Eingebettete Systeme

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1 Institut für Informatik Lehrstuhl für Eingebettete Systeme Prof. Dr. Uwe Brinkschulte Benjamin Betting 1. Aufgabe (DMA) Eingebettete Systeme 4. Übungsblatt Lösungsvorschlag a) Eigenschaften für die Datenübertragung von/zum Ein-/Ausgabegerät bei Verwendung von Polling, Interrupts und DMA Polling: Beim Polling werden die Ein-/Ausgabegeräte zyklisch abgefragt. Zwischen den einzelnen Abfragen wird der Prozessor nicht von der Ein-/Ausgabe genutzt. Nach einem festgelegten Intervall beansprucht das Polling den Prozessor, um die in der Zwischenzeit eingetroffenen Ereignisse (ein- bzw. ausgehende Daten) zu verarbeiten. Diese Verarbeitung benötigt je nach auszuführenden Aktionen (z.b. wenn auf allen bzw. keinen Geräten Daten vorliegen) unterschiedlich lange. Es ist aber möglich eine obere Grenze für die Ausführungszeit anzugeben. Ein-/Ausgabegeräte die zu Beginn der Abfragerunde bearbeitet werden haben dabei eine relativ Konstante maximale Latenzzeit. Tritt ein Ereignis (z.b. eingehende Daten) nach der Abfrage ein, muss bis zur nächsten Abfrage gewartet werden. Beim Polling werden die Datenübertragungen vom Prozessor realisiert. Interrupt: Ein-/Ausgabeoperationen rufen Unterbrechungen vor, dabei muss die Priorität der jeweiligen Unterbrechung beachtet werden. Die Operation mit der höchsten Priorität hat vor allen anderen Vorrang. Da ein eintretendes Ereignis direkt eine Unterbrechungsanforderung hervorruft, ist die Latenz bis zu Ein-/Ausgabeoperation im Idealfall sehr gering. Kommt es jedoch zu mehreren gleichzeitigen Ereignissen verschiedener Ein-/Ausgabegeräten kann nur das Gerät mit der höchsten Priorität diese kurze Latenz erreichen. Die Anfragen der weiteren Geräte werden dementsprechend verzögert. Da nicht absehbar ist wie häufig die Ereignisse auftreten, kann eine maximale Latenzzeit bis zur Bearbeitung nicht bestimmt werden. Bei der Ein-/Ausgabeansteuerung, wird der Prozessor nur verwendet, wenn auch tatsächlich Ein-/Ausgabeoperationen notwendig sind. Die Datenübertragung wird wie beim Polling auch vom Prozessor ausgeführt. DMA: Im Gegensatz zum Polling und der Verarbeitung über Interrupts wird die Datenübertragung bei DMA nicht über den Prozessor geleitet sondern der Datentransfer erfolgt über den DMA-Controller. Es ist dem Ein-/Ausgabegerät 1

2 dabei möglich in den Speicher zu schreiben oder aus dem Speicher zu lesen. Der Prozessor übernimmt hierbei nur die Initialisierung dieser DMA-Kanäle. Wie bei der Interruptmethode wird der Prozessor über einen Interrupt über ein Ereignis informiert. Er muss jedoch nicht die Daten von den Ein-/Ausgabepuffern in den Speicher transferieren. Der Interrupt wird ausgelöst, wenn die Datenübertragung bereits abgeschlossen ist. Durch dynamische Priorisierungen (siehe Aufgabenteil b) kann eine maximale Latenz der Ein-/Ausgabe erreicht werden. b) Der Vorteil von DMA-Kanälen ist, dass die Datenübertragung nicht vom Prozessor vorgenommen und er so entlastet wird. Der Prozessor wird nur zur Initialisierung der der DMA-Kanäle in Anspruch genommen. Bei mehreren Ein-/Ausgabegeräten ist es von Vorteil jedem Gerät einen eigenen Kanal zuzuweisen. In diesem Fall ist die Steuerung des Datenaustausches vom Prozessor auf den DMA-Controller ausgelagert. Für die Realisierung von mehreren DMA-Kanälen werden ein gemeinsames Steuerwerk im DMA-Controller und pro Kanal Register und Peripherieschnittstellen benötigt. Aufgrund der gemeinsamen Steuerung wird eine Priorisierung für die einzelnen Kanäle benötigt. Es sind dabei auch dynamische Prioritäten mölich. So kann z.b. ein DMA-Kanal nach der Benutzung auf die geringste Priorität gesetzt werden. Dies verhindert ein Aushungern der Ein-/Ausgabegeräte. c) Unterschiedlichen Wortbreiten zwischen Quelle und Ziel kann es zu dem Problem kommen, das entweder zu viele oder zu wenige Daten für einen Speicherzugriff vorhanden sind: Ist die Wortbreite der Quelle größer als die des Ziels, muss ein Datenwort für die ÃIJbertragung zerlegt werden. Im anderen Fall, also die Zielwortbreite ist größer als die der Quelle, genügt ein Datum von der Quelle nicht aus um ein Wort des Zieles zu füllen. Es müssen daher mehrere Quellwörter zu einem Wort des Zieles zusammengesetzt werden. Es können also für mehrere Lesezugriffe einen Schreibzugriff bzw. für einen Lesezugriff mehrere Schreibzugriffe benötigt werden. Ein DMA-Controller, welcher verschiedene Datenwortbreiten unterstützt, muss also über Puffer verfügen um ein Wort zu zerlegen oder zusammenzufügen. Weiterhin muss der Controller beim Inkrementieren des Adresszählers die unterschiedliche Datenwortbreite berücksichtigen (z.b. wurde auf der Quelle ein Wort (z.b. 4 Byte) gelesen und im Ziel ein Quadwort (z.b. 4x1Byte) geschrieben, dann muss der Adresszähler für das nächste (im Speicher folgende) Wort den Adresszähler der Quelle um 1 und den Adresszähler des Ziels um 4 erhöhen). Der DMA-Controller muss erkennen, ob es sich um einen Transfer zwischen unterschiedlichen Wortbreiten handelt und dementsprechend die Wörter zusammenfügen oder aufteilen. Der Betrieb im Fly-By-Modus ist nur für eine gleiche Quell- und Zielwortbreite möglich. 2. Aufgabe (Signalprozessoren) a) Man benötigt bei einer Abtastung von Signalen bis 30 khz eine Abtastfrequenz von 2 30kHz = 60kHz (laut dem Shannonschen Abtast-Theorem). b) Anzahl der Instruktionen: 10MHz 60kHz =

3 c) Blockschaltbild: Eingang (Mono) Tiefpaß fmax = 30 khz Bedienfeld P0 Mikrocontroller Host- Schnittstelle AD-Wandler DI1 Signalprozessor LRCK1 BCLK1 f Abtast = 44.1 khz f Serial = f Abtast * 16 Abtast- Takt ATMega 28 P1 P2 (Koeffizientenund Programmtransfer) NEC μpd6382 DO1 Delay- Schnittstelle DA-Wandler Anzeigefeld Tiefpaß fmax = 30 khz Ausgang 3

4 d) y(t) = ( v1 t 0 ) x(τ)dτ + ( v2 x(t) e at) Y (s) = v1 X(s) x Eigenschaften der Laplace-Transformation: Linearität: + v2 X(s a) Originalfunktion: a 1 f 1 (t) + a 2 f 2 (t) Bildfunktion: a 1 F 1 (s) + a 2 F 2 (s) Verschiebung im Bildbereich: Originalfunktion: e at f(t) Bildfunktion: F (s + a) (a C) Integration im Originalbereich: Originalfunktion: f 0 f(u)du Bildfunktion: 1 s F (s) 3. Aufgabe (Grundlagen von Echtzeitsystemen) a) Je nach Strenge der einzuhaltenden Zeitbedingungen unterscheidet man zwischen den folgenden drei Klassen: Weiche Echtzeitsysteme Feste Echtzeitsysteme Harte Echtzeitsysteme Als Beispiel sei hier ein autonomes Fahrzeug gegeben, dass zur Temperaturüberwachung eingesetzt wird. Die periodische Abfrage des Temperatursensors ist ein Beispiel für ein weiches Echtzeitsystem. Eine Temperaturmessung darf auch mal eine Deadline überschreiten, ohne dass sie wiederholt werden muss. Die Positionsbestimmung des Fahrzeugs ist ein Beispiel für ein festes Echtzeitsystem. Wenn diese ihre Deadline nicht einhält, so ist die ermittelte Position wertlos und die Positionsbestimmung muss wiederholt werden. Als Beispiel für ein hartes Echtzeitsystem dient die Kollisionserkennung des Fahrzeugs. Die Kollisionserkennung muss ihre Deadline immer einhalten, da sonst das Fahrzeug zu Schaden kommen könnte. b) Wertfunktion eines weichen Echtzeitsystems: 4

5 Nach dem Überschreiten der Deadline sinkt der Wert des Ergebnisses langsam immer weiter ab, bis es komplett wertlos ist. Wertfunktion eines festen Echtzeitsystems: Sobald die Deadline überschritten wurde, ist das Ergebnis nutzlos und somit ohne Wert. Wertfunktion eines harten Echtzeitsystems: 5

6 Nach dem Überschreiten der Deadline ist nicht nur das Ergebnis nutzlos, sondern es ist auch ein Schaden aufgetreten. Die Wertfunktion sinkt daher in den negativen Bereich. 4. Aufgabe (Echtzeitprogrammierung) a) Der zeitliche Verlauf der Taskzuteilungen bei einer synchronen Programmierung sieht folgendermaßen aus: aktiver Thread T3 T2 T1 Ruhe Zeit [ms] b) Der zeitliche Verlauf der Taskzuteilungen bei einer asynchronen Programmierung mit FPP-Scheduling sieht folgendermaßen aus: aktiver Thread T4 T3 T2 T1 Ruhe Zeit [ms]