Überblick. Realzeitbetriebssysteme. Aufgaben. Architekturübersicht einer Robotersteuerung. Realzeitbetriebssysteme

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1 Überblick Einführung Realzeitbetriebssysteme etriebsystemarchitekturen Interprozesskommunikation Scheduling Handling Dateisysteme Tools, Zubehör, etc. Zusammenfassung - QNX Realzeitbetriebssysteme Torsten Kröger ufgaben rchitekturübersicht einer Robotersteuerung PInterface Leistungselektronik P unter??? WinNT-P treiber für Manipulator TP/IPInterface GUI Regler MiRP Object Zero++ Programm Realzeitbetriebssysteme µ/os, R&D ooks Miller Freeman Inc.; µitron, TRON ssociation - ITRON Technical ommittee; IX, IM; MX, KDK Products Ltd; riel, Microware Systems orporation; RTOS, Locamation; SPx, DN Enterprises, Inc.; rainstorm Object executive, rainstorm Engineering ompany; yte-os, yte-os Integrated Systems; Executive, JMI Software Systems Inc.; himera, The Robotics Institute arnegie Mellon University; horusos, Sun Microsystems; MX, MX ompany; ORTEX, ustralian Real Time Embedded Systems (RTESYS); REEM, GOOFEE Systems; RTX, Starom; DD-I da ompiler Systems (DS), DD-I, Inc.; Diamond, L; eos, ygnus Solutions; Embedded DOS -XL, General Software, Inc.; EOS, Etnoteam S.p..; EROS EK, ETS GmbH & o.kg; EUROS, Dr. Kaneff Engineering onsultants; Fusion OS, Pacific Softworks; Granada, Ingenieursbureau -ware; Harmony Real-Time OS, Institute for Information Technology; National Research ouncil of anada; Helios, Perihelion Distributed Software; HP-RT, Hewlett-Packard; Hyperkernel, Imagination Systems, Inc.; Inferno, Lucent Technologies; INTEGRITY, Green Hills Software, Inc.; INtime (real-time Windows NT), irmx, Radisys orp.; IRIX, Silicon Graphics, Inc.; irmx III, RadiSys orporation; ITS OS, In Time Systems orporation; Jed, Oberon microsystems, Inc.; JOS, JRP micro operating system; Joshua, David Moore; LP-RTWin Toolkit, LP Elektronik GmbH; LP-VxWin, LP Elektronik GmbH; LynxOS, Lynx Real-Time Systems; M/OS runtime environment, Mercury omputer Systems, Inc.; MotorWorks, Wind River Systems Inc.; MTEX, Telenetworks; NevOS, Microprocessing Technologies; Nucleus PLUS, ccelerated Technology Inc.; OS-, Microware Systems orp.; OS/Open, IM Microelectronics North merican Regional Sales Office; OSE, Enea OSE Systems; OSEK/VDX, Universität Karlsruhe ; PDOS, Eyring orporation Systems; PER - Portable Executive for Reliable ontrol, NewMonics; pf/x, Forth, Inc.; PowerMX OS, oncurrent omputer orporation; Precise/MQX, Precise Software Technologies Inc; PRIM-OS, SSE zech und Matzner; psos, psosystem, Integrated Systems, Inc.; PXROS, HighTec EDV Systeme GmbH; QNX, QNX Software Systems, Ltd.; QNX/Neutrino, QNX Software Systems, Ltd.; Real-time Extension (RTX) for Windows NT, Venturom, Inc.; Real-Time Software, Encore Real Time omputing Inc.; RELTIME RFT, TESI; Realtime ETS Kernel, Phar Lap Software, Inc.; RMOS, Siemens G; Roadrunner, ornfed Systems, Inc.; RT-Linux, New Mexico Tech; RT-mach, arnegie Mellon University; RTEK, Motorola; RTEMS, OR orporation; RT, On Time Informatik GmbH; RTMX O/S, RTMX Inc.; RTOS-UH/PERL, Universität Hannover; RTTarget-, On Time Informatik GmbH; RTX-, RTX-, RTX-, Keil Software; RTX, Embedded System Products, Inc.; RTXDOS, Technosoftware G; RxDOS, pi Software; Smx, Micro Digital, Inc.; SoftKernel, Microdata Soft; SORIX /, Siemens G; SPOX, Spectron Microsystems, Inc.; SunOS, Solaris, Sun Microsystems, Inc.; Supertask!, U S Software; SwiftOS, Forth, Inc.; X, Express Logic, Inc.; Tics, Tics Realtime; TNT Embedded Tool Suite, Phar Lap Software, Inc.; Tornado/VxWorks, Wind River Systems Inc.; TSX-, S&H omputer Systems, Inc.; UNOS, harles River Data Systems, Inc; velosity, Green Hills Software, Inc.; VERSdos Real-Time Operating System, Linden Technologies, Inc.; Virtuoso, Eonic Systems; VRTX, Microtec (Stand /) Research; Windows E, Microsoft Inc.; XOS/I-, Nexilis ommunications orp.; XTL, xe, Inc. ProgramEditor Teachox Kollisionsschutz Sensoren TP/IPInterface... treiber für Sensoren... Vergleich und ktuelle Interessenlagen etriebssystem QNX VxWorks E Windows E.NET Installation und Konfiguration RTOS rchitektur PI-Umfang Internet Support Tools Dokumentation und Support Performance-Test Quelle: Dedicated Systems,

2 nforderungen an ein Realzeitbetriebssystem Flache rchitektur verwaltung Prioritätsgesteuerte orzuteilung, bei gleichzeitiger Vermeidung von Prioritätsinversion Interprozesskommunikation Deterministisches verhalten Unterbrechbarkeit des etriebssystemkerns Möglichst kurze ntwortzeiten und Kontextwechselzeit pplikation pplikation Gemeinsame dressierung des Speichers ohne Speicherschutz! Dateisystem Grafikunterstützung E/-Manager Gerätetreiber Netzwerktreiber Grafiktreiber usw... Monolithische rchitektur zugriff bei Monolithischer rchitektur pplikation Dateisystem Grafikunterstützung pplikation E/-Manager monolithischer Kernel geschützter Speicher Gerätetreiber Netzwerktreiber Grafiktreiber usw... DeviceIoontrol() Erzeugt I/O Request Packet (IRP) und ruft Treiber auf Win Subsystem I/O-Manager treiber Win User Mode Kernel Mode Vervollständigt IRP und sendet Return Status Windows NT eispiel Linux eispiel RT-Linux User pplikationen Linux-Kernel User pplikationen Linux-Kernel RT-FIFOs Shared Memory RT-Tasks RT-Linux- RT-Linux- Kernel

3 UPM-rchitektur (Universal--Modell) geschützter Speicher geschützter Speicher GUI- Manager pplikation E/- Manager Mikrokernel Dateisystem Gerätetreiber pplikation Netzwerktreiber... Treiber für Grafik Merkmale der System-rchitekturen Flache rchitektur alle Softwaremodule in demselben dressraum (kein Speicherschutz!) Änderungen erfordern Testung der kompletten Software Monolithische rchitektur nwendungsmodule in einem speichergeschützten dressraum low-level -orientierte (HW-Treiber, Dateisystem usw. ) sind in demselben dressraum Erschwerte Fehlersuche bei Systemabsturz UPM-rchitektur Erholung von Softwarefehlern ohne Neustart nur essentielle Dienste innerhalb des Kernels Kernel enthält nur wenig Programmcode der fehlerhaft sein könnte unwahrscheinlich, dass ein (evtl. schlecht programmiertes) Modul den Kernel korrumpieren kann jeder Teil des Softwaresystems lässt sich ohne Neustart beliebig starten, stoppen, verändern oder aktualisieren Der QNX-Microkernel s und e IP Netzwerkschnittstelle Netzwerk Manager QNX System mit eigenem geschützten dressraum QNX System mit eigenem geschützten dressraum Weiterleitung Scheduler Netzwerkmedien mit eigenem geschützten dressraum mit eigenem geschützten dressraum interrupts Quelle: QNX Operating System System rchitecture QNX IP Message-passing mit Nachrichten I Service Implementiert im: hannelreate() onnection hannel onnectttach() Message-passing Kernel Signals Kernel POSIX Message Queues externen Shared Memory manager Pipes externen FIFOs externen

4 Message-passing mit Nachrichten II Message-passing Zustandsdiagramm onnection hannel MsgReply() oder MsgError() SEND MsgSend() Nachricht ntwort MsgReceive() MsgReply() MsgReceive() REEIVE MsgSend() MsgReceive() REDY MsgSend() MsgReply() oder MsgError() MsgReceive() REPLY MsgSend() Nachricht lokaler ntwort MsgReply() anderer Message-passing mit Pulses Signals MsgSendPulse() MsgSendPulse() it ode it Value it ode it Value MsgReceivePulse() MsgReceivePulse() kill() Signal ufhebung der lockierung ufruf Signalhandler Message-passing über das Netzwerk Datendurchsatz QNX-Knoten Willy QNX-Knoten Klaus Nachricht ( yte) Qnet Qnet etriebssystem Solaris SunOs.. Sparc ULTR- ntwort ( yte) manager manager Kommunikationsart Message Queues Datendurchsatz ~ k/s open(/net/klaus/dev/ser,...) ser Linux Kernel. QNX. MHz Pentium MHz eleron Message Queues QNX-Nachrichten ~ k/s ~ k/s

5 -Scheduling eispiel für FIFO-Scheduling Warteschlange der e im Zustand REDY priorität Warteschlange der s im Zustand REDY D E F G H I priorität D E F G H I eispiel für FIFO-Scheduling Warteschlange der s im Zustand REDY Round-Robin-Scheduling Warteschlange der s im Zustand REDY priorität G D E F H I priorität D E F G H I daptives Scheduling (QNX ) Sporadic Scheduling I Warteschlange der s im Zustand REDY Priorität N Replenishment period T ( Wiederauffüllungszeit ) udget time priorität Priorität L Höchstens /T Prozent PU-uslastung auf Priorität N!

6 Sporadic Scheduling II Schwierigkeiten bei /-Modellen N L = ms T = ms ms ms T T ms priorität REEIVE priorität Prioritätsinversion anderer SEND/REPLY getriebene Priorität Synchronisationsdienste Mutexes priorität REEIVE priorität Prioritätsvererbung anderer SEND/REPLY ondvars arriers Sleepon locks Reader/writer locks Semaphores FIFO scheduling Send/Receive/Reply tomic operations Interrupt Handling I Interrupt Handling II IRQ ISR triggert Treiberthread Interrupt Interrupt Handler Scheduling Treiberthread IRQ x Triggert ISR x IRQ y ISR y Triggert

7 Echtzeitperformance Interrupt Interrupthandler triggert Pulse. µs. µs Interrupt usführungszeit usführungszeit Treiberprozeß läuft Deferred Procedure all (DP) µs µs Scheduling- QNX auf MHz Pentium Windows NT auf MHz Pentium DP- Quelle: QNX Treiberprozeß läuft Quelle: irp Plattendateisysteme DOS (-it FT) DOS (-it FT; Partitionen <M) DOS erweiterte Partition DOS. (-it FT; Partitionen >=M) OS/ HPFS vorangegangene QNX Version (vor-) QNX.x und.x ("qny") QNX.x und.x ("qnz") DOS -it FT; Partitionen bis zu G QNX POSIX Partition UNIX LINUX Weitere Dateisysteme Tools und Zubehör NFS-Dateisystem (Network File System, NFS) Ermöglicht transparenten Dateizugriff auf entfernte Dateisysteme anderer etriebssysteme, die NFS unterstützen. SM-Dateisystem ( Message lock, SM), IFS (ommon Internet File System) Protokoll für den gemeinsamen Zugriff auf Dateien. Es wird von verschiedenen n wie Windows NT, Windows, Windows for Workgroups, LN-Manager und Samba benutzt. Es erlaubt einem QNX- transparent auf entfernte Laufwerke von solchen n zuzugreifen. Flash-Dateisystem Ermöglicht Zugriff auf Flash-Speichermedien. Wichtig für Embedded nwendungen! komplette IDE für, ++, Embedded ++, Java pplication uilder Driver Deveopment Kits diverse weitere Wizzards GNU /++ ompiler, Linker und Debugger Photon Graphische enutzeroberfläche für QNX Phindows Einbindung von Photon in eine MS-Windows Umgebung PhinX Einbindung von Photon in eine X Windows Umgebung...

8 Zusammenfassung - QNX Quellen POSIX-konformes Realzeitbetriebssytem Microkernel-rchitektur Plattformen: X, PP, RM, MIPS, SH zunehmender Einsatz im ereich Embedded Systems Gute Scheduling- und en Umfangreiche Programmiertools und Zubehör Nicht-kommerzielle Version kostenlos zum Download: QNX-Hauptseite: Vertrieb QNX in Deutschland: Vertrieb QNX in Deutschland Echtzeitbetriebssysteme: QNX Neutrino RTOS V. System rchitecture für Fragen... Einführung Realzeitbetriebssysteme etriebsystemarchitekturen Interprozesskommunikation Scheduling Handling Dateisysteme Tools, Zubehör, etc. Zusammenfassung

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