6 Echtzeit-Betriebssysteme
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- Kirsten Voss
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1 Kapitel 6: Echtzeit-Betriebssysteme 6 Echtzeit-Betriebssysteme Lernziele: Wissen, was ein Betriebssystem ist Erklären können, was man unter Betriebsmitteln versteht Die Aufgaben eines Echtzeit-Betriebssystems kennen Verstehen, was Interrupts sind Erklären können, wie die Speicherverwaltung arbeitet Das Vorgehen bei der Entwicklung eines Mini-Betriebssystems kennen Den Aufbau eines Beispiel-Mini-Betriebssystems verstanden haben Wissen, wie das Mini-Betriebssystem funktioniert Die Erweiterungen des Mini-Betriebssystems verstanden haben Die Abläufe im Mini-Betriebssystem nachvollziehen können Eine Übersicht über Echtzeit-Betriebssysteme erhalten 2015, IAS Universität Stuttgart 336
2 6 Echtzeit-Betriebssysteme 6.1 Begriffsbestimmung 6.2 Organisationsaufgaben eines Echtzeit-Betriebssystems 6.3 Entwicklung eines Mini-Echtzeit-Betriebssystems 6.4 Software-Systementwurf des Mini-Echtzeit-Betriebssystems 6.5 Beispiele für Echtzeit-Betriebssysteme 6.6 Prozessoren mit mehreren Kernen 2015, IAS Universität Stuttgart 337
3 6.1 Begriffsbestimmung Definition Definition DIN 44300: Betriebssysteme sind die Programme eines digitalen Rechensystems, die zusammen mit den Eigenschaften der Rechenanlage die Grundlage der möglichen Betriebsarten des digitalen Rechensystems bilden und insbesondere die Abwicklung von Programmen steuern und überwachen. Betriebssystem Systematisch aufgebaute Sammlung von Steuerungsund Hilfsprogrammen Zuteilung der vorhandenen Betriebsmittel zu den konkurrierenden Rechenprozessen Scheduling Erleichterung der Bedienung und Programmierung des Rechners und der angeschlossenen Geräte für den Anwender Treiber 2015, IAS Universität Stuttgart 338
4 6.1 Begriffsbestimmung Eigenschaften von Betriebssystemen Realisierung der hardwareabhängigen Aufgaben häufig Mitlieferung vom Hersteller des Rechners effizientes Betriebssystem setzt genaue Kenntnis der Hardwarestruktur voraus vielfach für ganze Rechnerlinie Amortisierung der hohen Entwicklungskosten eines Betriebssystems Größe mehrere kb bei Mikrorechnern mehrere Hundert GB bei Großrechnern Integration klassischer Betriebssystembestandteile in Form von Halbleiterchips 2015, IAS Universität Stuttgart 339
5 6.1 Begriffsbestimmung Betriebsmittel Objekte, die Rechenprozesse während des Ablaufs benötigen und auf deren Zuteilung sie warten müssen Geräteeinheiten Prozessoren Speicher Peripheriegeräte wie Drucker Systemprogramme 2015, IAS Universität Stuttgart 340
6 6.1 Begriffsbestimmung Kategorien von Echtzeit-Betriebssystemen (1) Echtzeit-UNIX/Linux-konforme Systeme Portable Operating System Interface: IEEE 1003 / IEC 9945-Standard für Schnittstelle zwischen Applikation und Betriebssystem Kompatibel zu UNIX-System Erweiterungen um Echtzeitfunktionalitäten in IEEE Einsatz bei Prozessleitsystemen Echtzeit-Kernel UNIX/Linux-kompatibler Mikro-Kernel mit - Speicherverwaltung - Interruptverarbeitung - Scheduler - Taskverwaltung - Schnittstellen auf der Basis von TCP/IP optimal an Anforderungen angepasst gut optimierter Code für unterschiedliche Plattformen Bsp.: VxWorks, QNX 2015, IAS Universität Stuttgart 341
7 6.1 Begriffsbestimmung Kategorien von Echtzeit-Betriebssystemen (2) Echtzeit-Betriebssystemerweiterungen Erweiterung von Nicht-Echtzeit-Betriebssystemen Bibliothek zur Einhaltung der Echtzeitbedingungen Reine Echtzeit-Betriebssysteme sehr effizient flexibel konfigurierbar vom Aufbau/Erscheinungsbild her an UNIX/Linux orientiert oftmals spezifisch auf Problembereiche angepasst Bsp.: FreeRTOS, ERCOS EK 2015, IAS Universität Stuttgart 342
8 6.1 Begriffsbestimmung Übergang von Echtzeit-Programmierung zu Echtzeit- Betriebssystem Erfassung der Prozessgrößen des technischen Systems Abbildung der Prozessgrößen des technischen Prozesses Verarbeitung und Ausgabe/Weitergabe mittels Echtzeit-Programmier- Methoden Prozessgrößen im Echtzeit-Betriebssystem Rechenzeit: Rechenzeitanforderung eines technischen Prozesses zur Verarbeitung in der Echtzeitsteuerung Releasetime: Zeitpunkt, zu dem eine Rechenzeitanforderung auftritt Prozesszeit: Zeitlicher Abstand zwischen zwei Rechenzeitanforderungen gleichen Typs Periode Deadline: Frühester und spätester Zeitpunkt für eine Reaktion Ausführungszeit: Summe der CPU-Zyklen für die Abarbeitung 2015, IAS Universität Stuttgart 343
9 6.1 Begriffsbestimmung Frage zu Kapitel 6.1 Was sind die Aufgaben der Rechenprozess-Verwaltung eines Betriebssystems? Antwort Erzeugung von Prozessen auf Anforderung des Betriebssystems. Erzeugung von Prozessen auf Anforderung anderer Prozesse. Kommunikation zwischen Prozessen. Entfernung von Prozessen. 2015, IAS Universität Stuttgart 344
10 6 Echtzeit-Betriebssysteme 6.1 Begriffsbestimmung 6.2 Organisationsaufgaben eines Echtzeit-Betriebssystems 6.3 Entwicklung eines Mini-Echtzeit-Betriebssystems 6.4 Software-Systementwurf des Mini-Echtzeit-Betriebssystems 6.5 Beispiele für Echtzeit-Betriebssysteme 6.6 Prozessoren mit mehreren Kernen 2015, IAS Universität Stuttgart 345
11 6.2 Organisationsaufgaben eines Echtzeit-Betriebssystems Aufgaben eines Echtzeit-Betriebssystems Verwaltung von Rechenprozessen und Betriebsmitteln wie Geräten, Speicher, Prozessoren, Netzwerk unter Erfüllung der Forderungen nach Rechtzeitigkeit, Gleichzeitigkeit und Effizienz. Betriebssystemfunktionen Prozess- und Datenabstraktion Organisation des Ablaufs der Rechenprozesse (Scheduling) Organisation der Speicherverwaltung Organisation des Ablaufs bei Abstraktion der Hardware Organisation der Interruptverwaltung Organisation der Ein-/ Ausgabe Verwaltung von Peripheriegeräten bzw. Komponenten irregulären Betriebszuständen und des (Wieder-) Anlaufs 2015, IAS Universität Stuttgart 346
12 6.2 Organisationsaufgaben eines Echtzeit-Betriebssystems Grundsätzliche Bestandteile eines Betriebssystems Applikationsschicht Dienste Bibliotheken Systemaufruf-Schnittstelle E/A-Manager, Interrupts Prozess- Manager, Scheduler Speicher- Manager Betriebssystemkern (Kernel) organisiert Applikationszugriffe, Systembibliotheken und Hardwarezugriffe Treiber-Schicht Abstrahiert Zugriffe auf die Hardware (standardisierte Schnittstelle) Hardware Prozessoren und Chipsätze einer Hardwarearchitektur 2015, IAS Universität Stuttgart 347
13 6.2 Organisationsaufgaben eines Echtzeit-Betriebssystems Rechenprozess-Verwaltung Arten von Rechenprozessen Anwenderprozesse Systemprozesse zentrale Protokollierung Verwaltung von Speichermedien Null-Prozess Aufgaben bei der Rechenprozess-Verwaltung Koordinierung des Ablaufs von Anwender- und Systemprozessen Parallelbetrieb möglichst vieler Betriebsmittel Abarbeitung von Warteschlangen bei Betriebsmitteln Synchronisierung von Anwender-Systemprozessen Vermeidung, Entdeckung und Behebung von Deadlocks 2015, IAS Universität Stuttgart 348
14 6.2 Organisationsaufgaben eines Echtzeit-Betriebssystems Speicherverwaltung Preis von Speicherplatz proportional zur Zugriffsgeschwindigkeit Speicherhierarchie-Ebenen optimale Nutzung notwendig Cache-Speicher (besonders schneller Halbleiterspeicher) Arbeitsspeicher Plattenspeicher Diskette Aufgaben der Speicherverwaltung Optimale Ausnutzung der schnellen Speicher Koordinierung des gemeinsamen Zugriffs auf einen Speicherbereich Schutz des Speicherbereichs verschiedener Rechenprozesse gegen Fehlzugriffe Zuweisung von physikalischen Speicheradressen für die logischen Namen in Anwenderprogrammen 2015, IAS Universität Stuttgart 349
15 6.2 Organisationsaufgaben eines Echtzeit-Betriebssystems Behandlung irregulärer Betriebszustände Klassifizierung von Fehlern (1) fehlerhafte Benutzereingaben nicht zulässige Eingaben müssen mit Fehlerhinweisen abgelehnt werden fehlerhafte Anwenderprogramme Gewährleistung, dass ein fehlerhaftes Anwenderprogramm keine Auswirkungen auf andere Programme hat 2015, IAS Universität Stuttgart 350
16 6.2 Organisationsaufgaben eines Echtzeit-Betriebssystems Klassifizierung von Fehlern (2) Hardwarefehler/-ausfälle Erkennung von Hardwarefehlern bzw. -ausfällen Rekonfigurierung ohne die fehlerhaften Teile Abschaltsequenzen bei Stromausfällen Deadlocks aufgrund dynamischer Konstellationen sichere Vermeidung von Deadlocks ist nicht möglich Deadlockerkennung mit Behebung durch Entzug von Betriebsmitteln 2015, IAS Universität Stuttgart 351
17 Steigende Prio 6.2 Organisationsaufgaben eines Echtzeit-Betriebssystems Interrupt-Verwaltung Unterbrechung des geplanten Programmablaufs Beauftragung einer Behandlungsroutine Geplanter Programmablauf: (ohne Interrput) Steuerungsprogramm t Tatsächlicher Ablauf: (mit Interrupt) Interrupt 1 ISR 1 Interrupt Service Routine Steuerungsprogramm Steuerungsprogramm t 2015, IAS Universität Stuttgart 352
18 6.2 Organisationsaufgaben eines Echtzeit-Betriebssystems Behandlung von Interrupts Erzeugung und Verarbeitung von Interrupts Anstoß einer Interrupt-Routine bei gleichzeitiger Unterbrechung des gerade laufenden Rechenprozesses Priorisierung von Interrupts Hardwarefunktionen für die Interrupt-Behandlung (Mikrosekunden-Bereich) 2015, IAS Universität Stuttgart 353
19 6.2 Organisationsaufgaben eines Echtzeit-Betriebssystems Ein-/Ausgabesteuerung Verschiedenartige Typen von Ein-/Ausgabegeräten Unterscheidung in Kommunikationsverhalten (z.b. Geschwindigkeit) Unterscheidung in Datenformaten Realisierung der Ein-/Ausgabesteuerung Schnittstelle hardwareabhängig/hardwareunabhängig Hardwareabstraktionsschicht des Betriebssystems realisiert den Zugriff und isoliert die spezifische Hardware von Betriebssystemkern Hardwareunabhängige Ebene für die Datenverwaltung und den Datentransport Hardwareabhängige Ebene, die alle gerätespezifischen Eigenschaften berücksichtigt (Treiber-Programme) 2015, IAS Universität Stuttgart 354
20 6.2 Organisationsaufgaben eines Echtzeit-Betriebssystems Echtzeitbetriebssysteme (1) Echtzeitanwendung ohne spezielle Systemsoftware Direkter Zugriff der Applikation auf Hardware Verwaltung der Prozessorinitialisierung und Interrupts durch Applikation Parallelverarbeitung nur durch Realisierungsmaßnahmen möglich, ohne Echtzeit-Scheduling über Interupts Poor-Man s-multithreading Realisierung in Assembler oder C Echtzeitanwendung mit Standard-Betriebssystem Für diverse Hardware-Plattform verfügbar Bibliotheken mit vorgefertigten Routinen gut optimierter Code und System-Security Einsatz bei weicher o. harter Echtzeitanforderung zw. 100 ms ~ 1000 ms moderne Funktionalitäten 2015, IAS Universität Stuttgart 355
21 6.2 Organisationsaufgaben eines Echtzeit-Betriebssystems Echtzeitbetriebssysteme (2) Echtzeiterweiterung für Standardbetriebssysteme Deterministisches Zeitverhalten durch prioritätsbasiertes Scheduling oder Vergabe von Echtzeitprioritäten Verwendung von speziellen Interrupt-Routinen, die Prioritäten bei der Bearbeitung (Primär- / Secondäranteile) zuweisen Unterschiede bei der Bearbeitung von Echtzeitbedingungen und Betriebssystem-internen Prozessen bei Einprozessorsystemen Anpassung des Betriebssystemkernel Verlagerung der zeitkritischen Prozesse der Echtzeitapplikation in den Kernel Kompensation der langsamen echtzeit-ungerechten Applikationsebene durch Kernel-basierte direkte Ausführung kürzere Latenzzeiten 2015, IAS Universität Stuttgart 356
22 6.2 Organisationsaufgaben eines Echtzeit-Betriebssystems Beispiel Echtzeitbetriebssystem VxWorks Plattformen z.b: in Pathfinder- Weit verbreitet, viele Einsatzgebiete Mission zum Mars Verschlüsselungsmöglichkeiten für Anwendersoftware (Security) Zertifiziertes Scheduling- und Speichermanagement schützt sicherheitskritische Prozesse (Safty) Geheime Applikation Partition / Middleware Nicht-klassifizierte Applikation Partition / Middleware Applikation Echtzeit-Systemkern mit Systemroutinen, Scheduler, Speichermanager und kryptografischer Verschlüsselung Kernel Hardware-spezifische Anpassung Hardware 2015, IAS Universität Stuttgart 357
23 6.2 Organisationsaufgaben eines Echtzeit-Betriebssystems Beispiel Echtzeitbetriebssystem Echtzeit-Linux Kleiner Echtzeitkern, der als eigenständige Task (Linux-Task) abläuft Linux-Task wird nur aufgerufen, wenn keine Echtzeit-Tasks lauffähig sind Echtzeitkern sorgt dafür, dass Interrupts die Linux-Task jederzeit unterbrechen können Echtzeitkern verwaltet die Linux Interrupts Linux-Tasks Echtzeit- Tasks Echtzeit- FIFOs Linux Echtzeitkern Interrupt-Control-Hardware 2015, IAS Universität Stuttgart 358
24 6.2 Organisationsaufgaben eines Echtzeit-Betriebssystems Echtzeitbetriebssysteme auf Multicore-Basis Zuordnung der (Nicht-) Echtzeitaufgaben zu Prozessoren / Prozessorkernen Dynamische Verteilung durch Scheduler Statische Verteilung durch Systemarchitekt Zuordnung von Interrupts zu den einzelnen Prozessoren / Prozessorkernen Control-Gruppe Gesamtauslastung eines Prozessors < 100% Nicht- Echtzeitaufgaben Nicht- Echtzeitfähig Kern 0 Kern 1 Kern n Echtzeitfähig Echtzeitfähig Kern 0 Kern 1 Kern 2 Kern n Hoch-priore Echtzeitaufgabe Echtzeitaufgaben 2015, IAS Universität Stuttgart 359
25 6.2 Organisationsaufgaben eines Echtzeit-Betriebssystems Frage zu Kapitel 6.2 Betrachten sie zwei unterschiedliche Automatisierungssysteme: Steuerung eines Kaffeeautomaten Bahnregelung eines Roboters Um was für einen Typ von System handelt es sich jeweils? Für welches System ist die Interrupt-Verwaltung eines Betriebssystems besonders wichtig? Antwort Kaffeeautomat: ereignisgesteuertes System Prozesse durch Interrupts angestoßen. Robotersteuerung: zeitgesteuertes System keine Interrupts, sondern Bearbeitung der Ereignisse im nächsten Durchlauf. 2015, IAS Universität Stuttgart 360
26 6 Echtzeit-Betriebssysteme 6.1 Begriffsbestimmung 6.2 Organisationsaufgaben eines Echtzeit-Betriebssystems 6.3 Entwicklung eines Mini-Echtzeit-Betriebssystems 6.4 Software-Systementwurf des Mini-Echtzeit-Betriebssystems 6.5 Beispiele für Echtzeit-Betriebssysteme 6.6 Prozessoren mit mehreren Kernen 2015, IAS Universität Stuttgart 361
27 6.3 Entwicklung eines Mini-Echtzeit-Betriebssystems Zielsetzung Vorstellung des Aufbaus und der Arbeitsweise eines Echtzeit-Betriebssystems in stark vereinfachter Form Schrittweiser Verzicht der getroffenen Vereinfachungen Vorgehen bei der Entwicklung 1. Klärung der Aufgabenstellung, Festlegung der Anforderungen 2. Fachtechnische Lösungskonzeption 3. Software-Systementwurf 4. Implementierung 2015, IAS Universität Stuttgart 362
28 6.3 Entwicklung eines Mini-Echtzeit-Betriebssystems Entwicklungsschritte mit Entwicklungsdokumenten Software - Systementwurf Klärung und Festlegung der Anforderungen Fachtechnische Lösungskonzeption Grobentwurf des Programmsystems Feinentwurf des Programmsystems Implementierung Lastenheft Pflichtenheft Blockbilder Flussdiagramme Programm 2015, IAS Universität Stuttgart 363
29 6.3 Entwicklung eines Mini-Echtzeit-Betriebssystems Klärung und Festlegung der Anforderungen Verwaltung von maximal n Rechenprozessen (RPs) Zyklischer RP 1 Interruptbasierter RP 1 n = m + k Zyklischer RP m Interruptbasierter RP k ein Prozessor zur Ausführung von Operationen keine Optimierung der Abläufe durch Simultanabarbeitung von Rechen- und E/A-Operationen Zeitsignal für zyklische Aktivierung durch internen Taktgeber Taktimpulse in festem Zeitabstand T (z.b. T = 20ms) unterschiedliche Zykluszeiten für die zyklischen Rechenprozesse 2015, IAS Universität Stuttgart 364
30 6.3 Entwicklung eines Mini-Echtzeit-Betriebssystems Vereinfachungen, die später stufenweise aufgehoben werden 1. Summe aller Rechenzeiten der Rechenprozesse kleiner als Zeitabstand T Sicherstellung, dass beim nächsten Uhrimpuls-Takt alle Rechenprozesse beendet sind 2. Keine Verwaltung von Rechenprozessen, die durch Interrupt angestoßen werden nur zyklische Rechenprozesse 3. Keine Betriebsmittelverwaltung E/A-Zeiten vernachlässigbar klein 2015, IAS Universität Stuttgart 365
31 6.3 Entwicklung eines Mini-Echtzeit-Betriebssystems Fachtechnische Lösungskonzeption Verfahren der asynchronen Programmierung asynchrone Beauftragung der einzelnen Rechenprozesse keine feste Reihenfolge der Tasks Konfliktstrategie nach Prioritätsnummern Teillösungen Zykluszeit-Bildung Ableitung der unterschiedlichen Zykluszeiten der Tasks aus dem Uhrimpuls-Takt Zustandsführung der Rechenprozesse Beauftragung der Tasks zu den jeweiligen Zykluszeiten und definierte Beendigung Start der Rechenprozesse Start der Task, die an der Reihe ist 2015, IAS Universität Stuttgart 366
32 6.3 Entwicklung eines Mini-Echtzeit-Betriebssystems Lösungskonzept des Mini-Betriebssystems Teillösung 1: Zykluszeit-Bildung Bilden der Zykluszeiten T 1, T 2,..., T m Teillösung 2: Beauftragung der Rechenprozesse zu den Zeiten T 1..., T m, und Beenden der Beauftragung Zustandsführung der Rechenprozesse Teillösung 3: Start der Rechenprozesse Starten der beauftragten Rechenprozesse nach Prioritäten 2015, IAS Universität Stuttgart 367
33 6.3 Entwicklung eines Mini-Echtzeit-Betriebssystems Zykluszeit-Bildung Aufgabe: 1. Bildung des Zusammenhangs zwischen den Zykluszeiten T i (i = 1,2,...,m) und der Zeitdauer T Annahme: T i >> T T i = a i T a i ganzzahlige Zykluszeitfaktoren (i=1,2,...,m) 2. Zeitdauervariable Z i (i=1,2,...,m) a) Eintreffen des Uhrimpuls-Takts verringert Z i um 1 b) Z i = 0 bedeutet: Zykluszeit T i ist abgelaufen Zurücksetzen von Z i auf den Anfangswert a i 2015, IAS Universität Stuttgart 368
34 6.3 Entwicklung eines Mini-Echtzeit-Betriebssystems Teillösung 1: Zykluszeit-Bildung Einführung dimensionsloser, ganzzahliger Zykluszeit-Faktoren T 1 = a 1 T a 1 = T 2 = a 2 T a 2 = T m = a m T a m = T 1 T T 2 T T m T Definition von (dimensionslosen) Zeitdauervariablen z 1, z 2,..., z m mit den Anfangswerten z 1 = a 1 z 2 = a 2 z m = a m Uhrimpulstakt Bei jedem Eintreffen des Uhrimpuls-Taktes im Zeitabstand T : => Dekrementieren der Variablen z i (vermindern um 1), d.h. Bildung von z 1 := z 1-1 z 2 := z 2-1 z m := z m , IAS Universität Stuttgart 369
35 6.3 Entwicklung eines Mini-Echtzeit-Betriebssystems Teillösung 1: Zykluszeit-Bildung (2) Sobald eine Variable z i = 0 geworden ist, ist die betreffende Zykluszeit T i erreicht. Daher wird dieses Ergebnis an die Lösungskomponente 2 gemeldet, die den Rechenprozess i beauftragt (in den Zustand "bereit" bringt). Zu/ von Teillösung 2 Rücksetzen der betreffenden Zeitdauervariablen auf den Anfangswert z i := a i, Fortsetzen mit Lösungskomponente 2. Zu Teillösung , IAS Universität Stuttgart 370
36 6.3 Entwicklung eines Mini-Echtzeit-Betriebssystems Teillösung 2: Zustandsführung der Rechenprozesse Aufgabe: Verwaltung der Zustände der Rechenprozesse ruhend bereit laufend Buchführung über die jeweiligen Zustände Durchführung von Zustandsänderungen 2015, IAS Universität Stuttgart 371
37 6.3 Entwicklung eines Mini-Echtzeit-Betriebssystems Teillösung 2: Zustandsführung der Rechenprozesse von Teillösung 1 zurück zu Teillösung 1 Bei Eintreffen einer Meldung, dass eine Zykluszeit T i abgelaufen ist: Beauftragung des betreffenden Rechenprozesses (in den Zustand "bereit" setzen). von Teillösung 1,wenn alle Zeitdauervariablen bearbeitet sind In der Liste denjenigen Rechenprozess ermitteln, der im Zustand "bereit" ist und dabei die höchste Priorität aufweist Liste der momentanen Zustände der Rechenprozesse Meldung an die Lösungskomponente 3 (dort wird der betreffende Rechenprozess gestartet). Start-Meldung zu Teillösung 3 Nach Ausführung eines Rechenprozesses: In der Zustands-Liste den Zustand "ruhend" eintragen. Ende-Meldung von Teillösung , IAS Universität Stuttgart 372
38 6.3 Entwicklung eines Mini-Echtzeit-Betriebssystems Start der Rechenprozesse Aufgabe: Ermittlung der Startadresse Start des Rechenprozesses Beendigung des Rechenprozesses überwachen 2015, IAS Universität Stuttgart 373
39 6.3 Entwicklung eines Mini-Echtzeit-Betriebssystems Teillösung 3: Start der Rechenprozesse Start-Meldung von Teillösung 2 Nach der Meldung von der Lösungskomponente 2: Startadresse des betreffenden Rechenprozesses ermitteln. Start des betreffenden Rechenprozesses (Unterprogramm-Sprung an die Startadresse) Ende-Meldung zu Teillösung 2 Meldung an Lösungskomponente 2, dass Rechenprozess beendet ist. 2015, IAS Universität Stuttgart 374
40 6.3 Entwicklung eines Mini-Echtzeit-Betriebssystems Frage zu Kapitel 6.3 Welche Aufgaben müssen beim Start eines Rechenprozesses durchgeführt werden? Antwort f f Ermittlung des derzeitigen Zustandes des Prozesses. Überprüfung, ob der Prozess der momentan höchstpriore Prozess ist. Ermittlung der Startadresse des Prozesses. 2015, IAS Universität Stuttgart 375
41 6 Echtzeit-Betriebssysteme 6.1 Begriffsbestimmung 6.2 Organisationsaufgaben eines Echtzeit-Betriebssystems 6.3 Entwicklung eines Mini-Echtzeit-Betriebssystems 6.4 Software-Systementwurf des Mini-Echtzeit-Betriebssystems 6.5 Beispiele für Echtzeit-Betriebssysteme 6.6 Prozessoren mit mehreren Kernen 2015, IAS Universität Stuttgart 376
42 6.4 Software-Systementwurf des Mini-Echtzeit-Betriebssystems Zerlegung des Mini-Echtzeit-Betriebssystemprogramms Teilprogramm ZEITVERWALTUNG zur Bildung der unterschiedlichen Zykluszeiten Teilprogramm TASKVERWALTUNG zur Verwaltung der Rechenprozesse Teilprogramm PROZESSORVERWALTUNG Zuteilung des Betriebsmittels Prozessor Start der Rechenprozesse MINI-ECHTZEIT- BETRIEBSSYSTEM Ebene 1 ZEIT- VERWALTUNG TASK- VERWALTUNG PROZESSOR- VERWALTUNG Ebene , IAS Universität Stuttgart 377
43 6.4 Software-Systementwurf des Mini-Echtzeit-Betriebssystems Zusammenwirken der Teilprogramme MINI-ECHTZEIT-BETRIEBSSYSTEM UHR- IMPULS- TAKT ZEIT- VERWALTUNG TASK- VERWALTUNG PROZESSOR- VERWALTUNG Start eines Rechenprozesses Ende eines Rechenprozesses Symbolik Anstoß (Kontrollfluss) Datenübergabe (Datenfluss) Programm bzw. Programmteil Liste von Daten bzw. einzelner Wert (Date) 2015, IAS Universität Stuttgart 378
44 6.4 Software-Systementwurf des Mini-Echtzeit-Betriebssystems Benötigte Listen für die ZEITVERWALTUNG (1) Zeitdauervariable Z i zur Zykluszeit-Bildung Liste ZEITZÄHLER Ablage der Zeitdauervariablen z i : z 1 z 2 m Plätze z 3 Liste von Variablen z m 2015, IAS Universität Stuttgart 379
45 6.4 Software-Systementwurf des Mini-Echtzeit-Betriebssystems Benötigte Listen für die ZEITVERWALTUNG (2) Zykluszeit T i für jeden Rechenprozess Liste ZYKLUS Bereitstellen der Zykluszeit-Faktoren a i : a 1 a 2 m Plätze a 3 = T i /T Liste von Konstanten a m 2015, IAS Universität Stuttgart 380
46 6.4 Software-Systementwurf des Mini-Echtzeit-Betriebssystems Blockdiagramm des Teilprogramms ZEITVERWALTUNG UHRIMPULS- TAKT ZEIT Anstoß TASKVERWALTUNG ZYKLUS ZEIT- ZÄHLER 2015, IAS Universität Stuttgart 381
47 6.4 Software-Systementwurf des Mini-Echtzeit-Betriebssystems Benötigte Liste für TASKVERWALTUNG und PROZESSORVERWALTUNG Zustände und Anfangsadressen der Rechenprozesse VERWALTUNGSBLOCK Listenstruktur zur Verwaltung der Rechenprozesse VERWALTUNGSBLOCK m Plätze B 1 B 2 B 3 B 4 Startadresse 1 Startadresse 2 Startadresse 3 Startadresse 4 B m Startadresse m Zustandsbits B i B i = 0: bereit B i = 1: ruhend Anfangsadresse des dem Rechenprozess i zugeordneten Codes (i = 1, 2,..., m) 2015, IAS Universität Stuttgart 382
48 6.4 Software-Systementwurf des Mini-Echtzeit-Betriebssystems Zerlegung des Programmteils TASKVERWALTUNG TASK- VERWALTUNG Ebene 2 AKTIVIERUNG SUCHE DEAKTIVIE- RUNG Ebene , IAS Universität Stuttgart 383
49 6.4 Software-Systementwurf des Mini-Echtzeit-Betriebssystems Blockdiagramm der TASKVERWALTUNG von/zur ZEITVER- WALTUNG AKTIVIERUNG SUCHE zur PROZESSOR- VERWALTUNG VERWALTUNGS- BLOCK Auslesen der Startadresse durch die PROZESSOR- VERWALTUNG DEAKTIVIERUNG Ende des betreffenden Rechenprozesses von der PROZESSOR- VERWALTUNG 2015, IAS Universität Stuttgart 384
50 6.4 Software-Systementwurf des Mini-Echtzeit-Betriebssystems Teilprogramme AKTIVIERUNG: DEAKTIVIERUNG: Verändern des Zustandsbits in bereit Verändern des Zustandsbits in ruhend B = 0 B = 1 SUCHE: Überprüfung, ob sich eine Task im Zustand bereit befindet Ordnung der Liste VERWALTUNGSBLOCK ermöglicht einfache Priorisierung Untergliederung PROZESSORVERWALTUNG ist nicht notwendig 2015, IAS Universität Stuttgart 385
51 PROZESSORVERWALTUNG Rechenprozesscode 6.4 Software-Systementwurf des Mini-Echtzeit-Betriebssystems Übersichtsblockdiagramm des Mini-Echtzeit-Betriebssystems UHR- IMPULS- TAKT ZEIT AKTIVIERUNG SUCHE VERWALTUNGS- BLOCK ZYKLUS ZEIT- ZÄHLER DEAKTIVIE- RUNG ZEITVERWALTUNG TASKVERWALTUNG 2015, IAS Universität Stuttgart 386
52 6.4 Software-Systementwurf des Mini-Echtzeit-Betriebssystems Frage zu Kapitel 6.4 In Echtzeit-Betriebssystemen spielen Prozessor-Zuteilungsstrategien (Scheduling-Verfahren) eine wichtige Rolle. a) Welche Aufgaben haben diese Strategien? b) In welchem Programmteil des in der Vorlesung vorgestellten Mini- Betriebssystems kommt eine Prozessorzuteilungsstrategie zum Einsatz und um welche handelt es sich? Antwort a) Bestimmung der Reihenfolge, in der die ablaufbereiten Tasks zur Ausführung gebracht werden. b) Im Programm SUCHE: Strategie der festen Prioritäten. Tasks können unterbrochen werden (preemptives Scheduling) 2015, IAS Universität Stuttgart 387
53 6 Echtzeit-Betriebssysteme 6.1 Begriffsbestimmung 6.2 Organisationsaufgaben eines Echtzeit-Betriebssystems 6.3 Entwicklung eines Mini-Echtzeit-Betriebssystems 6.4 Software-Systementwurf des Mini-Echtzeit-Betriebssystems 6.5 Beispiele für Echtzeit-Betriebssysteme 6.6 Prozessoren mit mehreren Kernen 2015, IAS Universität Stuttgart 388
54 6.5 Beispiele für Echtzeit-Betriebssysteme Marktübersicht Kriterien bei der Auswahl von Echtzeit-Betriebssystemen Entwicklungs- und Zielumgebung Modularität und Kernelgröße Leistungsdaten Anzahl von Tasks Prioritätsstufen Taskwechselzeiten Interruptlatenzzeit Anpassung an spezielle Zielumgebungen Allgemeine Eigenschaften Schedulingverfahren Intertaskkommunikation Netzwerkkommunikation Gestaltung Benutzungsoberfläche 2015, IAS Universität Stuttgart 389
55 6.5 Beispiele für Echtzeit-Betriebssysteme Auswahl kommerzieller Echtzeit-Betriebssysteme Produktname Hersteller Ziel-System Einsatz-Domäne RTA-OSEK ETAS GmbH Diverse Mikrocontroller-Familien (8~32 Bit): Infineon, TI, Xilinx, Freescale, etc. und MS-Windows- PC Steuergeräteentwicklung in der Automobilindustrie VxWorks Wind River Systems Prozessorenfamilie ARM, Intel, MIPS, und PowerPC Luft- und Raumfahrt, Verteidigung, Maschinensteuerungen, medizintechnische Geräte und Netzwerk-Infrastruktur Windows CE QNX Neutrino EmbOS Microsoft MIPS, X86, ARM, SH Produktautomatisierung (z.b. Windows-Phone) Quantum Software Systems X86, PPC, ARM, SH Automobilsteuerungssysteme und Handys Segger Mikrocontroller-Plattformen 8~32 Bit Eingebettete Echtzeitapplikationen μitron Ken Sakamura & Tron association 8-bit or 16-bit ARM, MIPS, X86, FR- V Eingebettete Geräte, Produktautomatisierung 2015, IAS Universität Stuttgart 390
56 6.5 Beispiele für Echtzeit-Betriebssysteme Frage zu Kapitel 6.5 Welche Kriterien sind bei der Auswahl eines Echtzeitbetriebssystems relevant, das für die Mikrocontroller-Steuerung einer Waschmaschine verwendet werden soll? Antwort f f Zielsystem Dateisystem Netzwerkunterstützung ROM-Fähigkeit 2015, IAS Universität Stuttgart 391
57 6 Echtzeit-Betriebssysteme 6.1 Begriffsbestimmung 6.2 Organisationsaufgaben eines Echtzeit-Betriebssystems 6.3 Entwicklung eines Mini-Echtzeit-Betriebssystems 6.4 Software-Systementwurf des Mini-Echtzeit-Betriebssystems 6.5 Beispiele für Echtzeit-Betriebssysteme 6.6 Prozessoren mit mehreren Kernen 2015, IAS Universität Stuttgart 392
58 Programmausführung 6.6 Prozessoren mit mehreren Kernen Einsatz von Prozessoren mit mehreren Kernen Die Performance von Software kann durch Aufteilung von Programmen in Tasks erhöht werden. Diese können auf mehreren Kernen parallel ausgeführt werden. abwechselnde Ausführung auf einem Kern Nebenläufige oder parallele Ausführung auf mehreren Kernen Wie kann der Einsatz von Mehrkernprozessoren sinnvoll in der Automatisierungstechnik erfolgen, um die Programmausführung zu beschleunigen? 2015, IAS Universität Stuttgart 393
59 6.6 Prozessoren mit mehreren Kernen Mehrkernprozessoren Zitat: Definition: A multi-core processor is an integrated circuit to which two or more processors have been attached for enhanced performance, reduced power consumption, and more efficient simultaneous processing of multiple tasks. Vorteile Performanceerhöhung durch nebenläufige oder parallele Anwendungen Möglichkeit zur Weiterentwicklung von Hardware bei stagnierender Taktfrequenz, um die Performance der Software zu erhöhen Senkung der Stromverbrauchs (geringere Taktung) Nachteile Aufwendige Programmierung, Anpassung an Kernstruktur notwendig Anpassung der existierenden Hardware/Software notwendig Rechenleistung aufgrund kaskadierter Cache-Struktur nicht immer deterministisch 2015, IAS Universität Stuttgart 394
60 6.6 Prozessoren mit mehreren Kernen Amdahl sches Gesetz Modell für die Beschleunigung von Programmen durch parallelisierte Ausführung. Entwickelt von Gene Amdahl im Jahre Die Performanceerhöhung wird als die maximale Beschleunigung eines Threads definiert, den man durch den Einsatz von mehreren Kernen erreichen kann. 2015, IAS Universität Stuttgart 395
61 6.6 Prozessoren mit mehreren Kernen Beispiel zum Amdahl sches Gesetz 2015, IAS Universität Stuttgart 396
62 6.6 Prozessoren mit mehreren Kernen Grenzen des parallelen Rechnens Sind z.b. 10% eines Programms in seriellem Code geschrieben, so kann man maximal eine Reduzierung der Ausführungsdauer auf 10% der sequenziellen Dauer erreicht werden, unabhängig von der Anzahl der Kerne. Prozentueller Ausführungsdauer Anzahl der Kerne Paralleler Anteil: 2015, IAS Universität Stuttgart 397
63 6.6 Prozessoren mit mehreren Kernen Symmetrische Multiprozessorsysteme (SMP) Zwei oder mehr identische Prozessoren besitzen einen gemeinsamen Adressraum Ein zentrales Betriebssystem teilt die Kerne und weitere Ressourcen zu Speicher Task 1 Task 2 Task 3 Task 4 Betriebssystem T1 T1 T2 T3 T4 CPU 1 CPU 2 CPU 3 CPU 4 Ein-/Ausgänge Systemspeicher steht allen Kernen zur Verfügung. Tasks können auf mehrere Kerne dynamisch verteilt werden Scheduler sorgt dafür, dass die Prozesse möglichst gleichmäßig verteilt werden. Betriebssystem verwaltet Ein-/Ausgänge und Interrupts Cache *T1 = Task , IAS Universität Stuttgart 398
64 6.6 Prozessoren mit mehreren Kernen Echtzeit bei symmetrischen Multiprozessorsystemen Statische Zuordnung der Tasks von Hand auf einer SMP-Architektur für Anwendungsdomänen mit harten Echtzeitanforderungen z.b. in der Regelungstechnik Gleichmäßige Verteilung der Rechenprozesse auf mehrere Kerne hängt stark von der Anwendung und deren Parallelisierung ab Echtzeitanforderungen, wie zeitliche Vorhersagbarkeit, aufgrund von hierarchischen Cache-Speichern und Bandbreitenbegrenzung beim Speicher Zugriff in der Praxis schwierig Interprozesskommunikation und asynchrone Ereignisse machen das Scheduling und Debugging komplex Für Anwendungsdomänen mit harten Echtzeitanforderungen beschränkt einsetzbar 2015, IAS Universität Stuttgart 399
65 6.6 Prozessoren mit mehreren Kernen Asymmetrische Multiprozessorsysteme (AMP) Jeder Task (Verbund mehrerer Tasks) besitzt ein eigenes Betriebssystem und seine eigenen Ressourcen Ein-/Ausgänge und Interrupts sind direkt Anwendungen zugeordnet Speicher Task 1 Speicher Task 2 Speicher Speicher Task 3 Task 4 Feste Zuordnung der Tasks zu den Teilsystemen (z.b. Embedded Systems) BS 1 BS 2 BS 3 BS 4 T1 T2 T3 T4 CPU 1 CPU 2 CPU 3 CPU 4 E/A E/A E/A E/A Cache Cache Cache Cache *BS = Betriebssystem *T1 = Task 1 *E/A = Ein-/Ausgänge 2015, IAS Universität Stuttgart 400
66 6.6 Prozessoren mit mehreren Kernen Echtzeit bei asymmetrischen Multiprozessorsystemen Hat den Vorteil eine genau definierten Umgebung und eines vorhersagbaren Zeitverhaltens Stellt sicher, dass das Ergebnis eines Programms nicht vom zeitlichen Verhalten seiner Operationen abhängt Aufgrund einer direkte Zuordnung der Ein-/Ausgänge und Interrupts müssen andere Rechenprozesse nicht mehr unterbrochen werden Jedoch erfordern viele Anwendungen bei der Parallelisierung, dass eine Kommunikation der Rechenprozesse untereinander erfolgt Gute Methode für Echtzeitanwendungen aufgrund der eindeutigen Zuordnungen einzelnen Tasks 2015, IAS Universität Stuttgart 401
67 6.6 Prozessoren mit mehreren Kernen Homogene Multiprozessorsysteme Alle Kerne eines Prozessors sind identisch, takten gleich Verschiedene Cache-Speicher und gemeinsamer Speicher, der über eine Speichersteuerung verwaltet wird Heute weit verbreitet CPU kern LEVEL1-Cache LEVEL2-Cache Kern LEVEL1-Cache LEVEL2-Cache Beispiele: Intel i7 (Intel Core 2 Duo, AMD Athlon 64 X2 usw.) LEVEL3-Cache Speicher 2015, IAS Universität Stuttgart 402
68 E/A Schaltbare Kommunikationskanäle RAM 6.6 Prozessoren mit mehreren Kernen Beispiel Echtzeitarchitektur für E/A intensive Anwendungen Beispiel xcore-xa-prozessorfamilie (XMOS) Mehrkern-Mikrocontroller mit 4 bis 32 Kernen und zusätzlichen logischen Kommunikation der Kerne über schaltbare Kanäle Zahlreiche Konfigurierbare E/A Ports für unterschiedliche Anwendungen im Bereich Sensordatenverarbeitung, mehrkanalige Steuerung, Audio etc. Spezielle Software-Entwicklungsumgebung Entwicklungsumgebung Digitale E/A UART, I2C, USB, DAU etc. logischer Kern logischer Kern logischer Kern logischer Kern logischer Kern logischer Kern logischer Kern 2015, IAS Universität Stuttgart 403
69 Quelle:.cis.upenn.edu 6.6 Prozessoren mit mehreren Kernen Heterogene Multiprozessorsysteme Unterschiedliche Kerne für unterschiedliche Tasks (z.b. Betriebssystem, Dekodierung, Verschlüsselung, Berechnung von Vektorgrafiken) Weitere Kerne sind für spezifische Anwendungen ausgelegt und führen immer wieder die gleichen Tasks aus. Beispiel: CELL Prozessor von Sony-Toshiba-IBM für Grafik Rendering / Games SPE SPU LS DMA SPE SPU LS DMA SPE SPU LS DMA SPE SPU LS DMA SPE SPU LS DMA SPE SPU LS DMA SPE SPU LS DMA SPE SPU LS DMA 1 Hauptkern (Steuerung) 8 Co-Kerne (Berechnungen und Datentransfers) PPE L 2 L 1 Power Core Speicher-Controller BUS-Schnittstellen- Controller SPE = Synergistic Processing Element, SPU = Synergistic Processing Unit (Arithmetisch-logische Einheit (ALU) mit SIMD (Single Instruction Multiple Data)), LS = Lokaler Speicher, DMA = Direct Memory Access (mittels eines Memory Flow Controller), L1/L2 = Caches 2015, IAS Universität Stuttgart 404
70 6.6 Prozessoren mit mehreren Kernen Heterogen-vernetzte Systeme am Beispiel des Kraftfahrzeugs Früher verteilte, autarke Automatisierungssysteme (ABS, Motorsteuerung, ) Netzwerke mit Steuergeräten als Knoten, um z.b. Messdaten auszutauschen Verteilung von Rechenprozessen im Netzwerk möglich Anz. Beispiel Daimler (E-Klasse) 92 Steuergeräte Bussysteme (W219) 2002 (W211) (W221) (W212 MOPF) 2015, IAS Universität Stuttgart 405
71 6.6 Prozessoren mit mehreren Kernen Ansätze für zukünftige Mehrprozessor-Systeme Grundprinzipien: Unterscheidung zwischen globalen und lokalen Ressourcen Das Scheduling der globalen Ressourcen wird vom Betriebssystem übernommen, das der lokalen Ressourcen von einer Softwarekomponente Aufgeteilte Ressourcen stehen Anwendungen entweder exklusiv zur Verfügung oder können geteilt werden Scheduling innerhalb einer Softwarekomponente mittels eines Scheduler 2015, IAS Universität Stuttgart 406
72 6.6 Prozessoren mit mehreren Kernen Ansätze für zukünftige Mehrprozessor-Systeme Beispiele: Parallelisierte Anwendung im Netzwerk Task A Task B Load-Balancing im Netz Infrastruktur, Betriebssystem und Methodik? Viele Forschungsfragen: - Wie koordiniert man Objekte und Services im Internet der Dinge und Dienste? - Welche Möglichkeiten zur Verteilung von Aufgaben gibt es? - Wie realisiert man den Test von massiv verteilten Systemen? 2015, IAS Universität Stuttgart 407
73 Kapitel 6: Vorbereitungsfrage Vorbereitungsfrage zu Kapitel 6 Frage 1: Mini-Betriebssystem (SS 2006) Warum kommt das in der Vorlesung vorgestellte Mini-Betriebssystem in seiner ersten Erweiterung mit weniger als 4 Zuständen aus? Welche Zustände des Zustandsmodells von Rechenprozessen werden nicht benötigt? Warum? 2015, IAS Universität Stuttgart 408
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