Beschreiben sie ein Programkonstrukt für die Realisierung eines Watchdogs

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1 embedded Seite 1 Embedded WS 05/06 Samstag, 26. Januar :08 Aufgabe 1 Vorgehensmodel (8 Punkte) Unter welchen Umständen empfiehlt sich die Softwareentwicklung nach der BottomUp Methode? Begründen sie ihre Antwort. Software soll wiederverwendbar sein. Wenn während der Entwicklung die Software schon getestet werden soll/muss Um die Schnittstellen zu Modulen nach oben klar zu definieren Aufgabe 2 Watchdog (18 Punkte) c) Was versteht man unter einem Watchdog Ein Watchdog ist eine Komponente im System, die die korrekte Funktion anderer Komponenten im System überwacht. Diese zu überwachenden Komponenten müssen dem Watchdog in vordefinierten Zeitabständen mitteilen, dass sie noch da sind und rechtmäßig arbeiten. Welche Voraussetzungen müssen gegeben sein, damit sich ein Watchdog in Software realisieren lässt? Da der Watchdog in einer Softwareimplementierung in einem eigenen Task ablaufen muss, muss das Gesamtsystem Multitasking fähig sein. Das SchedulingVerfahren muss bekannt sein. Der Watchdog sollte die höchste Prio im System haben Beschreiben sie ein Programkonstrukt für die Realisierung eines Watchdogs d) Welche Überwachungszeit können sie aus den Beispielen aus und c) garantieren Die Zeit hängt vom Scheduler ab. Bei SPP (Static Preemtive Priority) kann die Überwachungszeit selber definiert werden, da Watchdog die höchste Prio hat. Hier muss allerdings beachtet werden dass der Watchdog sich zwischenzeitlich immer schlafen legt, damit auch niedrigere priorisierte Prozesse ablaufen können. Bei Round Robin hängt die Überwachungszeit von der Anzahl der laufenden Tasks ab. (Anzahl der Tasks*Dauer einer Zeitscheibe)

2 embedded Seite 2 Aufgabe 3 Dauerbetrieb (10 Punkte) Welche Probleme können bei einem unbeaufsichtigten Dauerbetrieb von Embedded Systemen auftreten? Beschreiben sie 2 Probleme. Durch den Dauerbetrieb werden die Komponenten stärker beansprucht als bei Standardsystemen. Zum Beispiel Überhitzung oder Verschleiß. Embedded Systeme laufen oft oder meistens ohne Beaufsichtigung. Deshalb muss das System Fehler zum einen möglichst selber erkennen und auch selber wissen wie es diese zu handhaben hat. Welchen Einfluss haben die von Ihnen unter beschriebenen Probleme auf den Entwicklungsprozess? Beschreiben Sie die dadurch notwendigen Maßnahmen und begründen sie diese. Das Umfeld berücksichtig werden (warme Umgebung > ausreichende Kühlung) Eingesetzte Komponenten müssen bedacht werden(zum Beispiel keine überdimensionierte CPU, da diese mehr Abwärme erzeugt) Einsatz eines Loggers Defensive Programmierung Aufgabe 4 Savety (4 Punkte) Bei Embedded Systemen unterscheidet sich der Bereich Sicherheit grundlegend im Verständnis zu normalen Systemen. Begründen sie dies. Müssen stärker gegen äußere Einflüsse geschützt werden (z. Bsp. USV gegen Stromausfall), da ein Ausfall zum Beispiel die Produktion unterbrechen könnte > Umsatzverlust. Müssen besonders vor Angriffen von außen geschützt werden Aufgabe 6 Multitasking (12 Punkte) Komplexe Embedded Systeme verfügen über ein Betriebssystem, das Multitasking oder Multiprocessing unterstützt. Worin unterscheiden sich Multithreading und Multiprocessing? Threads...: sind Leichtgewicht Prozesse haben gemeinsamen Speicher sind der arbeitende Teil in einem Prozess Task : Sind vollwertige Prozesse Haben getrennte Speicherbereiche Auf einem Single Prozessor kann immer nur 1 Task zu einem Zeitpunkt laufen Wie können Prozesse in einer Multiprocessingumgebung miteinander kommunizieren?

3 embedded Seite 3 Message Queue Zeitlich entkoppelter Transfer von Informationen zwischen mehreren Threads n Sender, m Empfänger Inhalte werden im Allgemeinen kopiert Implementierungen: FIFO, Pipe, Mailbox... FIFO(named pipe) Referenzierbar über einen Dateinamen Kommunikation zwischen beliebigen Prozessen Nur halbduplex (FIFO kann nur zum lesen ODER nur zum schreiben geöffnet werden) First Come First Serve Prinzip Sockets Vollduplex! Kann sowohl lokale als auch remote Kommunikation ermöglichen 1zu1 Verbindung, aber mehrere 1zu1 Verbindungen pro Socket möglich

4 embedded Seite 4 Embedded SS 06 Samstag, 26. Januar :49 Aufgabe 1 Sicherheit (16 Punkte) Embedded Systeme können einerseits von außen angegriffen werden und andererseits benachbarte Systeme gefährden. Beschreiben sie zwei Beispiele für die Gefährdung der Software von außen und begründen sie worin die Gefährdung liegt. Fehlbedienung durch den User User stoppt ausversehen über das Userinterface die Produktion, obwohl diese noch in vollem Gange ist. Bei Nichtbehandlung dieser Fehleingabe wird Zeit verloren(und somit Geld), bis die Produktion wieder gestartet ist. Im Extremfall könnte die Produktion nicht fortgesetzt werden, sondern muss neu gestartet werden. In diesem Fall ist die bisherige Produktion nutzlos. Störungen Stromausfall Kann bei nicht Berücksichtigung zum Beispiel die komplette Produktion einer Fabrik lahmlegen > Gewinnverlust Beschreiben sie zu einem Fall aus geeignete Maßnahmen um diese Gefährdung zu vermeiden oder zumindest drastisch zu reduzieren Fehleingaben müssen behandelt oder ignoriert werden, so kann es erst gar nicht zu ungewollten Funktionen kommen, oder können entsprechend behandelt werden. Fehleingaben dürfen niemals interpretiert werden Durch gezieltes Abschalten des Interfaces, werden Fehleingaben vollkommen vermieden c) Beschreiben sie 2 Fälle für eine Gefährdung der Software nach außen und begründen sie worin die Gefährdung liegt. Beide Beispiele beziehen sich auf eine Maschine, die mit Roboterarmen arbeitet. Es entsteht ein Fehler bei der Berechnung der anzufahrenden Koordinaten und der Arm fährt in einen ungewollten Bereich und könnte sich somit selbst beschädigen, oder schlimmer noch Menschen, die sich im Umkreis befinden. Arbeiten zwei Roboterarme parallel, so müssen diese aufeinander abgestimmt sein. Kommt nun bei einem Arm eine Berechnung zu spät, so schlägt diese Synchronisation fehl, die Arme können sich in die Quere kommen und es kommt zu Crash. d) Beschreiben sie zu einem Fall aus c) geeignete Maßnahmen um diese Gefährdung zu vermeiden oder zumindest drastisch zu reduzieren. Durch ausführliches Testen können solche Fehlverhalten eventuell vorher aufgedeckt werden. Ebenso ist es möglich zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen Einzubauen, wie per Software den erlaubten Bereich des Armes zu definieren, oder mechanische Sperren mit zu verbauen. 2. Siehe WS 06_07 3. Siehe WS 06_07

5 embedded Seite 5 Aufgabe 4 Organisation von parallelen Abläufen (10 Punkte) Einige Embedded Systeme verfügen über Betriebssysteme, andere laufen ohne Betriebssystem. Wie werden (quasi) parallel ablaufende Aktivitäten dabei realisiert? Beschreiben sie eine Organisationsform für parallele Aktivitäten unter Einsatz eines Betriebssystems. (Quasi)Parallele Prozesse lassen sich unter Verwendung eines Betriebssystems durch Multiprocessing realisieren. Dabei regelt der Scheduler der Prozesse an die CPU. Zum Beispiel bei Round Robin werden den Prozessen nacheinander, wie sie in der Reihe stehen, CPUZeit zugeteilt. Die Dauer der CPUZeit hängt hier von der Anzahl der Tasks in der Warteschlange ab. Beschreiben sie eine Organisationsform für parallele Aktivitäten ohne Einsatz eines Betriebssystems. Ohne Betriebssystem lassen sich parallele Prozesse durch InterruptServiceRoutinen realisieren. Wird ein Interrupt ausgelöst wird dieser vom Prozessor erkannt und veranlasst ihn in die jeweils zugehörige ServiceRoutine auszuführen.

6 embedded Seite 6 Embedded WS 06/07 Samstag, 26. Januar :45 Aufgabe 1 Systemstart (6 Puntke) Manche Systeme werden von einer Festplatte gestartet, andere aus dem Netzwerk. Beschreiben sie einen der beiden Vorgänge. Netzwerkboot Prozessor liest die ersten Zeilen vom BootROM (Teil des BIOS) nach dem Reset ein. Dort steht unter anderem der TCPIPStack der über PXE TCP/IP weiter für den Bootvorgang benötigte Daten lädt. Festplatte Prozessor ließt BootROM nach dem Reset ein. Dort befindet sich das BootDevice und der Bootsektor (Kopf 0, Spur 0, Sektor 0 und 1). Im Bootsektor steht der Bootloader, der die Daten von der BootPartition in den Hauptspeicher lädt und startet. Aufgabe 2 Cross* (8 Punkte) Was versteht man unter Crossdevelopment Beim Crossdevelopement ist das System, auf dem eine Anwendung entwickelt wird ein anderes, als das auf dem die Anwendung später laufen soll. c) Was versteht man unter Crosscompiling Beim Crosscompiling wird beim Compiliervorgang aus dem Quellcode nicht der Maschinencode für das Entwicklungssystem erstellt, sonder Maschinencode für das Targetsystem. Was versteht man unter Deployment. Beschreiben sie ein Verfahren im Umfeld der Softwareentwicklung von Embedded Systemen. Deployment beschreibt den Vorgang der Softwareverteilung auf das TargetSystem einer Architektur. Als Beispiel: Softwareupdate eines Handys über die USBSchnittstelle von einem PC aus. Aufgabe 3 Footprint (12 Punkte) Was versteht man unter dem Footprint eines Systems Unter Footprint versteht man die Belastung der Systemresourcen. Primär ist der Hauptspeicher betroffen. Der I/OBedarf ist aber auch nicht zu vernachlässigen. Welche der nachstehenden Komponenten zählen dabei mit? Betriebssystem (j jedes Betriebssystem verbraucht unterschiedliche Mengen an Ressourcen Bibliotheken (jwerden zur Laufzeit in den Hauptspeicher geladen Quellcode(nicht direkt) Außer durch schlechte Programmierung Compiler(nicht direkt) außer durch Compileroptimierungen ausführbares Prog(j Aufgabe 4 User Interface(10 Punkte) separater PC

7 embedded Seite 7 + Trennung der Zuständigkeiten ermöglicht Spezialisierung + je nach Art der Verbindung(RS 232, LAN) ist eine räumliche Trennung möglich + es kann eine funktionsumfangreichere und benutzerfreundlichere GUI betrieben werden es entstehen Systembelastungen durch Wartezeiten bei der Ein und Ausgabe verwendet man zur Auslagerung ein LAN so kommen alle Gefahren eines Netzwerkes auf das Embedded System zu Daten könnten durch äußere Einflüsse auf die Leitung verfälscht oder gar unterbrochen werden GUI auf Embedded + einfachere Programmierung + keine Systembelastung durch Wartezeiten bei Ein und Ausgabe. nur lokale Bedingung möglich Bedienung eventuell eingeschränkt 5. Tasks der Software lassen sich mit folgendem Schema identifizieren für jeden unabhängigen Eingabekanal eine Task für jeden unabhängigen Ausgabekanal eine Task interne Verarbeitungstasks bei Bedarf falls eine zeitliche Verkopplung von Ein und Ausgabe erkennbar ist, so sollten diese Verarbeitungen in die gleiche Task integriert werden.

8 embedded Seite 8 Embedded SS 07 Samstag, 26. Januar :00 Aufgabe1 Siehe WS 06_07 A1 Aufgabe 2 Das Debuggen von Embedded Systemen unterscheidet sich vom gleichen Vorgang bei Desktop und Serversystemen. Beschreiben Sie 'EINEN Grund der dazu führt b. Es läuft kein Betriebssystem auf dem Embedded System Das Betriebssystem unterstützt kein Debugging Die Hardwareplattformen von Entwicklungsmaschine und Embedded System sind unterschiedlich > kompilierter Programmcode nicht ausführbar auf Entwicklungsmaschine Beschreiben Sie 2 verfahren zum debuggen von Embedded Systemen. Gehen Sie dabei auf die notwendige Arbeitsweise und auf die dazu notwendigen Voraussetzungen am Embedded System ein. Ordnen Sie diese beiden Verfahren im Hinblick auf die Produktivität. Simulation + Hardwaresimulation wird benötigt + Input wird benötigt! Zeitverhalten muss berücksichtigt werden Cross Debugging mittels JTAG + JTAG Schnittstelle muss vorhanden sein + Umgebung um JTAG zu nutzen muss vorhanden sein Hardware, Softwaremässig ICE (InCircuit Emulator) + genauer Ablauf und Tracing direkt auf der CPU möglich! Kabel! Obergrenze vom Takt der CPU Kosten Normales Debugging + benötigt OS + Debugger + benötigt USER I/O Shell oder Tastatur/Monitor c. "Embedded Systeme haben einen höheren Anspruch an Zuverlässigkeit als Anwendungen auf Desktopsystemen." Begründen Sie diese Aussage. Zugang zum System u.u. nicht möglich Steht beim Kunden Worst Case: Gerät eingemauert Kritische Bereiche(Kernkraftwerk, Maschine die u.u. Menschenleben gefährdet) Aufgabe 3 Prozesse laufen in einem Betriebssystem in getrennten Adressräumen ab. Damit Prozesse zusammenarbeiten können müssen diese miteinander kommunizieren können. Beschreiben sie 2 Standardmethoden zum Austausch von Daten zwischen zwei Prozessen. Siehe WS05_06 Aufgabe 6 Aufgabe 4 Die folgenden Rechnerkomponenten und Techniken können zur Sicherheit eines Embedded Systems

9 embedded Seite 9 beitragen. Beschreiben Sie jeweils den Begriff und legen Sie dar in welcher Weise der Gewinn an Sicherheit zustande kommt. MMU Bei modernen Betriebssystemen arbeitet jedes Programm in einem eigenen, virtuellen Adressraum, dessen Adressen die Hardware konkret die Memory Management Unit (MMU) erst bei Bedarf echten Speicher zuordnet. In diesem legt das Betriebssystem beim Start eines Programms drei so genannte Segmente an: das CodeSegment, das DatenSegment (auch Heap genannt) und das StackSegment. Unten im Adressraum also an den niedrigen Adressen befindet sich das CodeSegment mit den eigentlichen Maschinenbefehlen des Programms. Es ist in Größe und Inhalt fest und zumeist gegen Überschreiben geschützt. Das heißt, ein Schreibversuch auf diese Adresse produziert eine Speicherschutzverletzung ( Segmentation Violation ). Konservative Programmierung Konservativ = Defensiv Konservativ = Altmodisch, Bewährt Vermeide dynamischen Arbeitsspeicher. Vorsichtige Programmierung, vermeide Schleifen... In ifanweisungen alle Möglichkeiten prüfen, kein default Verschlüsselung Schutz betriebsinterner Zustände Schutz von Komponenten Kommunikation Exceptionbehandlung Behandlung nicht vorhergesehener Fehler. Bandbreitenlimitierung Es kann unter Umständen kein Schadcode nachgeladen werden. Das System kann nicht für illegalen Datenaustausch verwendet werden. Firewall Schutz vor Kompromittierung Schutz vor DOS