Fragenkatalog Echtzeitsysteme/Realzeitsysteme. Jürgen Quade

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1 Fragenkatalog Echtzeitsysteme/Realzeitsysteme Jürgen Quade

2 Fragenkatalog Echtzeitsysteme/Realzeitsysteme von Jürgen Quade V1.4, 31. Januar 2008 Versionsgeschichte Version $Revision: 1.1 $ $Date: 2005/01/25 14:07:22 $ Geändert durch: $Author: quade $

3 Inhaltsverzeichnis Fragenkatalog Echtzeitsysteme/Realzeitsysteme... 1 iii

4 iv

5 Fragenkatalog Echtzeitsysteme/Realzeitsysteme Hochschule Niederrhein, FB03 Jürgen Quade Anmerkung: Anhand der folgenden Fragenliste können Sie Ihre Kenntnisse, die sie im Fach Echtzeitsysteme erworben haben, abprüfen. In ähnlicher Art werden Ihre Kenntnisse auch in der Klausur, insbesondere im Teil ohne Unterlagen, abgeprüft werden. Mögliche Fragestellungen könnten sein: 1. Was ist ein Echtzeitsystem? 2. Erläutern Sie den Unterschied zwischen harter- und weicher Echtzeit anhand der Nutzenfunktion. 3. Wie lauten die beiden Echtzeitbedingungen? 4. Was bedeutet»preemptiv«? 5. Nach welcher Faustregel werden Prioritäten verteilt? 6. Welche Reaktionszeiten kennen Sie? 7. Gegeben seien die folgenden Verarbeitungs- und Prozesszeiten... Verteilen Sie Prioritäten und geben Sie auf grafischem Wege die maximale Reaktionszeit der niederpriorsten Task an. 8. In einem Prozess treten zwei Ereignisse mit der Periode t P1 =3ms und t P2 =6ms auf. Tritt das erste Ereignis auf, fällt eine Rechenlast von t V1 =2ms an, beim zweiten Ereignis von t V2 =2ms an. a. Zeichnen Sie die Anforderungsfunktion. b. Geben Sie die Ereignisdichtefunktion an. c. Ist eine schritthaltende Bearbeitung der Aufgabe möglich? Skizzieren Sie hierzu die Rechenzeitanforderungsfunktion C ges. 9. Welche Komponenten bilden den Rechnerkern? 10. Worin besteht der Unterschied zwischen einer klassischen CPU und einem Mikrocontroller? 11. Ein Prozessorbus besteht aus mehreren semantisch unterscheidbaren Leitungsbündeln. Welche sind dieses? 12. Welche Arten von Speicherbausteinen kennen Sie? 13. Skizzieren Sie einen Dualport-Ram Baustein. Auf welche zwei Aspekte ist bei der Programmierung zu achten? 14. Was versteht man unter DMA? 15. Nennen und beschreiben Sie die Phasen beim DMA-Betrieb. 1

6 Fragenkatalog Echtzeitsysteme/Realzeitsysteme 16. Skizzieren Sie den prinzipiellen Aufbau eines Ein-/Ausgabemoduls. 17. Nennen und beschreiben Sie die beiden grundsätzlichen Adressierungsarten der Kommunikation. 18. Kann das CSMA/CA Verfahren als»echtzeitfähig«angesehen werden oder nicht? Begründung! 19. Was ist ein Feldbus? Welche Vorteile hat die Verwendung eines Feldbus? Was sind seine Nachteile? 20. Was ist in der Kommunikationstechnik der Unterschied zwischen einer»queued«und einer»buffered«übertragung? 21. Skizzieren Sie das Zugriffsverfahren beim CAN-Bus. 22. Wie läßt sich die Verfügbarkeit in Abhängigkeit von der Zeit, der Reparatur- und der Ausfallrate berechnen? 23. Nennen Sie den Unterschied zwischen der Verfügbarkeit und der Dauerverfügbarkeit. 24. Durch welche Maßnahmen, die nicht auf Redundanz beruhen, läßt sich die Verfügbarkeit eines Systems erhöhen? 25. Was versteht man unter High Availability (HA)? In welchen vier Bereichen können Maßnahmen ergriffen werden, um die Zuverlässigkeit zu steigern? 26. In welchen Bereichen können Management-Maßnahmen ansetzen, um die Zuverlässigkeit eines Systems (HA) zu erhöhen? 27. Skizzieren Sie die prinzipielle Betriebssystemarchitektur. 28. Durch welchen»trick«wird das Multitasking in einem Betriebssystem realisiert? 29. Skizzieren Sie das Flußdiagramm einer Interrupt-Service-Routine in einem Echtzeitbetriebssytem. 30. Was ist ein Prozess-Kontrollblock (PCB)? Welche Informationen enthält er? 31. Skizzieren Sie die möglichen Zustände und Zustandsübergänge einer Task in einem Echtzeitbetriebssystem (Beschriftung). 32. Was sind die Aufgaben der Memory-Management-Unit? 33. Welche zwei Verfahren der Adressumsetzung kennen Sie (Skizze)? Worin liegt der Unterschied? 34. Beschreiben Sie den Aufbau eines Seitendeskriptors. 35. Was ist ein Gerätetreiber? 36. Nennen Sie mindestens 5 Systemfunktionen, über die man applikationsseitig auf Geräte (Peripherie) zugreifen kann? 37. Welche Aufgaben hat das Betriebssystem (I/O-Subsystem) im Kontext der Gerätetreiber? 38. Warum sollte man nicht ohne Gerätetreiber auf Peripherie zugreifen? 39. Welche Funktionen muß ein Gerätetreiber besitzen und wann werden diese aufgerufen? 40. Über welchen Mechanismus kann die Beziehung zwischen symbolischer Bezeichnung eines Gerätes und dem entsprechendem Gerätetreiber hergestellt werden. 41. Welche Instanz versetzt eine Applikation, die auf ein Gerät blockierend zugreift, in den Zustand»wartend«(Kernel, Gerätetreiber oder Service auf Userebene)? 42. Skizzieren Sie den Datenfluß beim Aufruf der Funktion fread. 43. Kann man innerhalb des Gerätetreibers direkt auf den Datenbereich der Applikation zugreifen (Begründung)? 44. Geben Sie die möglichen Verzögerungszeiten (Latencytimes), die zwischen dem Erzeugen eines Ereignisses und dem Starten einer Task vergehen können, an. 2

7 45. Wozu dient ein Filesystem? Fragenkatalog Echtzeitsysteme/Realzeitsysteme 46. Was ist ein Systemcall? Geben Sie für die aufgeführten Funktionen an, ob es sich um Bibliotheksfunktionen oder Systemcalls handelt: Funktion Syscall/Library Bei Libraryfunktion verwendeter Syscall read fwrite printf adjtimex sin (sinus) fork 47. Grenzen Sie die folgenden Bibliotheksarten gegeneinander ab: statische Library shared Library dynamische Library 48. Welche Probleme kann es bei Verwendung von Zeitgeber geben? 49. Gegeben seien die konstanten Verarbeitungs- und Prozesszeiten der folgenden Tasks. Geben Sie die Rechnerkernbelegung beim Deadline-Scheduling an und kennzeichnen Sie mögliche Deadlineverletzungen Nennen Sie die Bewertungskriterien für Scheduler. Welche Kriterien haben im Umfeld der Echtzeitsysteme die meiste Bedeutung? 51. Was sind Scheduling-Points? 52. Nennen Sie den Unterschied zwischen statischer und dynamischer Prozessorzuteilung (Scheduling). 53. Skizzieren Sie das in POSIX b verwendete Schedulingverfahren. 54. Wie lautet die POSIX-Funktion, um einen Thread zu erzeugen? 55. Aufgrund welcher Eigenschaften sind Standard-Betriebssysteme nur bedingt realzeitfähig? Durch welche Systemerweiterungen lassen sich diese Eigenschaften beeinflussen? 56. Welche zwei Möglichkeiten gibt es, Standardbetriebssysteme realzeitfähig zu machen (Skizze). 57. Was ist ein Semaphor? 58. Erklären Sie in Stichworten den Unterschied zwischen Programm, Task und Thread. 59. Was ist eine critical section? 60. Wie kann es zu einem Deadlock kommen und wie kann man dieses verhindern? 61. Was ist Prioritätsinversion (Skizze) und was kann man dagegen unternehmen? 62. Was bedeutet der Begriff Hardware/Software Codesign? 63. Was ist ein eingebettetes System? 64. Für ein mechatronisches System gilt das dargestellte Zustandsübergangsdiagramm. Wie werden die beiden Zustandsübergangswahrscheinlichkeiten r und s bezeichnet? 3

8 Fragenkatalog Echtzeitsysteme/Realzeitsysteme r funktions fähig ausge fallen s Skizzieren Sie für die drei im folgenden aufgeführten (r,s)-wertepaare die Verfügbarkeitsfunktion. (Zum Zeitpunkt t=0 soll das Gerät im Zustand»funktionsfähig«sein.) r(1/t) Fall Fall Fall s(1/t) 65. Innerhalb eines Programms, welches auf einem Prozessor mit Segmentierung (80x86) abläuft, wird folgende logische Adresse verwendet: Segment: 0x15FA, Offset: 0x321E. a. Auf welche Adresse wird physikalisch zugegriffen? b. Welches Problem ergibt sich bei der Verwendung von Adressen mit Segment und Offset? c. Geben Sie die Adresse in normalisierter Form an. 66. Ein Mikroprozessor kann mit Hilfe seiner Adreßleitungen einen logischen Adreßraum von 64 KByte ansprechen. Mit Hilfe eines Adreßumsetzspeichers soll nun ein physikalischer Adreßraum von 256KByte von diesem Prozessor aus adressiert werden, wobei mit Blöcken zu je 8 KByte gearbeitet wird. a. Wieviele Adreßleitungen stehen zur Verfügung? b. Wieviele Adreßleitungen werden benötigt? c. Welche Größe besitzt der Adreßumsetzspeicher? d. Zeichnen Sie das Blockschaltbild der Speicherverwaltung. 67. Nennen Sie den Unterschied zwischen einem Signal und einem Event. 68. Warum muß beim Zugriff auf Peripherieregister in der Programmiersprache C oftmals das Schlüsselwort volatile bei der Variablendeklaration verwendet werden? Was bedeutet das Schlüsselwort und in welchen Fällen muß es eingesetzt werden? 69. Was versteht man unter einer ereignisgesteuerten Applikation und was unter einer zeitgesteuerten Applikation? 70. Was ist HW/SW-Codesign? Was versteht man in diesem Zusammenhang unter dem Begriff»Partitionierung«? 71. Was sind die (Zwischen-)Produkte beim Entwurf eingebetteter Systeme? 72. Was ist eine Host/Target-Entwicklung? Wofür benötigt man einen Cross-Compiler? 73. Durch welche beiden wesentlichen Faktoren hängt in einem Echtzeitsystem die Brauchbarkeit eines Ergebnisses ab? Welche beiden Komponenten bestimmen diese Faktoren? 74. Was versteht man unter einer Ressourcen-Preallokation? 4

9 Fragenkatalog Echtzeitsysteme/Realzeitsysteme 75. Welche beiden Arten von Datenreduktionsverfahren werden unterschieden? Nennen Sie geeignete Einsatzbeispiele. 76. Geben Sie den Huffman-Tree des folgenden Textes an: Ganz Gallien ist von den Römern besetzt. Ganz Gallien? Welche Datenreduktionsrate erreichen Sie im Vergleich zu einer zeichenweisen 8 Bit Kodierung? 77. Nennen Sie die beiden wichtigsten Kriterien (Eigenschaften) bei der Auswahl eines Realzeitalgorithmus? Welche zwei Varianten derartiger Algorithmen werden prinzipiell unterschieden? Nennen Sie jeweils einen Vertreter dieser Varianten und geben Sie geeignete Einsatz-Beispiele an. 78. Was verstehen Sie unter»space-time tradeoff«und»time-space tradeoff«? 79. Nennen Sie die drei wichtigsten Eigenschaften an eine Hashfunktion. 80. Hat man wenig bis keine Information über den Lösungsraum eines Problems bzw. einer Aufgabe, setzt man häufig das Monte Carlo verfahren ein. Skizzieren Sie dieses Verfahren. Worin liegt der Unterschied zum Las Vegas Verfahren? 81. Welche Aspekte unterscheiden einen evolutionären Algorithmus von einem rein randomisierten Algorithmus? 82. Warum können für viele Probleme keine iterativen Suchalgorithmen eingesetzt werden? 83. Vervollständigen Sie die folgende Tabelle: Fuzzy Logik Neuronale Netze Genetische Algorithmen Simulated Annealing Monte Carlo Las Vegas Einsatz heuristisch zufallsbasiert lernend 84. Gegeben ist folgender Prozess... a. Erstellen Sie das zugehörige Petrinetz. b. Ist das Netz deadlockfrei (Begründung)? 85. Erklären Sie den Unterschied zwischen einem Semaphor und einem Spinlock. 86. Vervollständigen Sie die nachfolgende Tabelle bezüglich der Einsatzfelder von Synchonisationsmethoden zum Schutz kritischer Abschnitte: Methode User Level UP: Kernel Level SMP: Kernel Level Unterbrechungssperre Spinlocks Semaphore 87. Kennzeichnen Sie die Unterbrechungsebenen innerhalb des Betriebssystems (Skizze). Welche Ebenen sind in einem (modernen) Linux-Kernel unterbrechbar, welche nicht? 88. Was versteht man unter horizontaler Unterbrechbarkeit? 89. Was versteht man unter vertikaler Unterbrechbarkeit? 5

10 Fragenkatalog Echtzeitsysteme/Realzeitsysteme 90. Warum ist es wichtig, das Unterbrechungsmodell eines Betriebssystems zu kennen? 91. Wie oft kann ein und dieselbe Interrupt-Service-Routine im Linux-Kernel bei einer Vierprozessormaschine parallel laufen? 92. Auf welcher Ebene werden Systemcalls abgearbeitet? Wie oft kann ein und derselbe Systemcall im Linux-Kernel bei einer Vierprozessormaschine parallel laufen? 93. Was versteht man unter CPU-Shielding, was unter CPU-Affinität? 94. Welche Möglichkeiten bieten moderne Mehrprozessormaschinen für die Realisierung von Realzeitsystemen (Stichwort CPU-Affinität)? 95. Ein Mehrprozessorsystem soll unter Linux zur Steuerung eines Realzeitproblems eingesetzt werden. Welche (drei) Möglichkeiten haben Sie zur Lösung dieser Aufgabe? 96. Gegeben sind die folgenden Rechenprozesse inklusive deren maximal zulässiger Reaktionszeit (t Dmax,i ). Sie sollen ein Echtzeit-System aufbauen. Hierzu steht Ihnen eine Zweiprozessormaschine zur Verfügung, bei der eine CPU exklusiv zur Bewältigung der zeitkritischen Aufgaben reserviert werden soll. Job temax,i tpmin,i tdmin,i tdmax,i A 100ms 300ms 0ms 300ms B 150ms 450ms 0ms 450ms C 200ms 600ms 0ms 1400ms D 400ms 800ms 0ms 1800ms a. Berechnen Sie die Gesamtauslastung des Systems? Warum ist obwohl die Auslastung 100 Prozent liegt eine Verarbeitung in Echtzeit prinzipiell möglich? b. Ordnen Sie die Rechenprozesse einem der beiden Prozessoren zu. c. Welche Auslastung hat die jeweilige CPU damit? d. Ist eine Echtzeitverarbeitung möglich? e. Welche CPU muss»geshieldet«werden? 6

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