Echtzeitbetriebssysteme Solaris VxWorks QNX POSIX µitron OSEK/VDX Synchronisierung Grundlagen Prioritätsumkehr Prioritätsvererbung Prioritätsobergrenzen Übersicht zur Prioritätsinversion Rechnernetze Grundlagen Formale Strukturen von Rechnernetzen Aufbau von Rechnernetzen Drahtgebundene und drahtlose Rechnernetze Zugriffsprotokolle Zentralisierte Verfahren Arbitrationsverfahren Markengesteuerte Verfahren Zeitmultiplex-Verfahren Modifikation nicht echtzeitfähiger Zugriffsprotokolle Abschätzung der Echtzeiteigenschaften Prozesse und Zugriffsprotokolle Zeitgesteuerte Zugriffsprotokolle Arbitrierende Zugriffsprotokolle Markengesteuerte Zugriffsprotokolle Modellbildung Entwurfsmuster Modellierungssprachen und Zustandsautomaten Logiken und Algebren Petri-Netze Zeiten und Uhren Echtzeit und physikalische Zeit Uhren und Wecker Uhrsynchronisierung Ausführungzeiten von Anweisungen Ableitung von Zeitbedingungen ii

4 8 Rechnerarchitekturen und Prozessoren Programmiersprachen Softwaretechnik Nachlese 108 iii

5 Kapitel 7 Zeiten und Uhren Im Mittelpunkt dieses Kapitels steht der Begriff der Echtzeit und seine Operationalisierung unter verschiedenen Gesichtspunkten. Am Anfang stehen Forderungen, die mit dem Begriff der Echtzeit in einem Rechensystem verbunden werden sowie der Verfügbarmachung dieser Zeitwerte für Prozesse. Es folgen Überlegungen, die Reaktionszeiten von Prozessen messbar zu machen und in den Zusammenhang mit den zeitlichen Anforderungen technischer Prozesse zu setzen. 84

6 Echtzeitsysteme 7.1. ECHTZEIT UND PHYSIKALISCHE ZEIT 7.1 Echtzeit und physikalische Zeit Bemerkungen zur Zeit Wo nichts geschieht, gibt es auch keine Zeit Aristoteles Bemerkungen zur physikalischen Zeit Messen von Zeit und Konzept der Gleichzeitigkeit (in Anlehnung an [41]) Zeit ist eine unabhängige physikalische Größe Isaac Newton Measurement, in its turn, is associated with its precision, so that simultaneity is an abstraction within the precision of a given measuring instrument (clock). Dieter Zöbel

7 Echtzeitsysteme Heisenbergsche Unschärferelation Es ist unmöglich, Ort und Impuls eines Teilchens zur selben Zeit mit absoluter Genauigkeit zu bestimmen. Folgerung nach Werner Heisenberg: An der scharfen Formulierung des Kausalgesetzes Wenn wir die Gegenwart kennen, können wir die Zukunft berechnen ist nicht der Nachsatz, sondern die Voraussetzung falsch. Wir können die Gegenwart in allen Bestimmungsstücken prinzipiell nicht kennenlernen ECHTZEIT UND PHYSIKALISCHE ZEIT Physikalische Grenzen der Genauigkeit: Das Messen benötigt Energie und hat so Einfluss auf den zu messenden Vorgang a E t h 4π Interpretation: Je genauer man messen will, um so mehr Energie ist dafür aufzuwenden und um so größer ist der Einfluss auf den zu messenden Vorgang. a Planck sches Wirkungsquantum: h = kgm/sec Dieter Zöbel

8 Echtzeitsysteme 7.1. ECHTZEIT UND PHYSIKALISCHE ZEIT Zeit in künstlichen Systemen Die physikalische Zeit definiert sich durch Vorgänge in der Natur, auch Prozesse (Vorgänge in der Zeit) genannt. Zur Modellierung dieser Prozesse gibt es künstliche Systeme: z.b. analoge Modellbildung mit Differenzialgleichungen diskrete Modellbildung mit Differenzengleichungen, Zustandsautomaten oder Petri-Netzen Eine Form eines künstlichen Systems stellt das Rechensystem dar, wobei mit Hilfe einer Uhr die physikalische Zeit gemessen wird. Die ideale Diskretisierung der physikalischen Zeit zum Zweck der Modellierung von technischen Prozessen soll Echtzeit heißen. Dieter Zöbel

9 Standards für die Zeit Ursprung: Astronomische Zeitmessungen Atomuhr (seit 1967): Eine Sekunde ist definiert auf der Basis des Caesium ( 133 Cs) Atoms: Die Sekunde ist das fache der Periodendauer der dem Grundzustandes von Atomen des Nuklids 133 Cs entsprechenden Strahlung. Echtzeitsysteme Zeitwerte: 7.1. ECHTZEIT UND PHYSIKALISCHE ZEIT Temps Atomique International (TAI) in Paris: Mittelwertbildung wichtiger Atomuhren weltweit Universal Coordinated Time (UTC): Anwendungsspezifische Aufbereitung der Zeit (z.b. für GPS) und Orientierung an astronomischen Abläufen (z.b. Einfügen von fehlenden Sekunden durch die Verlangsamung der Erdumdrehung) Differenz aktuell (t seit der letzten Anpassung):TAI(t) = UTC(t) + 32s Dieter Zöbel

10 Diskretisierung der Zeit Echtzeitsysteme 7.1. ECHTZEIT UND PHYSIKALISCHE ZEIT Definition der Genauigkeit auf der Basis der Physikalischen Zeit PT und ihrer Abbildung in die Echtzeit RT : rt : PT RT Es gilt: PT R, RT N Dabei heißt t G entsprechend der Granularität der gewählten Abbildung Bezugszeitspanne. Beispiel: mit c 1, c 0 R rt(t) = c 1 t + c 0 Dieter Zöbel

11 Echtzeitsysteme 7.2. UHREN UND WECKER 7.2 Uhren und Wecker Eine Uhr bildet die analoge physikalische Zeit PT auf dem Wege über eine Diskretisierung (Echtzeit ET ) in eine Uhrzeit CT R ab: oder ct : PT CT ct : RT CT Die Abweichung δ ergibt sich aus der maximalen Differenz der zur physikalischen Zeit: δ = max ct(t 2 ) ct(t 1 ) 1 t 2 t 1 Genauigkeit von Uhren: Bei Atomuhren in etwa δ = 10 14, d.h. einer Abweichung von einer millionstel Sekunde pro Jahr Bei Quarzuhren in etwa δ = 10 5, d.h. eine Abweichung von einer Sekunde pro Tag Dieter Zöbel

12 Perfekte Uhr Echtzeitsysteme 7.2. UHREN UND WECKER Um die Güte von Uhren beurteilen zu können, bedarf es des imaginären Bildes der perfekten Uhr (engl. perfect clock). Für sie gilt die Übereinstimmung mit der physikalischen Zeit: ct p (t) = t Die perfekte Uhr dient als Maßstab für reale Uhren, die die Schwingungen eines Oszillators zählen. Sei f die nominelle Frequenz des Oszillators, dann ist 1/f die nominelle Periode einer Schwingung. Jede Schwingung verursacht ein Zählereignis, auch Tick genannt. Die Zeit bei Echtzeitsystemen wird in der Granularität einer Bezugszeitspanne t G gemessen. Dafür werden üblicherweise die Begriffe der Zeitauflösung (engl. resolution of time) oder der Granularität verwendet. Dieter Zöbel

13 Zählen von Ticks Echtzeitsysteme 7.2. UHREN UND WECKER Das Zählen der Ticks bestimmt die Uhrzeit. Dabei ergeben eine gewisse Anzahl n G von Ticks die Bezugszeitspanne t G. Idealerweise gilt für eine reale Uhr k: 1 n G f = t G = ct k (tick i+n G k ) ct k (tickk) i i 0 Mit tickk i wird ausgedrückt, dass die i-te Schwingung des Osillators vom Zähler der Uhr k erfasst wird. Damit verkörpert die Uhr in sich zwei Granularitäten der Uhrzeit. Die eine misst die Zeit in Ticks: ct k (tick i k) = i 1 f Die andere legt als Einheit die Bezugszeitspanne t G zugrunde: ct k (tick i k) G = j t G Die folgende Beziehung gilt dabei zwischen i und j: i = j n G + z 0 z < n G Dieter Zöbel

14 Drift und Abweichung Echtzeitsysteme 7.2. UHREN UND WECKER Die Drift einer realen Uhr k kann von ihr selbst nicht festgestellt werden, so dass immer gilt: (ct k (tick i+n G k ) ct k (tickk i)) = 1 i > 0 t G Erst mittels Zeitnahme durch eine perfekte Uhr p lässt sich die Drift der realen Uhr k feststellen: δ k (i) = (ct p(tick i+n G k ) ct p (tick i k )) t G i > 0 Eine Drift δ k (i) = 1 über alle i > 0 charakterisiert somit eine perfekte Uhr. Als relative Abweichung oder Driftrate wird das Maß verstanden, bei dem der Wert 0 die perfekte Uhr charakterisiert: ρ k (i) = δ k (i) 1 i > 0 bzw. ρ k = max i>0 {ρ k (i)} Dieter Zöbel

15 Genauigkeit und Gleichlauf (1) Echtzeitsysteme 7.2. UHREN UND WECKER Die (Zeit-)Genauigkeit einer Uhr k (engl. accuracy) steht für die absolute Abweichung, d.h. für die Zeitspanne, um die die reale Uhr k der perfekten Uhr p vor- oder nachlaufen kann: α k (i) = ct p (tick i k) ct k (tick i k) i > 0 Die Präzision (engl. precision)auch Gleichlauf genannt, ist ein Maß dafür, wie sehr zwei Uhren oder ein Verbund von Uhren bei gleicher nomineller Frequenz voneinander abweichen können: bzw. π kl (i) = ct p (tick i k) ct p (tick i l) i > 0 π V (i) = max k,l V {π kl (i)} i > 0 Überlässt man einen Verbund von Uhren sich selbst, dann ist damit zu rechnen, dass ihre Genauigkeit und ihre Gleichlauf langfristig immer mehr nachlassen. Dieter Zöbel

16 Echtzeitsysteme 7.2. UHREN UND WECKER Genauigkeit und Gleichlauf (2) Aufgetragen sind die Zeiten, die die perfekte Uhr sowie die realen Uhren k und l messen. Die Zeitgenauigkeit ρ k und die Abweichung ρ kl vom Gleichlauf der Uhren k und l sind relative Größen und beziehen sich auf die Bezugszeitspanne t G. Beachte, dass in dieser Abbildung die Diskretisierung durch das Zählen von Ticks nicht dargestellt ist. Dieter Zöbel

17 Beschaffung der Uhrzeit Echtzeitsysteme 7.2. UHREN UND WECKER Dafür bieten Betriebssysteme und Laufzeitsysteme Systemaufrufe an. Dabei ist zu bedenken, dass der Systemaufruf selbst Rechenzeit beansprucht und zwischenzeitlich eine Prozessumschaltung erfolgen kann. Selbst im günstigten Fall ist der Zeitwert schon gealtert, wenn er im Rechnsystem verwendet wird. Außerdem kann es sein, dass die Zeitauflösung, die das Betriebsoder Laufzeitsystem anbietet, feiner ist, als die Auflösung, die von der physikalischen Uhr des Rechensystems bereitgestellt wird. Dieter Zöbel

18 Echtzeitsysteme 7.3. UHRSYNCHRONISIERUNG 7.3 Uhrsynchronisierung Es geht darum, verteilte Uhren aufeinander abzustimmen. Dabei kann es das Ziel sein, Uhren möglichst genau an die UTC anzunähern oder ein System von Uhren möglichst gleich laufen zu lassen. Zwei unterschiedliche Größen werden dazu im Weiteren verwendet: DELAY Ist die Zeitspanne, die eine Nachricht von einem Knoten zu einem anderen benötigt. OFFSET Ist die Zeitspanne, die eine Uhr eines anderen Knotens vorausgeht oder nachläuft. Dieter Zöbel

19 Echtzeitsysteme 7.3. UHRSYNCHRONISIERUNG Cristian s Algorithmus (1) Ein Kunde A fragt bei einem Bediener B an, welche Uhrzeit es ist, um seine eigene Uhr neu zu stellen. Dies geht nach folgender Rechnung: ct A = ct B + ct A(t 4 ) ct A (t 1 ) 2 Achtung: Hier kann es auch zu Rückwärtssprüngen in der Uhrzeit kommen. Besser ist es, die Uhr A gedämpft anzupassen. Dieter Zöbel

20 Echtzeitsysteme 7.3. UHRSYNCHRONISIERUNG Cristian s Algorithmus (2) Berechung auf der Basis von DELAY und OFFSET, Zeitstempel für das Senden und Empfangen von Nachrichten voraussetzt. Zunächst die Verzögerung und die Abweichung von A nach B: Schließlich umgekehrt von B nach A: Daraus ergibt sich zunächst DELAY : Ebenso OFFSET : DELAY + OFFSET = ct B (t 2 ) ct A (t 1 ) DELAY OFFSET = ct A (t 4 ) ct B (t 3 ) DELAY = (ct B(t 2 ) ct A (t 1 )) + (ct A (t 4 ) ct B (t 3 )) 2 OFFSET = (ct B(t 2 ) ct A (t 1 )) (ct A (t 4 ) ct B (t 3 )) 2 Dieter Zöbel

21 Network Time Protocol (1) Echtzeitsysteme 7.3. UHRSYNCHRONISIERUNG Uhrsynchronisierung im Internet Basiert auf UTC Benutzt den Protokollstack: NTP/UDP/IP Kategoriesiert die Uhren in Stratum- Klassen: Stratum 1 Uhren mit hoher Genauigkeit Stratum 2 Lokale Zeit-Server Stratum 3 Typisch: Eingangsrechner zum Intranet Stratum 4 gewöhnliche Rechner im Intranet Stratum 5-16 kaum genutzt Dieter Zöbel

22 Network Time Protocol (2) Echtzeitsysteme 7.3. UHRSYNCHRONISIERUNG Verfahren der Uhrsynchronisation: OFFSET und DELAY Dispersion, d.h. Abschätzung der Vertrauenswürdigkeit basiernd auf der Uhr des Servers und der Stabilität der DELAY -Werte Einsatz von Dämpfungsfunktionen bei der Anpassung der Uhrzeit Anwendung von Heuristiken, z.b. ein OFFSET von mehr als 125ms wird ausgeblendet. Dieter Zöbel

23 Network Time Protocol (3) Echtzeitsysteme 7.3. UHRSYNCHRONISIERUNG Kommando: /usr/sbin/xntpdc -c peers -c sysinfo remote local st poll reach delay offset disp ======================================================================= *storage2.uni-ko =LOCAL(0) system peer: storage2.uni-koblenz.de system peer mode: client leap indicator: 00 stratum: 3 precision: -20 root distance: s root dispersion: s reference ID: [ ] reference time: cf254d49.b6ce505b Tue, Feb :58: system flags: auth monitor ntp kernel stats jitter: s stability: ppm broadcastdelay: s authdelay: s Dieter Zöbel

24 Echtzeitsysteme 7.4. AUSFÜHRUNGZEITEN VON ANWEISUNGEN 7.4 Ausführungzeiten von Anweisungen Methodische Ansätze: systematisches Messen von Anweisungsfolgen. Problem: Übereinstimmung der Messsituation mit der Installationssituation Ableiten von Ausführungszeiten aus dem Quellcode heraus (Basis sind die Befehlsdauern von Anweisungen auf dem Prozessor). Problem: Kontextabhängigkeit von Befehlsdauern Skalierung der Berechung aufgrund der Beobachtung der Rechenzeit. Problem: Aufwand und Sicherheit Dieter Zöbel

25 Echtzeitsysteme 7.5. ABLEITUNG VON ZEITBEDINGUNGEN 7.5 Ableitung von Zeitbedingungen Diese Fragestellung stellt ein bislang wenig untersuchtes Kapitel im Bereich von Echtzeitsystemen dar. Abhängigkeiten: Vorgaben des technischen Prozesses Vorgaben durch die verwendeten Mess- und Stellgeräte Dieter Zöbel

26 [7] Enrico Bini, Giorgio Buttazzo, and Giuseppe Buttazzo. Rate monotonic scheduling: The hyperbolic bound. IEEE Transactions on Computers, 52(7): , July Literaturverzeichnis [1] QNX Operating System. QNX Software Systems Ltd., Kanata, Ontario, Canada, [2] G. R. Andrews. Concurrent Programming. The Benjamin/Cummings Publishing Company, [3] N. Audsley, A. Burns, M. Richardson, K. Tindell, and A. Wellings. Absolute and relative temporal constraints in hard realtime databases. In Proc. of IEEE Euromicro Workshop on Real Time Systems, February [4] N. C. Audsley, A. Burns, M. F. Richardson, and A. J. Wellings. Hard real-time scheduling: The deadline monotonic approach. In Proc. 8th IEEE Workshop on Real-Time Operating Systems and Software, Atlanta, May [5] Algirdas Avizienis, Jean-Claude Laprie, Brian Randell, and Carl E. Landwehr. Basic concepts and taxonomy of dependable and secure computing. IEEE Trans. Dependable Sec. Comput., 1(1):11 33, [6] Arnold Berger. Embedded Systems Design. CMP Books, Lawrence, Kansas 66046, [8] Giorgio C. Buttazzo. Hard Real-Time Computing Systems: Predictable Scheduling, Algorithms and Applications. Kluwer Academic Publishers, [9] Anton Cervin and Johan Eker. Control-scheduling codesign of real-time systems: The control server approach. Journal of Embedded Computing, 1(2): , [10] Robert I. Davis, Alan Burns, Reinder J. Bril, and Johan J. Lukkien. Controller area network (CAN) schedulability analysis: Refuted, revisited and revised. Rael-Time Systems, 35(0): , January [11] Michael L. Dertouzos. Control robotics: The procedural control of physical processes. IFIP Congress, pages , [12] Deutsches Institut für Normung. Informationsverarbeitung Begriffe, DIN Beuth-Verlag, Berlin, Köln, [13] Deutsches Institut für Normung. Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektrischer/elektronischer/programmierbarer elektronischer Systeme, DIN VDE-Verlag, Berlin, [14] Stuart Faulk, John Brackett, Paul Ward, and James Kirby. The core method for real-time requirements. IEEE Software, 9:22 33, September [15] Hugo Fierz. Eingebettete Systeme als Architektur mechanistischer Modelle. mech.pdf, Zürcher Hochschule Winterthur.

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