Embedded Systemarchitekturen und Echtzeitbetriebssysteme

Größe: px

Ab Seite anzeigen:

Download "Embedded Systemarchitekturen und Echtzeitbetriebssysteme"

Heini Waltz
vor 6 Jahren
Abrufe

1 Fachhochschule Würzburg-Schweinfurt Sommersemester 2006 Diplomfachprüfung im Fach Embedded Systemarchitekturen und Echtzeitbetriebssysteme (Prof. Dr.-Ing. Ludwig Eckert) Datum: , Uhr, Raum 0435 / 0437 Dauer: 90 Minuten Erreichte Punktzahl:... Note:... Hilfsmittel: Ohne schriftliche Unterlagen, Taschenrechner erlaubt Vorname:... Name:... Matrikelnr:... Erstprüfer:... Zweitprüfer:... Wichtige Hinweise: Bitte tragen Sie alle Antworten auf den folgenden Seiten direkt im Anschluss an die Aufgabentexte ein. Ergebnisse auf Zusatzblättern werden nur in begründeten Ausnahmefällen gewertet. Seite 1 von 14

2 Inhaltsverzeichnis Aufgabe ES1: Embedded Systemarchitekturen... 2 Aufgabe ES2:... 3 Aufgabe ES3:... 5 Aufgabe EBS1: Echtzeitbetriebssystem... 6 Aufgabe EBS2:... 7 Aufgabe EBS3.1:... 8 Aufgabe EBS3.2:...8 Aufgabe EBS4:... 8 Aufgabe EBS5:... 9 Aufgabe P1: Projektierung Aufgabe P1.1: Aufgabe P1.2: Aufgabe P1.3: Aufgabe P1.4: Anhang: Befehle zur Tasksynchronisation Aufgabe ES1: Embedded Systemarchitekturen Skizzieren Sie die wesentlichen Funktionsblöcke eines Timers (z. B. der µc-msp430-famile) und dessen Zusammenwirken mit der Capture/Compare-Einheit und beschreiben Sie, wie mit Hilfe dieser Funktionsblöcke ein periodisches digitales Signal erzeugt werden kann. 16-Bit Timer-Wert Zeit Seite 2 von 14

3 Aufgabe ES2: Beschreiben Sie die Funktionsweise des Interruptsystems eines Embedded Systems. Verwenden Sie dabei u. a. die Begriffe PIC, Interruptleitung, Interrupt-Vektor-Tabelle, Interrupt-Vektor, Seite 3 von 14

4 Interrupt Service Routine (ISR), Program Counter, Status Register, Stack. Bitte Skizze anfertigen. Seite 4 von 14

5 Aufgabe ES3: Zwei Universal Asynchronous Receiver/Transmitter Controller (UART) A und B mit einem Adressraum von jeweils 8 I/O-Adressen sollen an eine CPU angeschlossen werden. Die CPU stellt über einen Adressbus die Leitungen a0 bis a4 zur Verfügung. Die Registerstruktur des UART-Bausteines ist wie folgt: 1. I/O-Adresse: Daten-Empfangsregister 2. I/O-Adresse: Daten-Senderegister. 3. I/O-Adresse: Baudrate-Register 1 4. I/O-Adresse: Baudrate-Register 2 5. I/O-Adresse: Modulations-Register 3 6. I/O-Adresse: Steuer-Register 7. I/O-Adresse: Interrupt-Register 8. I/O-Adresse: Reserve a) Wie viele Adressleitungen werden pro UART zur eindeutigen Auswahl benötigt? b) Geben Sie den Adressraum für beide UART-Komponenten in hexadezimaler und in binärer Darstellung an. c) Entwerfen Sie unter Einsatz logischer Gatter eine Dekodierschaltung für die Chip-Select Signale (/CS). Beachten Sie dabei, dass im verfügbaren Adressraum der UART-Baustein A ab Hex 10h angesprochen werden soll und die Register des UART-Bausteins B mit der Startadresse 18h beginnen. Seite 5 von 14

6 d) Welche Adresse (in hexadezimaler Schreibweise) muss die CPU auf den Adressbus legen, damit das Steuer-Register des UART B erreicht wird? Aufgabe EBS1: Echtzeitbetriebssystem Was versteht man unter den Begriffen Harte Echtzeit, Weiche Echtzeit und Nicht-Echtzeit hinsichtlich der Zeitanforderungen? Seite 6 von 14

7 Aufgabe EBS2: Beschreiben Sie jeweils ein Anwendungsszenario für den Einsatz von Embedded Systems mit harten und weichen Echtzeitanforderungen (Skizzieren Sie jeweils das Embedded System). Anwendungsbeispiel mit weichen Echtzeitanforderungen Anwendungsbeispiel mit harten Echtzeitanforderungen Seite 7 von 14

8 Aufgabe EBS3.1: Auf welche Weise gelangt ein Anwenderprozess in den Zustand delayed und aus diesen Zustand wieder heraus. Aufgabe EBS3.2: Auf welche Weise gelangt ein Anwenderprozess in den Zustand blockiert und aus diesen Zustand wieder heraus? Nennen Sie drei mögliche Gründe dafür. Aufgabe EBS4: Erläutern Sie kurz die Aufgaben der folgenden Komponenten: - Scheduler - Dispatcher - Context-Switch - Echtzeitsystem Seite 8 von 14

9 Aufgabe EBS5: Benennen Sie mindestens 4 Schedulingstrategien und beschreiben sie diese.. Seite 9 von 14

10 Aufgabe P1: Projektierung Nachfolgend ist das zeitliche Sollverhalten von 4 Rechenprozessen (RP1-4) dargestellt, wobei der RP4 die höchste und RP1 die niedrigste Priorität aufweist. Aufgabe P1.1: Tragen Sie in das nachstehende Bild die tatsächliche Abarbeitung der Rechenprozesse ein (bis zum normierten Zeitpunkt t/t = 12). hohe Priorität RP4 Priorität 1 ruhend t/t RP3 Priorität 2 ruhend t/t RP2 Priorität 3 ruhend t/t niedrige Priorität RP1 Priorität 4 ruhend t/t Bild: Zeitliches Sollverhalten der Rechenprozesse RP1 RP2 RP3 RP4 ruhend t/t Bild: Tatsächlicher zeitlicher Ablauf der Rechenprozesse Seite 10 von 14

11 Aufgabe P1.2: Wie beurteilen Sie die Ausführung der einzelnen Rechenprozesse RP1 bis RP4 unter dem Gesichtspunkt der Rechtzeitigkeit? Aufgabe P1.3: Berechnen Sie den Auslastungsgrad des Prozessors (alle Prozesse sollen von einem Prozessor abgearbeitet werden)? Aufgabe P1.4: Tragen Sie den zeitlichen Verlauf der Taskzustände von Rechenprozess RP1, RP2 und RP3 in das nachstehende Bild ein. Seite 11 von 14

12 Seite 12 von 14

13 Aufgabe P2: In einem Echtzeit-Programm zur Automatisierung eines Produktionsprozesses werden 3 Teilprozesse durch jeweils eine weitere Task überwacht und protokolliert. Die Tasks sollen nachfolgend mit ÜBERWACHENi bezeichnet werden, wobei i die Werte i=1, 2 und 3 annehmen soll. Jede dieser Tasks liest spezifische Werte von dem jeweiligen Teilprozess ein. Anschließend werden diese Messwerte durch eine universelle Protokolliertask (die Protokolliertask trägt die Bezeichnung PROTOKOLL) in Form von Tabellen und Diagrammen auf einem Drucker ausgegeben. Durch eine geeignete Synchronisierung soll folgender Ablauf der angeführten Tasks erzwungen werden: Nach einem kompletten Durchlauf aller Überwachungstasks soll einmal die Protokolliertask ablaufen. Die Reihenfolge der Überwachungstasks untereinander ist durch die Zahl in ihrem Namen festgelegt, d. h. zuerst ÜBERWACHEN1, ÜBERWACHEN2,... Das Programm einer Task soll vollständig abgearbeitet sein, bevor das Programm einer anderen Task abgearbeitet wird. Der oben vorgegebene Ablauf soll zyklisch ablaufen können. Die Ablaufreihenfolge der Tasks ist demnach wie folgt: ÜBERWACHEN1 -> ÜBERWACHEN2 -> ÜBERWACHEN3 -> PROTOKOLL -> ÜBERWACHEN1 -> ÜBERWACHEN2 -> ÜBERWACHEN3 -> PROTOKOLL u.s.w. Aufgabe P2.1: Fügen Sie in jeder Task an der geeignenten Stelle die erforderlichen Synchronisierungsoperationen zur Sicherstellung der Ablaufreihenfolge ein. Verwenden Sie dabei ausschließlich binäre Semaphoren und die Befehle SemGive(SemID) und SemTake(SemID), wobei für SemID (=SemaphoreID) beliebige Namen verwendet werden können, z. B. SemID = S1 für die Tasksynchronisation von Task ÜBERWACHEN1, SemID = S2 für die Tasksynchronisation von Task ÜBERWACHEN2 usw.. Tasks ÜBERWACHEN1 ÜBERWACHEN2 ÜBERWACHEN3 PROTOKOLL // C-Source // C-Source // C-Source // C-Source // Überwachen1 // Überwachen2 // Überwachen3 // Protokollieren END. END. END. END. Aufgabe P2.2: Die Semaphoren stellen unter VxWorks Kernelobjekte dar und müssen deshalb vor Ihrer Verwendung mit SemBCreate() einmalig erzeugt und mit einem Anfangswert, SEM_EMPTY = 0 oder SEM_FULL = 1, initialisiert werden. Mit welchen Anfangswerten müssen die von Ihnen verwendeten Semaphoren (SemID1,..) initialisiert werden? Seite 13 von 14

14 Anhang: Befehle zur Tasksynchronisation SEM_ID = sembcreate(int options, SEM_B_STATE initialstate) // Rückgabewert: Semaphor ID oder NULL // Options: SEM_Q_PRIORITY: Warteschlange nach Priorität und FIFO-Prinzip, // SEM_Q_FIFO: Warteschlange nur nach FIFO-Prinzip. // initalstate: SEM_EMPTY oder SEM_FULL. // Hinweis: Der Semaphor ist nach Aufruf arbeitsbereit. STATUS = semgive(sem_id semld) // signalisiert die Semaphore semid // Rückgabewert: OK oder ERROR, wenn Fehler bei der Signalisierung STATUS = semtake(sem_id semld, int timeout) // nimmt die Semaphore semid // Rückgabewert: OK oder ERROR, wenn Semaphore semid nicht vorhanden ist oder wenn // eine Wartezeitüberschreitung aufgetreten ist. // Timeout: NOWAIT, WAIT_FOREVER oder Anzahl Ticks warten // Hinweis: Diese Funktion kann nicht in einer ISR aufgerufen werden. STATUS = semdelete(sem_id semld) // Semaphoren werden durch semdelete() gelöscht. // Rückgabewert: OK oder ERROR // Hinweis: Der Semaphor wird gelöscht. STATUS = semflush(sem_id semld) // Rückgabewert: OK oder ERROR // Hinweis: Alle Tasks, die auf das Semaphor warten, werden in den Ready-Zustand versetzt Befehle zur Taskgenerierung Id = taskspawn (name, priority, options, stacksize, entrypoint, arg1,.. arg10); // Task kreieren und aktivieren name: Name der Task, bestehend aus ASCI Zeichen; "tmeine_task" priority: in VxWorks wählbar zwischen 0 (höchste) bis 255 (niedrigste) Priorität options: Optionen z. B. für das "Task-Debugging" stacksize: Größe des Stackspeichers für eine Task in Bytes entrypoint: Hier wird der Name der C-Funktion eingetragen, die im Taskkontext ablaufen soll. arguments: Diese Argumente sind die C-Funktionsübergabeparameter der entrypoint-funktion. Seite 14 von 14

Ähnliche Dokumente

Prozessdatenverarbeitung II Echtzeit-Programmierung

Fachhochschule Würzburg-Schweinfurt Wintersemester 2005/2006 Diplomfachprüfung im Fach Prozessdatenverarbeitung II Echtzeit-Programmierung (Prof. Dr.-Ing. Ludwig Eckert) Datum: 01.02.2006, 14.00 Uhr, Raum