5 Echtzeit-Programmierung

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1 Kapitel 5: Echtzeitprogrammierung 5 Echtzeit-Programmierung Lernziele: Wissen, was man unter Echtzeit-Programmierung versteht Die Forderungen bei der Echtzeit-Programmierung kennen Zwischen harter und weicher Echtzeit unterscheiden können Wissen, was man unter synchroner Programmierung versteht Die asynchrone Programmierung kennen Erklären können, was Rechenprozesse sind Wissen, welche Möglichkeiten zur zeitlichen Synchronisierung es gibt Semaphorvariablen anwenden können Verstanden haben, was Scheduling-Verfahren sind Die unterschiedlichen Scheduling-Verfahren anwenden können Wissen, was ein Schedulability-Test ist 2015, IAS Universität Stuttgart 246

2 5 Echtzeit-Programmierung 5.1 Problemstellung 5.2 Echtzeit-Programmierverfahren 5.3 Rechenprozesse 5.4 Zeitliche Koordinierung von Rechenprozessen 5.5 Kommunikation zwischen Rechenprozessen 5.6 Scheduling-Verfahren 2015, IAS Universität Stuttgart 247

3 5.1 Problemstellung Was heißt Echtzeit-Programmierung? Nicht-Echtzeit-Datenverarbeitung Richtigkeit des Ergebnisses Echtzeit-Datenverarbeitung Richtigkeit des Ergebnisses Rechtzeitigkeit des Ergebnisses nicht zu früh, nicht zu spät 2015, IAS Universität Stuttgart 248

4 5.1 Problemstellung NICHT-ECHTZEIT-DATENVERARBEITUNG: Eingangsdaten Datenverarbeitung Ausgangsdaten ECHTZEIT-DATENVERARBEITUNG: Zeit Zeit Zeit Eingangsdaten Datenverarbeitung Ausgangsdaten 2015, IAS Universität Stuttgart 249

5 5.1 Problemstellung Echtzeitprogrammierung (Realzeit-Programmierung) Erstellung von Programmen so, dass bei der Datenverarbeitung im Computer die zeitlichen Anforderungen an die Erfassung der Eingabedaten, an die Verarbeitung im Computer und an die Ausgabe der Ausgabedaten erfüllt werden. Zeitanforderungen Zeitliche Anforderungen abhängig von den zeitlichen Abläufen im technischen Prozess Koordination mit dem technischen Prozess Echtzeit: den echten Zeitabläufen entsprechend, keine Zeitdehnung, keine Zeitraffung Arten von Anforderungen an das zeitliche Verhalten der Datenverarbeitung Forderungen nach Rechtzeitigkeit Forderungen nach Gleichzeitigkeit 2015, IAS Universität Stuttgart 250

6 5.1 Problemstellung Zusammenspiel technischer Prozess und AT-System zeitabhängige Ausgabedaten Technischer Prozess zeitabhängige Eingabedaten Automatisierungs- system Bsp: Automatisierungssystem Technischer Prozess Fehlfunktion bei zu früh/zu spät ankommenden Sensor-/ Aktorwerten! 2015, IAS Universität Stuttgart 251

7 5.1 Problemstellung Unterschiede zwischen Informations- und Echtzeitsystemen Informationssysteme datengesteuert komplexe Datenstrukturen große Menge an Eingabedaten I / O -intensiv hardwareunabhängig Echtzeitsysteme ereignis-/zeitgesteuert einfache Datenstrukturen kleine Menge an Eingabedaten rechenintensiv hardwareabhängig 2015, IAS Universität Stuttgart 252

8 5.1 Problemstellung Wichtige Begriffe (2) Harte Echtzeitsysteme Einhaltung von strengen Zeitschranken (Deadlines) ist unabdingbar Bsp.: Weiche Echtzeitsysteme DDC-Regelungen in Flugzeugen, Motorsteuerungen im Kraftfahrzeug Systeme bei denen eine Verletzung von Zeitschranken toleriert werden kann. Nutzen Deadline Harte Echtzeitsysteme Weiche Echtzeitsysteme Zeit 2015, IAS Universität Stuttgart 253

9 5.1 Problemstellung Forderung nach Rechtzeitigkeit rechtzeitiges Abrufen der Eingabedaten rechtzeitige Durchführung der Verarbeitung rechtzeitige Ausgabe der Ausgabedaten Zeitbedingungen im Zusammenhang mit Rechtzeitigkeit: Absolutzeitbedingungen Bsp.: 11:45 Signal zur Abfahrt Relativzeitbedingungen Bsp.: wenn ein Messwert einen Grenzwert überschreitet, nach 10 Sekunden Abschaltsignal 2015, IAS Universität Stuttgart 254

10 5.1 Problemstellung Klassifizierung von Zeitbedingungen (1) Ausführung einer Funktion zu festen Zeitpunkten t 1, t 2, t t 1 t 2 t 3 t 4 t Ausführung einer Funktion in einem zu jedem Zeitpunkt t 1 zugeordneten Toleranzintervall Toleranzbereich 1 0 t 1 t 2 t 2015, IAS Universität Stuttgart 255

11 5.1 Problemstellung Klassifizierung von Zeitbedingungen (2) Ausführung einer Funktion in einem Zeitintervall bis zu einem spätesten Zeitpunkt t t 1 t Ausführung einer Funktion in einem Zeitintervall von einem frühesten Zeitpunkt t 1 an 1 0 t 1 t 2015, IAS Universität Stuttgart 256

12 5.1 Problemstellung Typische Anwendungsbeispiele mit Zeitbedingungen Ausführung einer Funktion zu festen Zeitpunkten Ausführung einer Funktion in einem Toleranz-Zeitintervall Ausführung einer Funktion in einem Zeitintervall bis zu einem spätesten Zeitpunkt Ausführung einer Funktion in einem Zeitintervall von einem frühesten Zeitpunkt an Absolutzeit- Bedingungen Kennfeldaufnahme an Prüfständen Erfassung von Regelgrößen Erfassung von Datentelegrammen Folgesteuerung bei Chargenprozessen Relativzeit- Bedingungen Analyse von Stoffen in der Chemie Messwertüberwachung auf gleitende Grenzen Erfassung von Stückgut- Kennungen Erfassung von Signalen einer Lichtschranke 2015, IAS Universität Stuttgart 257

13 5.1 Problemstellung Forderung nach Gleichzeitigkeit Vorgänge in Umwelt laufen gleichzeitig ab Echtzeit-Systeme müssen darauf gleichzeitig reagieren mehrere Datenverarbeitungsaufgaben müssen gleichzeitig durchgeführt werden Bsp.: Reaktion auf gleichzeitige Fahrt mehrerer Züge Verarbeitung mehrerer gleichzeitig anfallender Messwerte bei einer Heizung Motorsteuerung und ABS-System gleichzeitig 2015, IAS Universität Stuttgart 258

14 5.1 Problemstellung Realisierung von Gleichzeitigkeit - jede Datenverarbeitungsaufgabe durch getrennte Computer echt parallel - einen Computer für alle Datenverarbeitungsaufgaben Voraussetzung: quasi gleichzeitig / quasi parallel Vorgänge in der Umwelt langsam im Vergleich zum Ablauf der Programme im Rechner 2015, IAS Universität Stuttgart 259

15 5.1 Problemstellung Forderung nach Determiniertheit Determiniertheit = Vorhersehbarkeit des Systemverhaltens Parallele bzw. quasi parallele Abläufe sind im allgemeinen nicht vorhersehbar, zeitliche Verschiebungen können zu unterschiedlichen Abläufen führen. das zeitliche Verhalten ist nicht determiniert keine absolute Garantie der Sicherheit von Automatisierungssystemen 2015, IAS Universität Stuttgart 260

16 5.1 Problemstellung Determiniertheit von Echtzeit-Systemen Ein Echtzeit-System heißt determiniert, wenn es für jeden möglichen Zustand und für jede Menge an Eingabeinformationen eine eindeutige Menge von Ausgabeinformationen und einen eindeutigen nächsten Zustand gibt. Voraussetzung: Endliche Menge von Systemzuständen! Zeitlich determiniertes System: Antwortzeit für alle Ausgabeinformationen ist bekannt! In einem determinierten System ist garantiert, dass das System zu jedem Zeitpunkt reagieren kann, in einem zeitlich determinierten System zusätzlich auch bis wann die Reaktion erfolgt sein wird. 2015, IAS Universität Stuttgart 261

17 5.1 Problemstellung Arten von Echtzeitsystemen Dialogsysteme Eingabedaten über entsprechende Eingabemedien Tastatur Lichtgriffe Maus Warten auf Antwort, d.h. Ausgabe von Ergebnissen auf einem Ausgabemedium Bildschirm Bsp: Drucker Platzbuchungssysteme Luftfahrtgesellschaften Kontoführungssysteme bei Banken Lagerhaltungssysteme Rechtzeitigkeit bei Dialogsystemen zulässige Antwortzeit im Sekundenbereich 2015, IAS Universität Stuttgart 262

18 5.1 Problemstellung Automatisierungssysteme Zeitliche Reaktion abhängig von den Vorgängen im technischen Prozess Rechtzeitigkeit bei Automatisierungssystemen zulässige Reaktionszeit im Bereich von ms / μs Methoden der Echtzeit-Programmierung ähnlich für Automatisierungssysteme Dialogsysteme 2015, IAS Universität Stuttgart 263

19 5.1 Problemstellung Frage zu Kapitel 5.1 Um welche Art von Echtzeitsystem handelt es sich bei den nachfolgend aufgeführten Systemen jeweils? Antwort Hartes Echtzeitsystem Weiches Echtzeitsystem Zeitungsdruckwerk Steuerung eines elektrischen Fensterhebers Fahrgastinformation im Bahnverkehr Telefonvermittlung CNC-Fräskopfsteuerung Flugzeug-Triebwerkssteuerung X X X X X X Harte Echtzeitsysteme: Verletzung der Zeitschranken = Versagen des Automatisierungssystems Sach- / Personenschäden möglich 2015, IAS Universität Stuttgart 264

20 5 Echtzeit-Programmierung 5.1 Problemstellung 5.2 Echtzeit-Programmierverfahren 5.3 Rechenprozesse 5.4 Zeitliche Koordinierung von Rechenprozessen 5.5 Kommunikation zwischen Rechenprozessen 5.6 Scheduling-Verfahren 2015, IAS Universität Stuttgart 265

21 5.2 Echtzeit-Programmierverfahren Arten des Vorgehens Synchrone Programmierung: Planung des zeitlichen Ablaufs vor der Ausführung der Programme Planwirtschaft Asynchrone Programmierung (Parallelprogrammierung): Organisation des zeitlichen Ablaufs während der Ausführung der Programme Marktwirtschaft 2015, IAS Universität Stuttgart 266

22 5.2 Echtzeit-Programmierverfahren Bsp.: Zahnarztpraxis als Realzeitsystem Ausführungsort Organisator Voraus- Planung Live- Planung Patient Behandlungsstuhl und Zahnarzt Sprechstundenhilfe Planung des zeitlichen Ablaufs vor der Behandlung mit Hilfe eines Terminkalenders Organisation des zeitlichen Ablaufs während der Behandlung (Aufruf aus dem Wartezimmer) Automatisierungsprogramm Computer, der Programme ausführt Betriebssystem Synchrone Programmierung Asynchrone Programmierung, Parallelprogrammierung 2015, IAS Universität Stuttgart 267

23 5.2 Echtzeit-Programmierverfahren Verfahren der synchronen Programmierung Synchrone Programmierung: Planung des zeitlichen Verhaltens zyklisch auszuführender Teilprogramme vor der Ausführung Synchronisierung der zyklisch auszuführenden Teilprogramme mit einem Zeitraster Zeitraster über Echtzeit-Uhr, Unterbrechungssignal zum Aufruf über Teilprogramme Time triggered fest vorgegebene Reihenfolge des Ablaufs der Teilprogramme 2015, IAS Universität Stuttgart 268

24 5.2 Echtzeit-Programmierverfahren Bsp.: Heizungsregelung u 1 (t) u 2 (t) Regelstrecke 1 "Heizkreis Wohnung" Regelstrecke 2 "Heizkreis Büro" Raumtemperatur Wohnung y 1 (t) Bedienterminal Raumtemperatur Büro y 2 (t) u 3 (t) Regelstrecke 3 "Heizkessel" Vorlauftemperatur y 3 (t) Analog-Ausgabe Analog-Eingabe Prozess-Signal-Ein/Ausgabe Echtzeit- Uhr Automatisierungscomputer 2015, IAS Universität Stuttgart 269

25 5.2 Echtzeit-Programmierverfahren Fachtechnische (regelungstechnische) Konzeption Planung Auslegung der Regelalgorithmen und Reglerparameter Festlegung der Abtastzeiten für die Regelkreise T = Echtzeituhr - Taktdauer T i = Abtastzeit für Regelkreis i T 1 = T T 2 = 2T T 3 = 5T 2015, IAS Universität Stuttgart 270

26 5.2 Echtzeit-Programmierverfahren Zuordnung von Bezeichnern und Abtastzeiten ein Teilprogramm für jeden Regelkreis Teilprogramm Temperatur-Regelung für die Regelstrecke Heizkreis Wohnung Temperatur-Regelung für die Regelstrecke Heizkreis Büro Temperatur-Regelung für die Regelstrecke Heizkessel Bezeichner (Name) REGELUNG 1 REGELUNG 2 REGELUNG 3 Abtastzeit (Zykluszeit) T 1 = T T 2 = 2T T 3 = 5T 2015, IAS Universität Stuttgart 271

27 5.2 Echtzeit-Programmierverfahren Grobentwurf bei synchroner Programmierung Unterbrechungssignale Von der Echtzeit-Uhr mit der Zykluszeit T ANFANG Alle T 1 = T REGELUNG1 aufrufen Alle T 2 = 2T REGELUNG2 aufrufen Alle T 3 = 5T REGELUNG3 aufrufen Warteschleife 2015, IAS Universität Stuttgart 272

28 5.2 Echtzeit-Programmierverfahren Feinentwurf bei synchroner Programmierung ANFANG Definition der Zählvariablen Z2 und Z3 Im Zeitabstand T aufeinanderfolgende Unterbrechungssignale bewirken Start an dieser Stelle Z2 := 1 Z3 := 1 REGELUNG1 abarbeiten Z2 und Z3 initialisieren nein Z2=2? Z2 := Z2 + 1 ja REGELUNG2 abarbeiten Z2 := 1 Z3 := Z3 + 1 nein Z3=5? ja REGELUNG3 abarbeiten Z3 := 1 Warteschleife 2015, IAS Universität Stuttgart 273

29 5.2 Echtzeit-Programmierverfahren Zeitlicher Ablauf synchroner Programmierung REGELUNG3 ca. 5T 2T T REGELUNG2 REGELUNG1 Steuerprogramm Unterbrechungssignale von der Echtzeit-Uhr 11 t Annahme: - Rechenzeit für Teilprogramme gleich groß - Summe der Rechenzeiten der drei Teilprogramme kleiner als Zykluszeit 2015, IAS Universität Stuttgart 274

30 5.2 Echtzeit-Programmierverfahren Eigenschaften der synchronen Programmierung (1) Forderung nach Rechtzeitigkeit wird näherungsweise erfüllt leichte Verschiebung Forderung nach Gleichzeitigkeit wird erfüllt, wenn Zykluszeit T klein gegenüber den Zeitabläufen im technischen Prozess Synchrone Programmierung gut für Echtzeit-Systeme mit zyklischen Programmabläufen vorhersehbares Verhalten Synchrone Programmierung ungeeignet für die Reaktion auf zeitlich nicht vorhersehbare (asynchrone) Ereignisse Erhöhung der Rechenzeit durch ständiges Abfragen Verzögerung der Reaktion 2015, IAS Universität Stuttgart 275

31 5.2 Echtzeit-Programmierverfahren Eigenschaften der synchronen Programmierung (2) im Normalfall deterministisches Verhalten kein komplexes Organisationsprogramm etwas aufwendigere Planung (Entwicklung) Nachteil der synchronen Programmierung Änderung der Aufgabenstellung bedeutet Änderung der gesamten Programmstruktur! Bsp.: SPS 2015, IAS Universität Stuttgart 276

32 5.2 Echtzeit-Programmierverfahren Verfahren der asynchronen Programmierung (Parallelprogrammierung) Organisationsprogramm (Echtzeitbetriebssystem) steuert während des Ablaufs der Teilprogramme den zeitlichen Aufruf Aufruf der Teilprogramme, wenn Zeitbedingungen erfüllt sind Gleichzeitige Ausführung wird nach bestimmter Strategie sequenzialisiert Zuordnung von Prioritätsnummern Priorität umso höher, je niedriger die Prioritätsnummer 2015, IAS Universität Stuttgart 277

33 Brenner- Störungssignal 5.2 Echtzeit-Programmierverfahren Bsp.: Heizungsanlage u 1 (t) Regelstrecke 1 y 1 (t) asynchron (stochastisch) synchron zyklisch u 2 (t) Regelstrecke 2 y 2 (t) Warnlampe u 3 (t) Regelstrecke 3 y 3 (t) Analog-Ausgabe Analog-Eingabe Digital- Ausgabe Digital- Eingabe Prozesseinheit Echtzeit Uhr Automati- sierungs- Computer Bedienterminal Drucker 2015, IAS Universität Stuttgart 278

34 5.2 Echtzeit-Programmierverfahren Zuordnung von Bezeichnern, Abtastzeiten und Prioritäten Teilprogramm Bezeichner Abtastzeit Prioritätsnummer Priorität Reaktion auf Brennerstörung mit Alarmmeldung ALARM 1 höchste Temperatur- Regelung für Heizkreis 1 Temperatur- Regelung für Heizkreis 2 REGELUNG1 T 1 = T 2 REGELUNG2 T 2 = 2T 3 zweithöchste dritthöchste Temperatur- Regelung für Heizkreis 3 REGELUNG3 T 3 = 5T 4 niedrigste 2015, IAS Universität Stuttgart 279

35 5.2 Echtzeit-Programmierverfahren Zeitlicher Verlauf der Teilprogramme 2015, IAS Universität Stuttgart 280

36 5.2 Echtzeit-Programmierverfahren Eigenschaften der asynchronen Programmierung Forderung nach Rechtzeitigkeit nur näherungsweise erfüllt schlecht für niederpriore Teilprogramme Zeitbedingungen um so besser erfüllt, je höher die Priorität des jeweiligen Teilprogramms Ist-Zeitablauf kann sich gegenüber Soll-Zeitablauf stark verschieben Teilprogramme können sich gegenseitig überholen Aufeinanderfolge der Teilprogramme ist nicht deterministisch, sondern stellt sich dynamisch ein Bei Programmerstellung lässt sich nicht im Voraus angeben, welches Teilprogramm zu welchem Zeitpunkt ablaufen wird einfache Entwicklung Komplexität im Verwaltungsprogramm Programmablauf schwer durchschaubar 2015, IAS Universität Stuttgart 281

37 5.2 Echtzeit-Programmierverfahren Ereignisgesteuerte Architekturen asynchrone Programmierung Alle Aktivitäten als Folge von Ereignissen Aktivierung von Tasks Senden von Nachrichten Unterstützung durch Echtzeitbetriebssysteme nicht-deterministisches Verhalten flexibel bezüglich Veränderungen Zeitgesteuerte Architekturen synchrone Programmierung Periodische Durchführung aller Tasks und Kommunikationsaktionen Abtastung von externen Zustandsgrößen zu festgelegten Zeitpunkten wenig flexibel bei Änderungen einfach analysierbar Video: Echtzeitsimulation mit ASCET-SD 2015, IAS Universität Stuttgart 282

38 5.2 Echtzeit-Programmierverfahren Frage zu Kapitel 5.2 Welchen der folgenden Aussagen zum Thema Echtzeitprogrammierung stimmen Sie zu? Antwort f f f f Bei der Echtzeit-Programmierung steht nur der Zeitpunkt eines Ergebnisses im Vordergrund. Echtzeit bedeutet so schnell wie möglich. Bei weichen Echtzeit-Systemen müssen die Zeitschranken nicht eingehalten werden. Eine asynchrone Programmierung ist flexibler bei äußeren Einflüssen als eine synchrone Programmierung. Eine synchrone Programmierung setzt zyklische Programmabläufe voraus. Die synchrone Programmierung erfüllt nicht die Forderung nach Gleichzeitigkeit. 2015, IAS Universität Stuttgart 283

39 5 Echtzeit-Programmierung 5.1 Problemstellung 5.2 Echtzeit-Programmierverfahren 5.3 Rechenprozesse 5.4 Zeitliche Koordinierung von Rechenprozessen 5.5 Kommunikation zwischen Rechenprozessen 5.6 Scheduling-Verfahren 2015, IAS Universität Stuttgart 284

40 5.3 Rechenprozesse Unterscheidung Unterprogramm Rechenprozess Aufruf von Unterprogrammen Ausführung des aufrufenden Programms wird unterbrochen Ausführung des Unterprogramms (einmalige Ausführung der Befehlsfolge) Fortsetzung des aufrufenden Programms Aufruf eines Rechenprozesses gleichzeitige Ausführung des aufrufenden Programms und des aufgerufenen Rechenprozesses 2015, IAS Universität Stuttgart 285

41 5.3 Rechenprozesse Rechenprozess = Task Ein Rechenprozess ist ein von einem Echtzeit-Betriebssystem gesteuerter Vorgang der Abarbeitung eines sequenziellen Programms. Eigenschaften von Rechenprozessen Rechenprozess beginnt mit Eintrag in eine Liste des Echtzeit- Betriebssystems und endet mit dem Löschen aus dieser Liste Rechenprozess existiert nicht nur während der Ausführung der Befehle, sondern auch während geplanter oder erzwungener Wartezeiten 2015, IAS Universität Stuttgart 286

42 5.3 Rechenprozesse Unterschiede zwischen Task und Thread Task Besitzer von Betriebsmitteln Eigener Adressraum Enthält einen oder mehrere Threads Kommunikation über die Taskgrenzen hinaus, bevorzugt über Botschaften Thread Kann außer Prozessor selbst keine Betriebsmittel besitzen, verfügt über alle Betriebsmittel der Task, der er angehört Adressraum der Task, der er angehört gemeinsamer Adressraum Element einer Task Kommunikation zwischen den Threads, bevorzugt über gleiche Daten 2015, IAS Universität Stuttgart 287

43 5.3 Rechenprozesse Grundzustände Zustand laufend (running) das Teilprogramm ist in Bearbeitung Zustand bereit oder ablaufwillig (runnable) alle Zeitbedingungen für den Ablauf sind erfüllt es fehlt der Start durch das Betriebssystem d.h. die Ausführung Zustand blockiert (suspended) Rechenprozess wartet auf den Eintritt eines Ereignisses Wenn das Ereignis eingetreten ist, Übergang aus dem Zustand blockiert in den Zustand bereit Zustand ruhend (dormant) Rechenprozess ist nicht ablaufbereit, weil Zeitbedingungen oder sonstige Voraussetzungen nicht erfüllt sind. 2015, IAS Universität Stuttgart 288

44 5.3 Rechenprozesse Zustandsdiagramm eines Rechenprozesses Einplanung Vereinbarung des Rechenprozesses ruhend - dormant Löschen des Rechenprozesses Unter Einplanung versteht man die Beauftragung eines Rechenprozesses zyklisch oder zu bestimmten Zeiten der Übergang vom Zustand ruhend in den Zustand bereit bereit - runnable blockiert - suspended laufend - running 2015, IAS Universität Stuttgart 289

45 5.3 Rechenprozesse Verlauf des Rechenprozesses Regelung3 beim Verfahren der asynchronen Programmierung Der Rechenprozess Regelung3 ist: ablaufend (aktiv) blockiert ablaufwillig (bereit) ruhend 0 T 2T 3T 4T 5T 6T 7T 2015, IAS Universität Stuttgart 290

46 5.3 Rechenprozesse Prioritätsvergabe für Rechenprozesse statische Prioritätsvergabe dynamische Prioritätsvergabe (z.b. durch Verwendung von Deadlines) Zeitparameter eines Rechenprozesses: A: Arrival time (Ankunftszeitpunkt) R: Request time (Einplanungszeitpunkt) S: Start time (Startzeit, Zuteilung eines Betriebsmittels) C: Completion time (Beendigungszeitpunkt) D: Deadline (Maximalzeit) E: Execution time (maximale Ausführungsdauer) P: Period time (maximale Antwortzeit) L: Laxity (Spielraum) F(t): Flow time (Antwortzeit) RF(t): Remaining flow time (Restantwortzeit) 2015, IAS Universität Stuttgart 291

47 5.3 Rechenprozesse Auftreten der Zeitparameter eines Rechenprozesses Antwortzeit F(t) Restantwortzeit RF(t) Zustände eines Rechenprozesses "laufend" maximale Antwortzeitdauer P maximale Ausführungsdauer E E alt (t) E neu (t) Spielraum L A: Arrival time R: Request time S: Start time C: Completion time D: Deadline "blockiert" "bereit" "ruhend" A R S C D Betrachtungszeitpunkt t 2015, IAS Universität Stuttgart 292

48 5.3 Rechenprozesse Zusammenhang zwischen den Zeitparametern A <= R <= S <= C - E <= D - E Maximale Ausführungsdauer (Rechenzeitdauer) E = E alt (t) + E neu (t) E alt (t): E neu (t): bisherige Ausführungsdauer zum Betrachtungszeitpunkt verbleibende Ausführungsdauer Zeitlicher Spielraum (laxity) für die Ausführung eines Rechenprozesses L = D - S - E 2015, IAS Universität Stuttgart 293

49 5.3 Rechenprozesse Frage zu Kapitel 5.3 Welchen der folgenden Aussagen über die vier Task-Zustände stimmen Sie zu? Antwort f f Eine Task im Zustand runnable wird momentan ausgeführt. Ein Task-Zustand kann direkt von running zu dormant wechseln. Eine Task im Zustand suspended kann direkt in den Zustand running wechseln. Eine Task im Zustand dormant ist nicht bereit, da Zeit- oder andere Bedingungen nicht erfüllt sind. Eine Task im Zustand suspended wartet auf das Auftreten eines Events. 2015, IAS Universität Stuttgart 294

50 5 Echtzeit-Programmierung 5.1 Problemstellung 5.2 Echtzeit-Programmierverfahren 5.3 Rechenprozesse 5.4 Zeitliche Koordinierung von Rechenprozessen 5.5 Kommunikation zwischen Rechenprozessen 5.6 Scheduling-Verfahren 2015, IAS Universität Stuttgart 295

51 5.4 Zeitliche Koordinierung von Rechenprozessen Klassifikation von Aktionen eines Rechenprozesses Zwei Aktionen in Rechenprozessen heißen parallel, wenn sie gleichzeitig ablaufen können Zwei Aktionen heißen sequenziell, wenn sie in einer bestimmten Reihenfolge angeordnet sind Zwei Aktionen aus zwei verschiedenen Rechenprozessen heißen nebenläufig, wenn sie gleichzeitig ablaufen können (äußere Parallelität) Zwei Aktionen eines Rechenprozesses heißen simultan, wenn sie gleichzeitig ausgeführt werden können (innere Parallelität) Aktionen = Threads 2015, IAS Universität Stuttgart 296

52 5.4 Zeitliche Koordinierung von Rechenprozessen Anforderung bei der Durchführung von Rechenprozessen Synchronität zwischen Rechenprozessen und den Vorgängen im technischen Prozess. Abhängigkeiten zwischen Rechenprozessen Logische Abhängigkeiten aufgrund der Vorgänge im technischen Prozess Bsp.: Ein Aufzug muss zuerst anhalten, bevor die Türen geöffnet werden können. Abhängigkeiten durch die gemeinsame Benutzung von Betriebsmitteln 2015, IAS Universität Stuttgart 297

53 5.4 Zeitliche Koordinierung von Rechenprozessen Beispiel Abhängigkeit von Rechenprozessen aufgrund gemeinsam benutzter Betriebsmittel Gemeinsame Betriebsmittel: Protokolldrucker Analog-Eingabe Rechenprozess BETRIEBSMESSWERTE Analog- Eingabe belegen Betriebsmess- werte einlesen und umrechnen Rechenprozess PROZESSÜBERWACHUNG Treiberprogramm für Protokoll- drucker belegen Störungsmeldung an Protokoll- drucker ausgeben Deadlock Treiberprogramm für Protokoll- drucker belegen Analog- Eingabe belegen Ausdruck Betriebsmesswerte und Uhrzeit Prozessgrössen einlesen und überwachen 2015, IAS Universität Stuttgart 298

54 5.4 Zeitliche Koordinierung von Rechenprozessen Probleme durch Abhängigkeiten Verklemmung (deadlock): zwei oder mehrere Rechenprozesse blockieren sich gegenseitig Permanente Blockierung (livelock, starvation) Konspiration von Rechenprozessen blockiert einen Rechenprozess zeitliche Koordinierung der Rechenprozesse notwendig = Synchronisierung von Rechenprozessen = Einschränkung des freien parallelen Ablaufs Synchronisierung von Rechenprozessen = Synchronisierung ihrer Aktionen 2015, IAS Universität Stuttgart 299

55 5.4 Zeitliche Koordinierung von Rechenprozessen Beispiel für einen Deadlock - Straßenkreuzung ohne Ampelsteuerung - Verkehrsregel rechts vor links Animation: Deadlock 2015, IAS Universität Stuttgart 300

56 5.4 Zeitliche Koordinierung von Rechenprozessen Beispiel für einen Livelock: The Dining Philosophers - jeder Philosoph benötigt 2 Stäbchen zum Essen - es kann kein Stäbchen reserviert werden Wertepaare für wunschgemäßen Betrieb (beginnend Philosoph oben in der Mitte, im Uhrzeigersinn): 1/1, 1/1, 1/1, 1/1, 1/1 Wertepaare, die zu Livelock führen (beginnend Philosoph oben in der Mitte, im Uhrzeigersinn): 1/5, 1/1, 1/1, 1/6, 7/1 Animation: Livelock 2015, IAS Universität Stuttgart 301

57 5.4 Zeitliche Koordinierung von Rechenprozessen Hauptformen der Synchronisierung Logische Synchronisierung (aufgaben-/oder prozessorientierte Synchronisierung) - Anpassung des Ablaufs der Rechenprozesse an den Ablauf der Vorgänge im technischen Prozess - Synchronisierung bedeutet Erfüllung von Anforderungen bezüglich der Reihenfolge von Aktionen Berücksichtigung vorgegebener Zeitpunkte bzw. Zeitabstände Reaktionen auf Unterbrechungsmeldungen aus dem technischen Prozess Betriebsmittelorientierte Synchronisierung - Einhaltung von Bedingungen bezüglich der Verwendung gemeinsam benutzter Betriebsmittel (Ressourcen) 2015, IAS Universität Stuttgart 302

58 5.4 Zeitliche Koordinierung von Rechenprozessen Synchronisierungsverfahren Semaphore kritische Regionen Rendez-Vous-Konzept Grundgedanke bei allen Synchronisierungsverfahren Rechenprozess muss warten, bis ein bestimmtes Signal bzw. Ereignis eintrifft Einfügen von Wartebedingungen an den kritischen Stellen 2015, IAS Universität Stuttgart 303

59 5.4 Zeitliche Koordinierung von Rechenprozessen Semaphorkonzept Synchronisierung von Rechenprozessen durch Signale (Dijkstra) Semaphorvariable: - positive, ganzzahlige Werte - Semaphoroperationen: V(S) und P(S) V(S i ): Operation V(S i ) erhöht den Wert der Semaphorvariable S i um 1 P(Si): Operation P(S i ) bestimmt Wert von S i - ist Wert von S i > 0 wird S i um 1 erniedrigt - ist S i = 0 wird gewartet, bis S i > 0 geworden ist unteilbar! 2015, IAS Universität Stuttgart 304

60 Fahrtrichtung der Züge 5.4 Zeitliche Koordinierung von Rechenprozessen Beispiel 1: Zugverkehr über eine eingleisige Strecke Gleismagnet Zug A Zug A Zug B Zug B Gleismagnet P(S 1 ) P(S 1 ) Operation Signal S 1 01 Variable V(S 1 ) V(S 1 ) Synchronisierungsstelle Operation Gleismagnet Gleismagnet Zug A Zug A Zug B Zug B 2015, IAS Universität Stuttgart 305

61 Fahrtrichtung der Züge 5.4 Zeitliche Koordinierung von Rechenprozessen Beispiel 2: Zugverkehr über eine eingleisige Strecke Gleismagnet Zug A Zug B Gleismagnet P(S1) P(S2) Signal S1 Signal S mit Ablaufreihenfolge V(S2) V(S1) ABAB Gleismagnet Gleismagnet Zug A Zug B 2015, IAS Universität Stuttgart 306

62 Rechenprozess A Rechenprozess B 5.4 Zeitliche Koordinierung von Rechenprozessen Beispiel 2: S 1 = 1 S 2 = 0 Ablaufreihenfolge bei Rechenprozessen: P (S 1 ) S 1 = 0 Zwei Rechenprozesse sollen stets abwechselnd laufen. V(S 2 ) S 2 = 1 P (S 2 ) S 2 = 0 logische Synchronisierung V(S 1 ) S 1 = 1 P (S 1 ) S 1 = 0 V(S 2 ) S 2 = 1 P (S 2 ) S 2 = 0 t t 2015, IAS Universität Stuttgart 307

63 5.4 Zeitliche Koordinierung von Rechenprozessen Frage zu Kapitel 5.4 Um welche Art der Synchronisierung handelt es sich bei den folgenden Beispielen? Wieviele Semaphorvariablen werden jeweils benötigt? a) In einem Automatisierungssystem greifen zwei Tasks auf den gleichen Temperatursensor zu. b) Ein Regelalgorithmus wird in die drei Tasks Istwert einlesen, Stellgröße berechnen und Stellgröße ausgeben aufgeteilt, die immer in dieser Reihenfolge ablaufen müssen. Antwort a) betriebsmittelorientierte Synchronisierung. Für jedes Betriebsmittel eine Semaphorvariable. Hier: 1 b) logische Synchronisierung. Für jeden Synchronisierungspunkt beim Übergang von einer Task zur nächsten eine Semaphorvariable. Hier: , IAS Universität Stuttgart 308

64 5 Echtzeit-Programmierung 5.1 Problemstellung 5.2 Echtzeit-Programmierverfahren 5.3 Rechenprozesse 5.4 Zeitliche Koordinierung von Rechenprozessen 5.5 Kommunikation zwischen Rechenprozessen 5.6 Scheduling-Verfahren 2015, IAS Universität Stuttgart 309

65 5.5 Kommunikation zwischen Rechenprozessen Begriffsbestimmung Synchronisierung = Erfüllung zeitlicher und logischer Randbedingungen beim parallelen Ablauf von Rechenprozessen Kommunikation = Austausch von Daten zwischen parallel ablaufenden Rechenprozessen 2015, IAS Universität Stuttgart 310

66 5.5 Kommunikation zwischen Rechenprozessen Möglichkeiten der Datenkommunikation Direkter Datenaustausch (Rendez-vous) Gemeinsam benutzter Speicher (shared memory) Gemeinsame Variable Gemeinsame komplexe Datenstruktur Versenden von Nachrichten (messages) Übertragung von Nachrichten von einem Rechenprozess zu einem anderen (message passing) Vor allem bei verteilten Systemen 2015, IAS Universität Stuttgart 311

67 5.5 Kommunikation zwischen Rechenprozessen Arten der Kommunikation Synchrone Kommunikation sendender und empfangender Rechenprozess kommunizieren an einer definierten Stelle im Programmablauf Warten durch Blockierung Asynchrone Kommunikation Daten werden gepuffert keine Wartezeiten 2015, IAS Universität Stuttgart 312

68 5.5 Kommunikation zwischen Rechenprozessen Frage zu Kapitel 5.5 Welchen Aussagen zur asynchronen Kommunikation zwischen Tasks stimmen Sie zu? Antwort f f Gesendete Nachrichten können zwischengespeichert werden. Sendende Tasks werden nach Absenden einer Nachricht blockiert. Empfangende Tasks werden nach dem Empfang blockiert, bis sie auf die Nachricht geantwortet haben. Tasks müssen bei der Verwendung asynchroner Kommunikation nicht aufeinander warten. 2015, IAS Universität Stuttgart 313

69 5 Echtzeit-Programmierung 5.1 Problemstellung 5.2 Echtzeit-Programmierverfahren 5.3 Rechenprozesse 5.4 Zeitliche Koordinierung von Rechenprozessen 5.5 Kommunikation zwischen Rechenprozessen 5.6 Scheduling-Verfahren 2015, IAS Universität Stuttgart 314

70 5.6 Scheduling-Verfahren Scheduling-Problem Rechenprozesse benötigen Ressourcen (Prozessor, Ein-/Ausgabegeräte usw.) Ressourcen sind knapp Rechenprozesse konkurrieren um Ressourcen Zuteilung der Ressourcen muss verwaltet werden Beispiel: Gleise im Bahnhofsbereich 2015, IAS Universität Stuttgart 315

71 5.6 Scheduling-Verfahren Scheduling Unter Scheduling versteht man die Vergabe des Prozessors an ablaufbereite Rechenprozesse nach einem festgelegten Algorithmus (Scheduling- Verfahren). Problem: 1. Gibt es für eine Menge von Tasks (Taskset) einen ausführbaren Plan (Schedule)? 2. Gibt es einen Algorithmus, der einen ausführbaren Schedule findet? Beispiel: Vorlesung - Raum - Zeit - Zuordnung 2015, IAS Universität Stuttgart 316

72 5.6 Scheduling-Verfahren Klassifizierung in Abhängigkeit vom Zeitpunkt der Planung Statisches Scheduling unflexibel bei Änderungen Planung des zeitlichen Ablaufs der Tasks erfolgt vor der Ausführung (dispatching table) Berücksichtigung von Informationen über Taskset, Deadlines, Ausführungszeiten, Reihenfolgebeziehungen, Ressourcen Dispatcher macht Zuteilung gemäß dispatching table Laufzeit- Overhead minimal determiniertes Verhalten Dynamisches Scheduling flexibel bei Änderungen Organisation des zeitlichen Ablaufs während der Ausführung der Tasks erheblicher Laufzeit-Overhead 2015, IAS Universität Stuttgart 317

73 5.6 Scheduling-Verfahren Klassifizierung nach Art der Durchführung Preemptives Scheduling laufende Task kann unterbrochen werden höherpriore Task verdrängt niederpriore Task Nicht-preemptives Scheduling laufende Task kann nicht unterbrochen werden Prozessorfreigabe durch die Task selbst 2015, IAS Universität Stuttgart 318

74 5.6 Scheduling-Verfahren Scheduling-Verfahren FIFO-Scheduling (First-in-first-out) Zeitscheibenverfahren Scheduling mit festen (unveränderlichen) Prioritäten Ratenmonotones Scheduling Verfahren der kleinsten Restantwortzeit Verfahren des kleinsten Spielraums 2015, IAS Universität Stuttgart 319

75 5.6 Scheduling-Verfahren FIFO - Scheduling Nicht-preemptives Scheduling Task, deren Einplanung am weitesten zurückliegt bekommt Prozessor einfache Realisierung ungeeignet für harte Echtzeitsysteme Beispiel: FIFO - Scheduling Task A bereit Task B bereit Task C bereit Task D bereit Tasks werden in der Reihenfolge ausgeführt, in der sie ablauffähig werden: t A B C D t 2015, IAS Universität Stuttgart 320

76 5.6 Scheduling-Verfahren Zeitscheibenverfahren (Round-Robin-Verfahren) Jede Task bekommt einen festgelegten Zeitschlitz, zu der sie den Prozessor bekommt Reihenfolge wird statisch festgelegt Abarbeitung einer Task Stück für Stück Verwendung bei Dialogsystemen (Multi-Tasking-Systeme) für harte Echtzeitsysteme untauglich 2015, IAS Universität Stuttgart 321

77 5.6 Scheduling-Verfahren Beispiel: Round-Robin-Verfahren Jeder Zeitschlitz sei 10ms groß. Die Tasks werden in der zyklischen Reihenfolge A-B-C-D abgearbeitet. Zeitdauern der Tasks: Task A: 25ms Task B: 20ms Task C: 30ms Task D: 20ms A B C D A B C D A C t/ms 2015, IAS Universität Stuttgart 322

78 5.6 Scheduling-Verfahren Scheduling mit festen Prioritäten Prioritäten werden statisch vergeben Task mit höchster Priorität bekommt Prozessor preemptive und nicht-preemptive Strategie ist möglich einfache Implementierung für harte Echtzeitsysteme nur bedingt geeignet 2015, IAS Universität Stuttgart 323

79 5.6 Scheduling-Verfahren Beispiel: Feste Prioritäten Task Prio A 1 höchste B 1 Prio C 2 D 3 E 3 Bei Tasks mit gleicher Priorität: Weitere unterlagerte Bedingung nötig. A* B C D E t * FIFO - Scheduling: A war zuerst ablauffähig 2015, IAS Universität Stuttgart 324

80 5.6 Scheduling-Verfahren Ratenmonotones Scheduling (Rate-Monotonic-Verfahren) Spezialfall des Verfahrens mit festen Prioritäten für zyklische Tasks Priorität um so höher, je kürzer die Zykluszeit (Periode) ist Task mit kleinster Zykluszeit erhält höchste Priorität preemptive Strategie Verfahren wird in der Praxis häufig verwendet 2015, IAS Universität Stuttgart 325

81 5.6 Scheduling-Verfahren Beispiel: Rate-Monotonic Scheduling Task Ausführungsdauer Zykluszeit Priorität A B C D 10 ms 20 ms 10 ms 20 ms 40 ms 50 ms 80 ms 100 ms Erste geplante Ausführung aller Tasks bei t = 0 ms. Danach werden die Tasks zyklisch wiederholt. A1 B1 C1 A2 B2 D1 a A3 C2 B3 A4 D1 b t / ms Task D wird unterbrochen 2015, IAS Universität Stuttgart 326

82 5.6 Scheduling-Verfahren Verfahren der kleinsten Restantwortzeit = Earliest-Deadline-First-Verfahren Task mit kleinster Restantwortzeit bekommt den Prozessor preemptives Vorgehen hoher Rechenaufwand für das Scheduling Einhaltung von zeitlichen Anforderungen wird speziell unterstützt 2015, IAS Universität Stuttgart 327

83 5.6 Scheduling-Verfahren Beispiel: Earliest-Deadline-First-Verfahren Task Dauer T min T max A 10 ms 0 ms 40 ms B 10 ms 0 ms 30 ms C 30 ms 30 ms 100 ms D 40 ms 50 ms 200 ms E 10 ms 70 ms 90 ms t min : frühester Termin t max : spätester Termin = Deadline Ablauf: B A C D a E D b t/ms Deadline von B ist früher als von A Deadline von E ist früher als von D Unterbrechung 2015, IAS Universität Stuttgart 328

84 5.6 Scheduling-Verfahren Verfahren des kleinsten Spielraums (least laxity) Task mit kleinstem Spielraum erhält Prozessor Berücksichtigung von Deadlines und Ausführungsdauern sehr aufwendiges Verfahren für harte Echtzeitsysteme am besten geeignet 2015, IAS Universität Stuttgart 329

85 5.6 Scheduling-Verfahren Beispiel: Least Laxity Verfahren Task Dauer Einplanung T D A 30 ms 0 ms 40 ms B 10 ms 0 ms 30 ms C 30 ms 30 ms 100 ms D 40 ms 50 ms 200 ms E 10 ms 70 ms 90 ms T D : Deadline Ablauf: A a B C E D A b t/ms 2015, IAS Universität Stuttgart 330

86 5.6 Scheduling-Verfahren Ausführbarkeitstest (schedulability test) Unter einem schedulability test versteht man die Prüfung, ob der zeitliche Ablauf für eine Menge von Tasks (Taskset) so geplant werden kann, dass jede Task ihre Deadline einhält. Nachdem es sich dabei um eine mathematische Beweisführung handelt, muss unterschieden werden zwischen notwendiger Bedingung hinreichender Bedingung notwendiger und hinreichender Bedingung 2015, IAS Universität Stuttgart 331

87 5.6 Scheduling-Verfahren Theorem von Liu und Layland (Teil I) Eine beliebige Menge periodischer Tasks (Deadline = Periode) kann durch das preemptive Earliest-Deadline-First-Verfahren ausgeführt werden, wenn gilt: i n 1 C T i i 1 Wobei: C i : Ausführungszeit der Task i T i : Zykluszeit der Task i n: Anzahl der Tasks EDF-Verfahren: notwendig und hinreichend. beliebige Schedulingverfahren: notwendige Bedingung. 2015, IAS Universität Stuttgart 332

88 5.6 Scheduling-Verfahren Theorem von Liu und Layland (Teil II) Eine beliebige Menge periodischer Tasks (Deadline = Periode) kann durch das Rate-Monotonic Verfahren ausgeführt werden, wenn gilt: n i 1 C T i i U * n n 2 1 n 1, n 1, 2,... U U U U * 1 * 2 * 3 * 1,0 0,828 0,779 ln 2 0,693 Wobei: und: C i : Ausführungszeit der Task i T i : Zykluszeit der Task i U i : Utilization (Prozessorauslastung) n: Anzahl der Tasks U i C T i i Hinreichender Test 2015, IAS Universität Stuttgart 333

89 5.6 Scheduling-Verfahren Frage zu Kapitel 5.6 Beim sogenannten shortest-job-first Scheduling-Verfahren wird zur Laufzeit jeweils zuerst die Task bearbeitet, die die kürzeste Ausführungszeit hat. Laufende Tasks können dabei aber nicht von anderen unterbrochen werden. Um welche Art von Scheduling-Verfahren handelt es sich? Antwort Planung der Tasks zur Laufzeit Eine Task kann keine andere unterbrechen. dynamisches, nicht-preemptives Scheduling-Verfahren. Bemerkung: Das shortest-job-first Verfahren ermittelt immer einen Schedule, bei dem die mittlere Ausführungsdauer minimiert wird. 2015, IAS Universität Stuttgart 334

90 Kapitel 5: Vorbereitungsfrage Vorbereitungsfragen zu Kapitel 5 Frage 1: Deadlock (WS 2003/2004) Ein Programmierer behauptet, dass es in einem System mit gemeinsam genutzten Betriebsmitteln ohne entsprechende zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen (z.b. Priority Ceiling Protocol) automatisch zu Deadlocks kommt. Stimmen Sie dieser Aussage zu? Begründen Sie Ihre Antwort. Frage 2: Gemeinsame Betriebsmittel (WS 2003/2004) Gegeben ist ein Taskset mit 5 Tasks (T1 bis T5). Die Tasks besitzen dabei feste Prioritäten entsprechend ihren Indizes, d.h. Task T1 besitzt die höchste Priorität und Task T5 die niedrigste. Das Scheduling erfolgt unter Verwendung des Priority Inheritance Protocol. Für ihre Ausführung benötigen die Tasks drei gemeinsam genutzte Betriebsmittel, wobei keine Task mehrere Betriebsmittel gleichzeitig halten kann. Die maximale Belegungsdauer für jedes Betriebsmittel beträgt 100ms. Wie groß sind die maximalen Blockierungsdauern, die auf Grund einer benötigten Ressource bei T1 und T5 auftreten können? Begründen Sie Ihre Antwort. 2015, IAS Universität Stuttgart 335