Harte und weiche Echtzeitsysteme

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1 Harte und weiche Echtzeitsysteme Material zur Vorlesung Echtzeitsysteme I+II im Studienfach Technische Informatik an der Hochschule Niederrhein. Jürgen Quade

2 Harte und weiche Echtzeitsysteme: Material zur Vorlesung Echtzeitsysteme I+II im Studienfach Technische Informatik an der Hochschule Niederrhein. von Jürgen Quade V2.0, So Jul 11 13:47:06 CEST 2004 Dieses Buch darf unter der Bedingung, dass die eingetragenen Copyright-Vermerke nicht modifiziert werden, kopiert und weiterverteilt werden. Die kommerzielle Nutzung (Weiterverkauf) ist ohne Zustimmung des Autors bislang nicht erlaubt. Da auch die Quellen des Buches zur Verfügung stehen, ist die Modifikation, Erweiterung und Verbesserung durch andere Autoren möglich und sogar erwünscht. $Id: ezsi.sgml,v /03/18 16:20:18 quade Exp $ $Id: legalnotice.sgml,v /01/04 21:44:42 quade Exp $ $Id: literatur.sgml,v /04/22 18:24:23 quade Exp $ $Id: definitionen.sgml,v /03/27 07:55:08 quade Exp $ $Id: prozess.sgml,v /04/07 18:44:38 quade Exp $ $Id: realtime.sgml,v /07/11 11:47:06 quade Exp quade $ $Id: os.sgml,v /07/11 11:47:06 quade Exp quade $ $Id: programmierung.sgml,v /07/11 11:47:06 quade Exp quade $ $Id: feldbus.sgml,v /03/27 07:55:08 quade Exp $ $Id: Multiplex.sgml,v /01/04 21:44:42 quade Exp $ $Id: sicherheit.sgml,v /09/27 15:00:48 quade Exp $ $Id: verfuegbar.sgml,v /01/04 21:44:42 quade Exp $ $Id: algorithm.sgml,v /07/11 11:47:06 quade Exp quade $ $Id: entwicklung.sgml,v /03/27 07:55:08 quade Exp $ $Id: distributed.sgml,v /04/07 18:44:38 quade Exp $ $Id: petri.sgml,v /04/07 18:44:38 quade Exp $ $Id: socket.sgml,v /04/07 18:44:38 quade Exp $ $Id: IoSubSystem.sgml,v /05/05 19:49:02 quade Exp $ $Id: ir.sgml,v /11/25 14:14:23 quade Exp $ Versionsgeschichte Version V2.0 $Date: 2004/03/18 16:20:18 $ Geändert durch: $Author: quade $

3 Inhaltsverzeichnis Vorwort...?? 1. Lernziele...?? 1. Realzeitsysteme Überblick...?? 1.1. Definitionen...?? Prozesse...?? Technischer Prozess...?? Rechenprozess...?? Steuerung...?? Kognitiver Prozess...?? 1.2. Kennzeichen von Realzeitsystemen...?? Ausprägungen von Realzeitsystemen...?? Einsatzbeispiele...?? 1.3. Realzeitsystem-Komponenten...?? Abbildung des technischen Prozesses auf Rechenprozesse...?? 2. Schritthaltende Verarbeitung und Echtzeitbetrieb...?? 2.1. Echtzeitbedingungen...?? Auslastung...?? Pünktlichkeit...?? Harte und weiche Echtzeit...?? 2.2. Unterbrechbarkeit und Prioritäten...?? 2.3. Worst Case Betrachtungen...?? 2.4. Echtzeitnachweis...?? Abschätzung der Worst Case Execution Time (WCET)...?? Abschätzung der Best Case Execution Time (BCET)...?? Echtzeitnachweis bei prioritätengesteuertem Scheduling...?? Grafische Bestimmung der maximalen Reaktionszeit...?? Mathematischer Ansatz...?? Echtzeitnachweis bei Deadline-Scheduling...?? Ereignisstrom-Modell...?? Behandlung abhängiger Ereignisse...?? 3. Realzeitbetriebssysteme...?? 3.1. Lernziele...?? 3.2. Überblick...?? Aufgaben und Anforderungen...?? 3.3. Aufbau und Struktur...?? 3.4. Betriebssystemkern...?? Prozess-Management...?? Memory-Management...?? Segmentierung...?? Seitenorganisation...?? I/O Subsystem...?? Gerätezugriff auf Applikationsebene...?? Schnittstellenfunktionen...?? Zugriffsarten...?? Gerätezugriff innerhalb des Betriebssystemkerns...?? Vorgehen bei der Treibererstellung...?? Interruptbetrieb...?? Kernel-Queues...?? iii

4 Timer-Queues...?? Code-Beispiel...?? Task-Latency...?? Filesystem...?? Systemcall-Interface...?? Services...?? Bibliotheken...?? Zeitgeber...?? 3.5. Scheduling...?? Scheduling Points...?? Bewertungskritierien...?? First Come First Serve (FCFS)...?? Round Robin Scheduling...?? Prioritätengesteuertes Scheduling...?? Deadline-Scheduling...?? POSIX b...?? Schedulingverfahren in der Anwendung...?? Zuteilung von Prioritäten...?? Scheduling in VxWorks...?? Verfahren...?? Wind Scheduling...?? Unterschiede...?? Systemfunktionen zur Scheduler-Parametrierung...?? Wind-Scheduling-Funktionen...?? POSIX-Scheduling-Funktionen...?? Codefragment zum Setzen einer Priorität...?? Der O(1) Scheduler im Linux-Kernel 2.5.xx...?? 3.6. Realzeitbetriebssystem versus Standardbetriebssysteme...?? Unterschiede zwischen Realzeit- und Standardbetriebssystemen...?? Realzeiteigenschaften von Standard-Betriebssystemen...?? 3.7. Standard-Betriebssysteme in Realzeitanwendungen...?? 3.8. Realzeiterweiterungen der Standard-Betriebssysteme...?? RT-Linux...?? 4. Prozessankopplung...?? 4.1. Übersicht...?? 4.2. Physikalische Ankopplung...?? Übersicht Systembus...?? Peripherieanbindung über den Systembus...?? Erfassung serieller Prozesssignale...?? Erfassung analoger Prozesssignale...?? Ankopplung der Signale aus dem technischen Prozess...?? Direkter Speicherzugriff...?? Programmgesteuerter Kanal...?? Interruptbetrieb...?? DMA...?? Sonstige Varianten...?? Gemultiplexte Ein-/Ausgabe...?? Datenmultiplex...?? Zeitmultiplex...?? 4.3. Softwaretechnische Ankopplung...?? Einfache Peripherie...?? iv

5 Intelligente Peripherie...?? Kommunikationsmodule/Feldbusse...?? Grundlagen...?? Protokolle...?? Schichtenmodell der Kommunikation...?? Paketaufbau...?? Adressierung...?? Physikalische Verbindungsstrukturen...?? Buszugriffsverfahren...?? Zentraler Master...?? Token Protokoll...?? CSMA/CD...?? CSMA/CA...?? Charakterisierung der Feldbusse...?? Feldbus-Übersicht...?? CAN...?? PROFIBUS...?? FMS - Fieldbus Message Specification...?? DP - Dezentrale Peripherie...?? DP/V1...?? PA - Process Automation...?? Ethernet und TCP/IP im Feldbereich...?? Function Blocks...?? 5. Programmierung...?? 5.1. Programmiersprachen...?? 5.2. Programmiertechnik...?? Kontrollfluß...?? Semaphore...?? Critical Section...?? Prioritätsinversion...?? Deadlock...?? POSIX-Funktionen für Mutexe...?? Schreib-/Lese Locks...?? Weitere Schutzmaßnahmen für kritische Abschnitte...?? Events...?? Signals...?? Datenfluß/Inter-Prozess-Kommunikation...?? Mailbox...?? Shared-Memory...?? Sockets...?? Time triggered versus Event triggered...?? Busy-Loops...?? Time-Triggered...?? Event-Triggered...?? Programmierstil...?? 5.3. Schritthaltende Programmierung, Echtzeitprogrammierung...?? v

6 6. Echtzeitsysteme in sicherheitskritischen Anwendungen...?? 6.1. Zuverlässigkeit und Sicherheit...?? Grundlagen...?? Motivation...?? Begriffsbestimmung...?? Mathematische Grundlagen...?? Redundante Systeme...?? Zuverlässigkeitssteigerung...?? RAID...?? Fallbeispiele...?? Weiche Realzeitsysteme...?? Ausgangslage...?? Buch.de...?? Harte Realzeitsysteme: Space-Shuttle...?? Systemstruktur...?? 7. Realzeit-Algorithmen...?? 7.1. Bandbreiten Problematik...?? Datenreduktionsverfahren...?? 7.2. Leistungs Problematik...?? Exakte Algorithmen am Beispiel Hashing...?? Die Hash-Funktion...?? Kollisions-Auflösung...?? Näherungsverfahren...?? Randomisierte Verfahren...?? Heuristische Verfahren...?? Fuzzy-Logik...?? Mengenoperationen...?? Regeln...?? Neuronale Netze...?? Evolutionsstrategien und Genetische Algorithmen...?? Simulated Annealing...?? Treshold Accepting...?? Great Deluge Algorithm (Sintflut)...?? Bewertung...?? 8. Verteilte Systeme...?? 8.1. Mehrprozessorsysteme...?? 8.2. Mehrrechnersysteme...?? Rechner-Cluster...?? Funktionsorientierte Mehrrechnersystemen...?? 8.3. Petrinetze...?? Netzwerk Analyse...?? 9. Systementwurf...?? 9.1. Die ganzheitliche Betrachtung...?? 9.2. Host-Target Entwicklung...?? Literatur...?? Stichwortverzeichnis...?? vi

7 Tabellenverzeichnis 3-1. Interrupt Vektor Tabelle des ?? 3-2. Vergleich Task und Thread...?? 3-3. Standard-Betriebssystem versus Realzeit-Betriebssystem...?? 4-1. Einteilung von Peripherie gemäß Zugriffsgeschwindigkeit...?? 4-2. CAN: Technische Daten...?? 4-3. PROFIBUS: Technische Daten...?? 5-1. Exemplarische Zeiten der Mars-Pathfinder Tasks...?? 5-2. Einsatzmöglichkeiten unterschiedlicher Synchronisationsmethoden...?? 5-3. Unterschiede zwischen Events und Signals...?? 7-1. Hashfunktion am Telefonbuch-Beispiel...?? 7-2. Vergleich von Simmulated Annealing (SA) mit Treshold Accepting (TA) [Otto 1994]...?? 9-1. Anfoderungen und Lösungsraum...?? Abbildungsverzeichnis 1-1. Steuerung versus Regelung...?? 1-2. Zusammenhang zwischen unterschiedlichen Prozessformen...?? 1-3. Struktur eines Echtzeitsystem...?? 1-4. Realzeitsysteme und ihre Zeitanforderungen [TimMon97]...?? 1-5. Architektur einer Echtzeitsteuerung...?? 1-6. Abbildung technischer Prozesse auf Rechenprozesse...?? 1-7. Elemente der Datenflußdiagramme...?? 1-8. Einfaches DFD einer Carrerabahnsteuerung...?? 1-9. DFD Audiostreaming...?? 2-1. Anforderungsfunktion...?? 2-2. Auslastung...?? 2-3. Reaktionsbereich...?? 2-4. Maximal zulässige Reaktionszeit bei einer Rohrpost...?? 2-5. Rechnerkernbelegung durch 4 Rechenprozesse...?? 2-6. Harte und weiche Echtzeit als Kostenfunktion...?? 2-7. Benefit-Function...?? 2-8. Datenflußdiagramm Meßwertaufnahme...?? 2-9. Struktogramm Meßwerterfassung sequentiell...?? Zeitdiagramm Meßwert sequentiell...?? Struktogramm Meßwerterfassung parallel...?? Zeitdiagramm Meßwert parallel...?? Parameterauswahl für den Worst Case Fall...?? Verteilung der Rechenzeit bei minimalen Reaktionszeiten...?? Abhängige Ereignisse mit variabler Prozesszeit...?? Beispiel Variable Prozesszeiten: Rechnerkernbelegung...?? Meßprinzip zur Bestimmung der WCET...?? Grafische Berechnung der maximalen Reaktionszeit...?? Maximale Reaktionszeit im Beispiel Variable Prozesszeiten...?? Bestimmung der maximalen Reaktionszeit...?? Verifikation der Rechtzeitigkeitsbedingung (die Zahlen stammen aus dem Beispiel [Echtzeitnachweis bei prioritätsgeste?? Ereignisstrom-Modell...?? Ereignisstrom...?? vii

8 viii Inhomogener Ereignisstrom...?? Homogener Ereignisstrom...?? Ereignisdichtefunktion des inhomogenen Ereignisstroms...?? Ereignisstrom-Modell...?? Echtzeitnachweis mit Hilfe des Ereignisstrom-Modells...?? Prozessbeschreibung und Ereignisdichtefunktion...?? Rechenzeitanforderungsfunktion C(I)...?? Rechenzeitanforderungsfunktion C(I) bei verschärften Bedingungen...?? Auflösung der Abhängigkeiten...?? Rechenzeitanforderungsfunktion C(I)...?? 3-1. Betriebssystem-Architektur...?? 3-2. Unterbrechungsebenen...?? 3-3. Interruptverarbeitung...?? 3-4. Interrupt-Service-Routine in einem Realzeitbetriebssystem...?? 3-5. ISR mit Scheduler...?? 3-6. Process-Kontrollblock (TCB)...?? 3-7. Task-Zustände [Färber94]...?? 3-8. Speicherbereiche einer Task...?? 3-9. Programm zum Erzeugen einer Task...?? Programm zum Erzeugen eines Threads...?? Adreßumsetzung mittels MMU...?? Segmentierung beim 8086 [Färber94]...?? Beispiel zum Normalisieren...?? Strukturierung der logischen Adresse...?? Aufbau eines Seitendeskriptors...?? MMU auf Basis von Seitenadressierung...?? Geräteschnittstelle...?? Expliziter Warteaufruf mit Win32 Interface...?? Asynchroner Zugriff über Threads...?? Öffnen eines Gerätes im Non-Blocking Mode...?? Gleichzeitige Überwachung mehrerer Ein-/Ausgabequellen...?? Treiberauswahl...?? Einbindung des Gerätetreibers in das System...?? Datenfluß im System beim Aufruf von fread...?? Gerüst eines Gerätetreibers...?? Verzögerungszeiten...?? Lesen über den Buffercache...?? Codebeispiel Systemcall...?? Codebeispiel Library-Call...?? Verschiedene Bibliotheksarten...?? Dynamisches Laden von Funktionen während der Laufzeit...?? Zeitanforderungen (Beispiel)...?? Prinzip des Schedulings...?? Prinzip des FCFS Schedulings...?? First Come First Serve Scheduling...?? Round Robin Schedulings...?? Prioritätengesteuertes Schedulings...?? Prinzip des Deadline Scheduling...?? Beispiel für Deadline Scheduling...?? Realzeiteigenschaften beim Deadline Scheduling...?? Posix Scheduling...?? Beispiel für Wind Scheduling...??

9 3-43. O(1) Scheduler im Linux-Kernel...?? RT-Linux Systemarchitektur [Yod99]...?? 4-1. Peripheriekoppelmodule...?? 4-2. Komponenten der Ein-/Ausgabemodule...?? 4-3. Systembus...?? 4-4. Lesezyklus...?? 4-5. Digitales Eingabemodul...?? 4-6. Kontroll- und Statusregister einer seriellen Schnittstelle...?? 4-7. Control-Status-Register eines ADC...?? 4-8. AD-Wandler Signalverlauf...?? 4-9. Ankopplung eines schnellen A/D-Wandlers...?? Ankopplung eines mittelschnellen A/D-Wandlers...?? Datenübertragung unter Kontrolle der CPU...?? HW-Struktur eines typischen DMA-Controllers...?? DMA-Betriebsmodi...?? Multiplexer...?? Analogmultiplexer...?? Datenmultiplex...?? Ansteuerung einer Anzeige im Zeitmultiplex...?? Unterschiedliche Adreßlagen beim DP-Ram...?? Vereinfachtes Protokoll zum Telefonieren...?? ISO-Schichtenmodell der Kommunikation...?? Pakete werden in Pakete verpackt...?? Ausbreitung von Multicastnachrichten...?? Physikalische Verbindungsstrukturen...?? Zugriffsverfahren [Färber87]...?? Kommunikationsprimitive...?? Buszugriffsverfahren beim Controller Area Network...?? Aufbau eine CAN-Telegramms...?? FMS-Kommunikationsmodell beim PROFIBUS...?? Mehrere logische DP-Netze an einem Strang...?? Abbildung der DP-Kommunikation...?? Realzeitfähige Ethernetstruktur...?? 5-1. Elemente eines Zustandsautomaten...?? 5-2. Zustandsautomat und Automatentafel...?? 5-3. DFD des Mars-Pathfinder...?? 5-4. Mars-Pathfinder: Unsynchronisierter Datenaustausch...?? 5-5. Mars-Pathfinder: Rechnerkernbelegung bei Verwendung eines Semaphor...?? 5-6. Deadlineverletzung beim Mars-Pathfinder...?? 5-7. Prioritäten und Synchronisation...?? 5-8. Prioritätsinversion...?? 5-9. Prioritätsvererbung beim Mars-Pathfinder...?? Deadlock...?? Meßwerterfassung: Synchronisation ohne Events...?? Task A,B und C: Synchronisation durch ein Semaphor...?? Task W: Synchronisation durch ein Semaphor...?? Meßwerterfassung: Synchronisation mit Events...?? Task A, B und C: Synchronisation über Events...?? Task W: Synchronisation über Events...?? Race Condition bei Verwendung von Events...?? Basisstruktur einer Socket-Serverapplikation...?? Socket-Serverprogramm...?? ix

10 5-20. Basisstruktur einer Socket-Clientapplikation...?? Socket-Clientprogramm...?? Warten...?? Ereignis- und zeitgesteuerte Systeme...?? Phasen- und Frequenzunterschiede zwischen Soll- und Istwerten...?? Prozessnachführung bei einer Modellbahn...?? DFD einer zeitsynchronen Verarbeitungseinheit...?? Systemarchitektur einer zeitsynchronen Ausgabe...?? 6-1. Zeitverlauf des Systemzustands [Färber94]...?? 6-2. Verfügbarkeitsfunktion [Färber 1994]...?? 6-3. Badewannenkurve [Färber94]...?? 6-4. Systemzustand bezüglich der Funktionstüchtigkeit [Färber94]...?? 6-5. Serienschaltung...?? 6-6. Parallelschaltung...?? 6-7. Parallelschaltung mit Koppelkomponente...?? 6-8. Power-fail-Interrupt...?? 6-9. RAID-Level 0...?? Rechnerstruktur des Webshop buch.de...?? Hardwarestruktur Space-Shuttle...?? 7-1. Ergebnis bestimmende Faktoren...?? 7-2. Zeitanforderungen bei der Internet-Telefonie...?? 7-3. Generalisierter Ablauf eines klassichen Suchverfahren...?? 7-4. Lösungsraum...?? 7-5. Black Box...?? 7-6. Fuzzy Variable mittlere Temperatur...?? 7-7. Fuzzy Und-Operator...?? 7-8. Fuzzy Oder-Operator...?? 7-9. Fuzzy Nicht-Operator...?? Fuzzy-Set Temperatur...?? Fuzzy-Set Druck...?? Fuzzy-Set Ventilstellung...?? MAX-MIN Inferenz...?? Dreischichtiges Neuronales Netz...?? Prinzipieller Aufbau eines neuronalen Netz-Elements...?? Das Verfahren der Evolutionsstrategie...?? Mutation und Crossover...?? Evoltionsstrategie am Black Box Beispiel...?? Genetischer Algorithmus...?? Genetischer Algorithmus am Black Box Beispiel...?? Globales Maximum...?? Globales Maximum...?? Struktogramm Simmulated Annealing...?? Merkmale von Echtzeitalgorithmen...?? 8-1. Zwei Transtionen direkt hintereinander sind nicht erlaubt....?? 8-2. Unterschiedliche Übergänge bei Petrinetzen...?? 8-3. Stellen/Transitionsnetz...?? 8-4. Petrinetz einer Fertigungsstraße [Abel1990]...?? 8-5. Synchronisation durch ein Petrinetz modelliert [Abel1990]...?? 8-6. Zugriff auf ein gemeinsames Betriebsmittel [Abel1990]...?? 9-1. Entwicklungszyklus...?? 9-2. Host/Target Entwicklung...?? x

11 Beispiele 2-1. Rohrpostsystem...?? 2-2. Unterbrechbarkeit bei der Meßwerterfassung...?? 2-3. Echtzeitnachweis bei prioritätsgesteuertem Scheduling...?? 2-4. Echtzeitnachweis bei Deadline-Scheduling...?? 5-1. Rekursive und Iterative Berechnung der Fibonacci-Zahlen...?? 5-2. Visualisierung einer Modellbahn (I)...?? 5-3. Zeitsynchronisierung zwischen Rechnern...?? 5-4. Voice over IP (VoIP)...?? 5-5. Visualisierung einer Modellbahn (II)...?? 7-1. Hashwert und Hashtabelle [Sedg83]...?? 7-2. Fuzzy-Regelsatz...?? Gleichungen 2-1. Gesamtauslastung...?? 2-2. Reaktionszeit...?? 2-3. Rechtzeitigkeitsbedingung...?? 2-4. C(t) kleiner gleich t...?? 2-5. Berechnung der Rechenzeitanforderung eines periodisch aufgerufenen Jobs...?? 2-6. Ereignisdichtefunktion eines periodischen Ereignisses...?? 2-7. Rechenzeitanforderungsfunktion...?? 6-1. MTBF und MTTR...?? 6-2. Dauerverfügbarkeit und Dauerunverfügbarkeit...?? 6-3. Ausfallrate...?? 6-4. Verfügbarkeit in Abhängigkeit von der Zeit...?? 6-5. Verfügbarkeit einer Serienschaltung...?? 6-6. Unverfügbarkeit einer Parallelschaltung...?? xi

12 xii

13 Vorwort Stellen Sie sich vor, Sie fahren in Ihrem PKW und beauftragen gerade Ihren Boardcomputer damit, per Optimierungsverfahren die günstigste Strecke zu Ihrem Ziel zu finden. Keiner weiß genau warum, aber plötzlich taucht dieser Baum vor Ihrer Windschutzscheibe auf, zum Bremsen ist es zu spät und schon schraubt sich Ihr Fahrzeug um den Baum. Sie selbst werden in den Gurt gepreßt, schlagen noch einmal - glücklicherweise nur leicht - mit dem Kopf auf das Lenkrad auf und fallen dann zurück in den Fahrersitz. Gerade als Sie sich vom ersten Schreck erholt haben und einmal tief durchatmen, bläst sich mit einem lauten Knall der Airbag Ihres PKW s in Millisekundenschnelle auf um kurz darauf gleich wieder in sich zusammenzufallen. Dieses - zugegebener maßen leicht makabre - Beispiel zeigt, wie wichtig es ist, dass eine Reihe technischer Systeme fristgerecht (hier hätte sich der Airbag natürlich direkt nach dem Aufprall entfalten müssen, nicht aber Sekunden später) reagieren. Technische Systeme, die Anforderungen zeitlicher Natur besitzen, bezeichnet man als Echtzeitsysteme bzw. Realzeitsysteme. Echtzeitsysteme findet man an vielen Stellen. Die Konzipierung und Realisierung derartiger Systeme stellt dabei besondere Anforderungen und erfordert den Einsatz spezieller Techniken. Bei dem vorliegenden Arbeitsbuch handelt es sich um das Begleitmaterial zur Vorlesung Echtzeitsysteme I und II im Studienfach Technische Informatik an der Fachhochschule Niederrhein. Ziel der Vorlesung ist dabei die Vermittlung notwendigen Wissens und der notwendigen Technologie, um Realzeitsysteme konzipieren, realisieren und bewerten zu können. Obwohl das Material zum gegenwärtigen Zeitpunkt nicht vollständig und insbesondere stilistisch nicht aufbereitet ist, wird demjenigen, der Realzeitsysteme projektiert, konzipiert und realisiert ein Überblick über das Thema mit starker praktischer Relevanz gegeben. Damit der Lesende die Möglichkeit hat, angeführte Beispiele selbst zu erproben, sind diese für das Betriebssystem Linux ausgelegt. Die Vorlesung wird seit dem Wintersemester 1999/2000 abgehalten. 1. Lernziele Folgende Fragen werden behandelt: Was sind Echtzeitsysteme? Wo werden Echtzeitsysteme eingesetzt? Wodurch sind Echtzeitsysteme gekennzeichnet? Aus welchen Komponenenten bestehen Echtzeitsysteme? Und wie wählt man diese Komponenten aus? Wie werden Echtzeitsysteme entwickelt? Wie werden Echtzeitsysteme getestet (Echtzeitnachweis)? Es werden die in der Echtzeitwelt gebräuchlichen Begriffe erläutert: Hard- und Softrealtime Scheduling Kontextswitch i

14 Vorwort Rechnerkern Task Threads Critical Sections Race Condition Latency-Times Schritthaltende Verarbeitung Laufzeitsystem Feld Preemption Embedded Systems ii

15 Kapitel 1. Realzeitsysteme Überblick 1.1. Definitionen Realzeit-Steuerungssysteme bestehen aus dem technischen Prozess, den Rechenprozessen und kognitiven Prozessen. Im folgenden sollen diese Begriffe genauer erläutert werden Prozesse Ein Prozess ist nach [DIN66201] eine "Gesamtheit von aufeinander einwirkenden Vorgängen in einem System, durch die Materie, Energie oder Information umgeformt, transportiert oder gespeichert wird". Man spricht von technischen Prozessen, wenn Material oder Energie umgeformt, transportiert beziehungsweise gespeichert wird, und von Rechenprozessen bei der Umformung, beim Transport beziehungsweise bei der Speicherung von Information Technischer Prozess Ein technischer Prozess ist gekennzeichnet durch (physikalische) Zustandsgrößen. Viele dieser Zustandsgrößen können durch Sensoren (Meßwertaufnehmer) erfaßt und durch Aktoren (Stellglieder) beeinflußt werden. Typische Zustandsgrößen sind Temperatur, Druck, Feuchtigkeit oder Position. Beispiele für Sensoren: Endlagenschalter Temperaturmesser Winkelgeber Füllstandsmesser Beispiele für Aktoren: Motoren Ventile Relais Technische Prozesse lassen sich weiter nach der Art der vorwiegend verarbeiteten Variablen klassifizieren [Lauber 76]. Diese Variablen können sein: 1. Physikalische Größen mit kontinuierlichem oder wenigstens stückweise kontinuierlichem Wertebereich. 2. Binäre Informationselemente, die Ereignissen zugeordnet werden können. 3. Informationselemente, die einzeln identifizierbaren Objekten zugeordnet werden können. Aus diesen drei Grundtypen leiten sich damit drei Klassen von technischen Prozessen ab: 1

16 Kapitel 1. Realzeitsysteme Überblick Fließprozess Beim Fließprozess, der auch als dynamischer Prozess bezeichnet wird, treten vorwiegend physikalische Größen auf. Die ablaufenden Vorgänge sind zeit- und ortsabhängig. Beispiele für Fließprozesse finden sich im Bereich der Drucküberwachung und der Energieerzeugung in Kraftwerken. Folgeprozess Werden vorwiegend binäre diskrete Informationen verarbeitet, die Ereignisse melden oder auslösen, spricht man vom Folgeprozess. Derartige Informationen werden beispielsweise bei Aufzugsteuerungen verarbeitet oder bei Prüfvorgängen von Geräten. Stückprozess Stückprozesse schließlich zeichnen sich durch einzeln identifzierbare Stücke (Objekte) aus, die sich in ihrer Position und/oder ihrem Zustand ändern. Den Objekten werden zeitkontinuierliche oder zeitdiskrete Werte zugeordnet. Stückprozesse findet man zum Beispiel bei Transportvorgängen, Lagervorgängen oder Fertigungsvorgängen Rechenprozess Ein Rechenprozess ist der Umformung, Verarbeitung und des Transportes von Informationen gewidmet. Im Regelfall berechnet er aus Eingabewerten Ausgabewerte. Ein Rechenprozess wird durch ein Programm beschrieben. Ein Programm beschreibt die Abfolge der Befehle und ist damit zunächst statisch. Die Instanz eines Programmes (die dynamische Abarbeitung des Programms also) ist dann der Rechenprozess. Anstelle des Begriffes Rechenprozess wird oft auch der Begriff Task verwendet, insbesondere um eine Verwechselung mit dem technischen Prozess begrifflich auszuschließen. Moderne Rechnersysteme und vor allem auch Realzeitsysteme sind in der Lage, quasi parallel (in der Realität jedoch nur sequentiell) mehrere Rechenprozesse gleichzeitig zu bearbeiten (Multitasking) Steuerung Die Summe der Rechenprozesse und deren Ablaufumgebung (Hardware und Software) wird als Steuerung bezeichnet. Die Aufgabe der Steuerung ist: Erfassung der Zustandsgrößen des technischen Prozesses. Beeinflußung des technischen Prozesses. Koordination der Prozessabläufe. Überwachung der Prozessabläufe. Nach [DIN 19226] unterscheidet man zwischen einer Steuerung und einer Regelung je nachdem, ob ein geschlossener Regelkreis vorliegt oder nicht. Vielleicht weil im Englischen nur das Wort control existiert, wird im deutschen Sprachgebrauch auch dann oftmals der Begriff Steuerung verwendet, wenn es sich im eigentlichen Sinn um eine Regelung handelt (z.b. Speicherprogrammierbare Steuerung). 2

17 Kapitel 1. Realzeitsysteme Überblick Rechen prozeß technischer Prozeß Rechen prozeß technischer Prozeß Aktor( en) Aktor( en) Sensor( en) gesteuerter Prozeß geregelter Prozeß Abbildung 1-1. Steuerung versus Regelung Man spricht also von einem geregelten - im Gegensatz zum gesteuertem - Prozess, wenn dieser jeweils mindestens einen Wandler für ein Ein- als auch ein Ausgangssignal (Aktor und Sensor) besitzt (Bild Steuerung versus Regelung). Dabei wird der Eingangswert (die Stellgröße) durch den über einen Sensor gewonnenen Zustandswert des Prozesses beeinflußt Kognitiver Prozess Als kognitive Prozesse schließlich bezeichnet man die Verarbeitung, Umformung und den Transport von Informationen innerhalb des menschlichen Bedieners. Durch entsprechende Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI, Human-Machine-Interface) nimmt der Bediener Einfluß auf die Rechenprozesse und auch direkt auf die technischen Prozesse. Für die Betrachtung der Rechenprozesse ist es jedoch nicht entscheidend, aus welcher Quelle die zu verarbeitenden Eingaben kommen. Kognitive Prozesse spielen daher bei den weiteren Betrachtungen eine untergeordnete Rolle (und werden wie Eingaben aus dem technischen Prozess behandelt). Ein Beispiel für einen derartigen kognitiven Prozess ist die Steuerungssoftware des Rangierbahnhofs Nord in München. Am Rangierbahnhof werden Güterzüge zusammengestellt. Da Güterzüge eine maximale Länge haben, kann es schon einmal passieren, dass nicht alle Waggons mitkommen können. Die Steuerungssoftware ist bewußt so geschrieben worden, dass in diesem Falle ein Mitarbeiter der Deutschen Bahn AG entscheidet, welche Waggons bevorzugt behandelt werden. Technischer Prozeß Kognitiver Prozeß Sensoren Userinput Aktoren Visualisierung Rechen Prozeß Abbildung 1-2. Zusammenhang zwischen unterschiedlichen Prozessformen 3

18 Kapitel 1. Realzeitsysteme Überblick 1.2. Kennzeichen von Realzeitsystemen Bei einem Echtzeitsystem handelt es sich um ein System, das in der Lage ist, eine Aufgabe innerhalb eines spezifizierten Zeitfensters abzuarbeiten. Kennzeichen eines Echtzeitsystems ist daher die sogenannte Pünktlichkeit oder Rechtzeitigkeit und damit insbesondere verbunden die Eigenschaft, zeitlich deterministisch (also berechenbar oder zumindest vorhersehbar und vorhersagbar) zu sein. Eine oftmals notwendige Eigenschaft, aber auf keinen Fall ein Kennzeichen eines Echtzeitsystems ist die Schnelligkeit. Umwelt (z.b. technischer Prozeß) 1 0 Echtzeitsteuerung Wandler (z.b. Aktoren) (z.b. Sensoren) Abbildung 1-3. Struktur eines Echtzeitsystem Echtzeitsysteme (Bild Struktur eines Echtzeitsystem) kann man in allen Bereichen und beinahe überall finden. Prinzipiell verarbeiten sie Eingangswerte (z.b. Zustandsgrößen technischer Prozesse) und berechnen - zeitgerecht - Ausgangsgrößen (Werte für Stellglieder). Ein- und Ausgangsgrößen werden dem Echtzeitsystem über Wandler (z.b. Aktoren und Sensoren eines technischen Prozesses) zugeführt. Steuert bzw. regelt das Echtzeitsystem (Realzeitsystem) einen technischen Prozess, ohne dass der Benutzer direkt damit in Berührung kommt (eingebettete mikroelektronische Steuerung), spricht man von einem eingebetteten Realzeitsystem. Im Automobil beispielsweise finden sich eingebettete Realzeitsysteme, die zur Steuerung des Motors (Motormanagement), zur Steuerung des Anti-Blockier-Systems (ABS) oder zur Überwachung der Airbags zuständig sind. Weitere Beispiele für Echtzeitsysteme sind die vielfältigen Multimediaanwendungen bis hin zu den schnellen Computerspielen, die durch diverse Tricks versuchen, auf nicht echtzeitfähigen Plattformen, wie dem Windows-PC, Realzeitverhalten zu erreichen. In vielen Fällen werden Realzeitsysteme im sicherheitskritischen Umfeld (z.b. ABS) eingesetzt. Zu der Anforderung nach Rechtzeitigkeit gesellen sich damit noch die Forderungen nach Sicherheit (das System muß auch wirklich das richtige Ergebnis liefern) und Verfügbarkeit (das System darf unter keinen Umständen ausfallen). Elektronik Programm RTOS Standard OS Mechanik Handbetrieb + ISR 1 ns 1 us 1 ms 1 s 10 s 100 s 1000 s Abbildung 1-4. Realzeitsysteme und ihre Zeitanforderungen [TimMon97] 4

19 Kapitel 1. Realzeitsysteme Überblick Gemäß der obigen Definition sind also alle Systeme mit zeitlichen Anforderungen Echtzeitsysteme. Bild Realzeitsysteme und ihre Zeitanforderungen [TimMon97] spiegelt entsprechend der Zeitanforderungen sinnvolle Realisierungstechnologien wider. Dabei erkennt man, dass Echtzeitsysteme sogar von Hand betrieben werden können, wenn Reaktionszeiten im Stundenbereich gefordert werden. Muß auf eine zeitliche Anforderung im Minutenbereich reagiert werden, kann man mechanische Steuerelemente einsetzen. Mit Standard-Betriebssystemen ist es bereits möglich, Realzeitanforderungen im Sekundenbereich zu bedienen. Sind die Zeitanforderungen jedoch noch strenger, wird man ein Realzeitbetriebssystem einsetzen, zumindest, solange die Anforderungen nicht im Mikrosekunden-Bereich (usec) liegen. In diesem Zeitbereich lassen sich die Probleme zwar noch mit Software lösen, entsprechende Reaktionen müssen aber innerhalb der sogenannten Interrupt-Service-Routine erfolgen. Um noch stärkere Anforderungen zeitlicher Natur zu befriedigen, muß man schließlich eine Hardware-Realisierung wählen. Im folgenden wird der Schwerpunkt auf Realzeitsysteme liegen, deren Zeitanforderungen im Millisekunden-Bereich liegen, zu deren Realisierung im Normalfall ein Echtzeitbetriebssystem eingesetzt wird. Während aber auch das Spektrum der Echtzeitsysteme mit noch höheren Anforderungen betrachtet wird, werden Systeme auf mechanischer Basis bzw. Systeme mit Handsteuerung außer acht gelassen. Zusammenfassend lauten die wichtigsten Anforderungen an Echtzeitsysteme: Pünktlichkeit Rechtzeitigkeit Deterministisch Sicherheit Verfügbarkeit Ausprägungen von Realzeitsystemen Wie bereits im vorhergehenden Abschnitt deutlich wurde, gibt es unterschiedliche Ausprägungen von Echtzeitsystemen. Diese Ausprägungen lassen sich vor allem bezüglich ihrer Hardware klassifizieren. (Speicherprogrammierbare-) Steuerungen Eingebettete Systeme (embedded systems) RZ-Applikationen auf Standardarchitekturen Realzeitkommunikationssysteme Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) Speicherprogrammierbare Steuerungen sind klassische Realzeitsysteme, die insbesondere auch als harte Realzeitsysteme eingesetzt werden. SPS n werden im Regelfall über spezielle Programmiersprachen und -Werkzeuge programmiert und arbeiten in einem festen Zeitraster (Zykluszeit). Eingebettete Systeme Als ein eingebettetes System bezeichnet man die Steuerung eines technischen Prozesses, mit der der Benutzer nur indirekt in Verbindung kommt: Bei einem eingebetteten System handelt es sich um eine integrierte, mikroelektronische Steuerung. Die Steuerung ist Teil eines Gesamtsystems (in das Gesamtsystem eingebettet). Das System besteht aus Hard- und aus Software. Das System wurde für eine spezifische Aufgabe entwickelt. Das Mensch-Maschine-Interface ist im Regelfall eingeschränkt. 5

20 Kapitel 1. Realzeitsysteme Überblick Eingebettete Systeme weisen keine (kaum) bewegten Teile auf (diskless, fanless). Sie decken ein breites Einsatzspektrum ab. So stellt ein Handy ebenso ein eingebettetes System dar, wie das Modem, das ABS, die Waschmaschinensteuerung und der Gameboy. Echtzeitsysteme - oder Realzeitsysteme - werden im amerikanischen vielfach gleichgesetzt mit den eingebetteten Systemen (embedded systems). Diese Sichtweise ist jedoch zu einfach. Wenn auch die meisten eingebetteten Systeme Realzeitsysteme sind, so doch nicht ausschließlich alle. Nicht jedes eingebettete System ist ein Realzeitsystem, und nicht jedes Realzeitsystem ist ein eingebettetes System. Eingebettete Systeme - mit ihren zusätzlichen Anforderungen - spielen auch in dem vorliegenden Buch eine besondere Rolle. RZ-Applikationen auf Standardarchitekturen (auch Soft-SPS) Zwar für harte Realzeitsysteme nicht geeignet, werden Standardarchitekturen, wie beispielsweise eine PC-Architektur, zur Lösung von weichen Echtzeitproblemen eingesetzt. Typische Beispiele dafür sind Multimediaanwendungen und "Telefonieren über das Internet" (Voice over IP). Vorteile: Preiswerte Hardware Verfügbarkeit von Zusatz-Hardware Verfügbarkeit von Standard-Software zur Weiterverarbeitung aufgenommener Zustandsgrößen Nachteile: Preiswerte Hardware ist im rauhen Umfeld, in dem Echtzeitsysteme betrieben werden, nur eingeschränkt einsatzfähig. Standard-Betriebssysteme bieten kein kalkulierbares Realzeit-Verhalten. Realzeitkommunikationssysteme Realzeitkommunikationssysteme stellen eine Komponente eines verteilten Realzeitsystems dar. Einzelne Realzeitprozesse tauschen über diese Komponente mit deterministischem Verhalten Informationen aus Einsatzbeispiele Consumer Waschmaschine Fotoapparat Luft- und Raumfahrt Satellitensteuerung 6

21 Kapitel 1. Realzeitsysteme Überblick Autopilot GPS Automatisierungstechnik Fertigungsstraße CNC-Maschine SOHO (Small Office Home Office) Scanner Drucker Telefon/Handy Automotive Anti-Blockier-System Airbag Motorsteuerung Sonstiges Barcode-Leser Speicheroszilloskop Voice over IP Multimedia Computerspiele 1.3. Realzeitsystem-Komponenten Realzeitsysteme bestehen aus unterschiedlichen Komponenten. Je nach Ausprägung des Realzeitsystems sind dabei nicht alle Komponenten notwendig. So wird beispielsweise bei einem Computerspiel in den seltensten Fällen eine Prozessperipherie benötigt. Applikation Regel und Steuerprogramm Visualisierung Realtime Operating System Hardware Prozeßankopplung direkte Kopplung oder Feldbus Prozeßperipherie (Sensoren, Aktoren) Abbildung 1-5. Architektur einer Echtzeitsteuerung 7

22 Kapitel 1. Realzeitsysteme Überblick Die Komponenten eines Realzeitsystems sind: Applikation Verarbeitungs- bzw. Steuerungsalgorithmen Visualisierung (HMI=Human-Man-Interface) Echtzeitbetriebssystem Rechnerhardware Prozessankopplung (entweder direkt oder über Realzeit-Kommunikationssysteme/Feldbusse) Prozessperipherie Ein Realzeitsystem verarbeitet fristgerecht Eingangssignale zu Ausgangssignalen. Dazu werden auf logischer Ebene externe Prozesse 1 (z.b. ein technischer Prozess) auf sogenannte Rechenprozesse (siehe Abschnitt Rechenprozess) abgebildet, die auf einer Hardware (Rechner, Mikrokontroller) ablaufen. Die Eingangswerte der Rechenprozesse korrespondieren mit Signalen des externen Prozesses. Wandler (Meßwertaufnehmer, Sensoren) transformieren dabei diese (physikalischen) Signale und Werte in maschinell verarbeitbare Digitalwerte. Entsprechend werden die von den Rechenprozessen erzeugten Ausgangs- bzw. Ausgabewerte über Wandler (Stellglieder, Aktoren) in (physikalische) Größen transformiert, mit denen sich der externe Prozess beeinflussßen (regeln, steuern) läßt. Die Wandlung der Werte, sowohl der Eingangs- als auch der Ausgangswerte, kann entweder am externen Prozess vollzogen werden oder aber direkt in der Realzeitrechnerhardware. Im ersten Fall werden die externen Prozesssignale direkt an ihrer Entstehungsquelle gewandelt und als digitale Information an den Realzeitrechner übertragen, bzw. vom Realzeitrechner als digitale Information an den externen Prozess gebracht. Für die Übertragung dieser digitalen Information wird oft ein (realzeitfähiges) Kommunikationssystem (z.b. Feldbus) eingesetzt. Werden nur wenige Prozesssignale ausgetauscht, kann der externe Prozess auch direkt angekoppelt werden. In diesem Fall ist jedes Ein- und Ausgangssignal des externen Prozesses direkt mit der Hardware des Realzeitsystems verbunden. Eine direkte Kopplung verwendet man aber vor allem auch beim zweiten Fall, bei dem die Ein- und Ausgangswerte im Realzeitrechner selbst gewandelt werden. Hier müssen die Prozesssignale in ihrer ursprünglichen Form bis zu den entsprechenden Wandlern transportiert werden. Die Rechnerhardware selbst besteht aus einem oder mehreren Prozessoren, dem Speicher und der sogenannten Glue-Logik (Bausteinen, die das Zusammenspiel der übrigen Komponenten ermöglichen). Darüber hinaus gehören die bereits erwähnten Wandler dazu. Bei Systemen, die hohe zeitliche Anforderungen erfüllen, wird man auch oft spezielle Hardwarebausteine finden, die die Funktionalität, die normalerweise in Software realisiert worden wäre, in Hardware realisiert (Asics, FPGA s, LCA s usw.). Daneben gehören auch Sekundärspeicher (z.b. Festplatten, Flashkarten) zur Rechnerhardware. Die Rechnerhardware wird über ein Realzeitbetriebssystem oder ein Laufzeitsystem (Executive, einfaches Betriebssystem) angesteuert. Dieses Betriebssystem stellt die Ablaufumgebung für die Rechenprozesse zur Verfügung. Die Hardware wird dabei über Gerätetreiber abgebildet. In Realzeitsystemen laufen mehrere Rechenprozesse scheinbar gleichzeitig ab (quasi parallel). Neben den Rechenprozessen, die applikationsspezifisch sind, gibt es in einem Realzeitsystem oftmals auch Rechenprozesse, die zum Betriebssystem gehören (Dienstprogramme). Bei solch einem Dienstprogramm kann es sich beispielsweise um einen RechenProzess handeln, der Netzwerkdienste (z.b. HTTP-Server) bedient. Eine andere Gruppe von Rechenprozessen könnte sich bei einem Realzeitsystem um die Visualisierung des Zustandes des externen Prozesses kümmern. 8

23 Kapitel 1. Realzeitsysteme Überblick Abbildung des technischen Prozesses auf Rechenprozesse Temp. Regelung Technischer Prozeß Realzeit Steuerung Druck Regeleung Rechenprozesse Abbildung 1-6. Abbildung technischer Prozesse auf Rechenprozesse Bei der Abbildung technischer Prozesse auf Rechenprozesse (Bild Abbildung technischer Prozesse auf Rechenprozesse) werden zusammengehörige Zustandsgrößen und Stellwerte der technischen Prozesse (z.b. der Temperaturwert und die Stellgröße für die Heizung) auf logische Einheiten, eben den Rechenprozess, abgebildet. Prozesse Datenspeicher Datenfluß Datenquelle oder Datensenke Kontrollfluß Abbildung 1-7. Elemente der Datenflußdiagramme Zur Darstellung der Rechenprozess-Architektur werden Datenflußdiagramme (Bild Elemente der Datenflußdiagramme) eingesetzt. Bei dieser Diagrammform werden Prozesse (Rechenprozesse, Verarbeitungseinheiten) als Kreise dargestellt. Pfeile kennzeichnen Daten und die Flußrichtung der Daten, die zwischen Rechenprozessen und von und zu Datenspeichern ausgetauscht werden. Datenspeicher werden als zwei übereinanderliegende waagerechte Striche dargestellt. Über das Fassungsvermögen der Datenspeicher wird keine Aussage getätigt. Die Darstellung der Datenquellen und der Datensenken unterbleibt oftmals. Die Pfeile sollten bezüglich der ausgetauschten Daten gekennzeichnet werden. Dabei ist darauf zu achten, wirklich die Daten als solche, und nicht die Operationen auf die Daten anzugeben. Die ursprünglichen Datenflußdiagramme sind für die Darstellung von Echtzeitsystemen noch um weitere Elemente, die den Kontrollfluß definieren, erweitert worden. So deutet ein gestrichelter Pfeil an, dass zwischen zwei Tasks eine Kontroll-Information (Events) ausgetauscht wird. Eine derartige Information kann 9

24 Kapitel 1. Realzeitsysteme Überblick beispielsweise das Starten oder Beenden eines Prozesses, das Senden eines Events oder eines Signals, das Schlafenlegen und das Aufwecken eines Rechenprozesses oder schließlich das Betreten und Verlassen eines kritischen Abschnittes sein. Rennbahn /dev/carrera Zustandsinfo Speed Position Auto Streckentyp, Länge Strecke Streckentyp, Rennbahn /dev/carrera.other Position Fremd Auto Abbildung 1-8. Einfaches DFD einer Carrerabahnsteuerung Abbildung Einfaches DFD einer Carrerabahnsteuerung stellt das Datenflußdiagramm einer Carrerabahnsteuerung dar. Die Verarbeitungseinheit Auto bekommt von der Rennbahn Zustandsinformationen und berechnet daraus Geschwindigkeitswerte (Speed). Aufgrund der Zustandsinformationen werden Streckentyp und Länge eines Streckensegments berechnet und in einem Datenspeicher abgelegt. Die Position des gegnerischen Fahrzeugs erhält der Rechenprozess Auto über den Rechenprozess Fremdauto. Dieser bekommt Positionsangaben in Form von Segmenttypen ebenfalls von der Rennbahn, allerdings über das Interface /dev/carrera.other. Zur genauen Bestimmung des gegnerischen Fahrzeugs auf der Strecke wird diese Information mit der Streckeninformation abgeglichen. Audio Hardware digitalisiertes Audiosignal Erfas sung Rohdaten Ko dierung Pakete Versand Pakete Netz Audiodaten Sendepuffer Konfiguration Abbildung 1-9. DFD Audiostreaming Abbildung DFD Audiostreaming stellt das vereinfachte DFD eines Audiostreaming-Systems dar. Hier ist der Rechenprozess Erfassung für die zeitgenaue Aufnahme der digitalisierten Audiosignale zuständig. Für die zeitgenaue Aufnahme der Daten ist eine Entkopplung dieser Aufgabe von der Weiterverarbeitung notwendig. Aus diesem Grunde werden die Daten in einem Datenspeicher abgelegt und nicht direkt dem Rechenprozess Kodierung übergeben. Diese Verarbeitungseinheit liest zu Beginn eine Konfigurationsdatei, in der das zu verwendende Kodierungsverfahren samt seiner Parameter beschrieben ist. Entsprechend dieser Informationen werden die Daten, die sich im Datenspeicher Audiodaten befinden, kodiert, paketiert und in den Sendepuffer abgelegt. Auch das Senden muß aus Gründen der Echtzeitfähigkeit über einen Datenspeicher entkoppelt werden. 10

25 Kapitel 1. Realzeitsysteme Überblick Anhand eines reinen Datenflußdiagramms sind keinerlei dynamischen Abläufe sichtbar. Das DFD gibt eine statische Sicht der Dinge wieder. Dynamik kann partiell über die Erweiterung der Kontrollflüsse ausgedrückt werden. Kontrollflüsse drücken aus, welche Verarbeitungseinheit welche Verarbeitung auslöst. Einzelne Rechenprozesse (Verarbeitungseinheiten) lassen sich hierarchisch verfeinern. Dazu wird ein Rechenprozess mit einem Buchstaben (z.b. A) markiert und dann für A ein neues Gebilde von Rechenprozessen, Datenflüssen und Datenspeichern gezeichnet. Fußnoten 1. Mit externer Prozess wird hier der Prozess bezeichnet, der durch das Realzeitsystem gesteuert wird, ohne dass er direkt Teil des Realzeitsystems ist. Nach dieser Definition besteht das Gesamtsystem aus dem externen (technischen) Prozess und dem Realzeitsystem. 11

26 Kapitel 1. Realzeitsysteme Überblick 12

27 Kapitel 2. Schritthaltende Verarbeitung und Echtzeitbetrieb Unter schritthaltender Verarbeitung bzw. Echtzeitbetrieb versteht man die fristgerechte Bearbeitung von Anforderungen aus einem technischen Prozess. Was aus Sicht des technischen Prozesses Anforderungen sind, sind aus Sicht der Steuerung Ereignisse. Die Steuerung muss also Ereignisse fristgerecht bearbeiten. Können die Ereignisse durch die Steuerung nicht innerhalb der durch den technischen Prozess gestellten Zeitschranken bearbeitet werden, sind die Folgen möglicherweise katastrophal. Daher ist es notwendig, die zeitlichen Anforderungen und die zeitlichen Kenndaten bezüglich der Steuerung (der Rechenprozesse und deren Ablaufumgebung) zu kennen. Daher werden in diesem Kapitel die Zeitschranken des technischen Prozesses formal eingeführt. Außerdem werden Methoden vorgestellt, den sogenannten Echtzeitnachweis durchzuführen. Dabei sind folgende Aspekte von Bedeutung: Zur Bearbeitung von Aufgaben wird Zeit (Verarbeitungszeit) benötigt. Beim Anliegen mehrerer Aufgaben muss die Reihenfolge, in der die Arbeiten erledigt werden, geplant werden. Die richtige Reihenfolge der Aufgaben ist entscheidend, um die zeitgerechte Bearbeitung der Aufgaben gewährleisten zu können. Als Planungsgrundlage bekommen die einzelnen Aufgaben Prioritäten gemäß ihrer Wichtigkeit. Die Bearbeitung einer Aufgabe (durch einen Prozess) muss unterbrechbar sein, damit kurzfristige höherpriore Aufgaben erledigt werden können Echtzeitbedingungen Der technische Prozess stellt Anforderungen unterschiedlicher Art an die Echtzeitsteuerung. Alle Anforderungen müssen aber von der Steuerung bearbeitet werden können, auch wenn sämtliche Ereignisse zu einem Zeitpunkt auftreten (erste Echtzeitforderung). Der zeitliche Abstand zwischen zwei Anforderungen gleichen Typs wird Prozesszeit (t P ) genannt. Ist der zeitliche Abstand zweier Ereignisse konstant, spricht man von einem periodischen Ereignis. Vielfach schwankt jedoch der zeitliche Abstand, so dass es einen minimalen zeitlichen Abstand t Pmin und einen maximalen zeitlichen Abstand t Pmax gibt. Der Auftrittszeitpunkt eines zu einem Rechenprozess gehörenden Ereignisses wird mit t A (im englischen auch mit Releasetime bezeichnet. Im Regelfall wird dieser nicht absolut, sondern relativ zu einem Bezugszeitpunkt angegeben. So tritt für uns bei periodischen Zeitpunkten das erste Ereignis vielfach zum Zeitpunkt»t A =0«auf. Das zeitliche Auftreten der Ereignisse wird in einer Anforderungsfunktion dargestellt. Dazu werden die Anforderungen (sichtweise des Steuerungs- bzw. Betriebssystems) bzw. Ereignisse (Sichtweise des technischen Prozess) in Form von Pfeilen über der Zeit aufgetragen (siehe Abbildung [Anforderungsfunktion]). 13

28 Kapitel 2. Schritthaltende Verarbeitung und Echtzeitbetrieb Eintritt des Ereignisses E E E E E E E t Pmin t Pmax t[t] t Pmin t Pmax = 2T = 6T t = 2T+6T P = 4T 2 Abbildung 2-1. Anforderungsfunktion Für die eigentliche Bearbeitung des Ereignisses werden vom Rechner Anweisungen abgearbeitet. Die zum Ereignis gehörende Folge von Anweisungen wird hier als Codesequenz oder auch als Job bezeichnet. Jobs sind innerhalb des Rechners als Rechenprozesse realisiert, die sich selbst wiederum in Tasks und Threads unterscheiden lassen (siehe Kapitel [Prozess-Management]). Manchmal bilden auch mehrere Codesequenzen zusammen einen solchen Rechenprozess. Für die Abarbeitung des Jobs»i«benötigt der Rechner die sogenannte Verarbeitungszeit t V,i. Die Verarbeitungszeit - im Englischen auch Execution-Time - ergibt sich aus der zu leistenden Rechenarbeit RA und der Leistung P des eingesetzten Prozessors (Rechnerkern). t V =RA/P Die Angabe der Verarbeitungszeit ist in der Praxis problematisch, da zum einen - abhängig von der Aufgabenstellung oder/und den Eingabewerten - selbige meistens nicht konstant ist und zum anderen auch die Leistung des Prozessor schwankt (bedingt durch Caches und DMA). Zur Berechnung bei Echtzeitsystemen muss daher RA max und P min angesetzt werden. Die für den Worst-Case anzunehmende Verarbeitungszeit wird in der Literatur auch Worst-Case-Execution Time (WCET) genannt (siehe Kapitel [Abschätzung der Worst Case Execution Time (WCET)]) Auslastung Abhängig von der Auftrittshäufigkeit eines Ereignisses und der damit anfallenden Verarbeitungszeit ist der Rechnerkern (Prozessor) ausgelastet. Die Auslastung (ρ) durch eine Anforderung ergibt sich damit als Quotient aus notwendiger Verarbeitungszeit und Prozesszeit: ρ=t V /t P Ein Realzeitsystem muss in der Lage sein, die auftretenden Anforderungen in der Summe bearbeiten zu können (oft auch als Forderung nach Gleichzeitigkeit bezeichnet). Mathematisch bedeutet dieses, dass die Gesamtauslastung ρ ges kleiner als 100% sein muss. Die Gesamtauslastung ergibt sich aus der Summe der Auslastungen der einzelnen Jobs. Gleichung 2-1. Gesamtauslastung n tv ρ = i t 1 p i Σi=0 14

29 Kapitel 2. Schritthaltende Verarbeitung und Echtzeitbetrieb Prozessor belegung t VA Rechenprozess A Rechenprozess B Rechenprozess A + B tv B t ρ = A t VA t PA t VB ρ = B t P B t VA ρ = A+B t + PA t VB t P B t PB t P A Abbildung 2-2. Auslastung Abbildung [Auslastung] zeigt noch einmal die Abläufe. Ein Echtzeitrechner bearbeitet zwei Rechenprozesse (Jobs): Rechenprozess A und Rechenprozess B. Sei die Verarbeitungszeit des Rechenprozesses A t V,A =0.8ms und die Prozesszeit t P,A =2ms ergibt sich eine Auslastung des Rechners durch den Rechenprozess A von 40%. Ist die Verarbeitungszeit des Rechenprozesses B ebenfalls t V,B =0.8ms und hat dieser auch eine Prozesszeit von t P,B =2ms ergibt sich die gleiche Auslastung wie die des Rechenprozesses A von ρ B =40%. Die Gesamtauslastung des Rechners - er bearbeitet ja beide Rechenprozesse - beträgt nun ρ Ges. =ρ A + ρ B =80%. Erste Echtzeitbedingung: Die Auslastung ρ ges eines Rechensystems muss kleiner oder gleich 100% sein. Die Auslastungsbedingung ist eine notwendige, aber keine hinreichende Bedingung Pünktlichkeit Aus dem technischen Prozess kommen immer wieder Anforderungen an die Echtzeitsteuerung. Aufgabe der Steuerung ist es, alle Anforderungen zeitgerecht zu bearbeiten. Alle bedeutet in diesem Falle, dass der Rechner leistungsfähig sein muss, um mit der vorgegebenen Last fertig zu werden. Zeitgerecht bedeutet, dass der Rechner die Anforderungen rechtzeitig bzw. pünktlich bearbeitet. Das wesentliche Kriterium für ein Realzeitsystem ist Pünktlichkeit in Abgrenzung zu Schnelligkeit. Allerdings lassen sich Anforderungen an Pünktlichkeit mit schnellen Systemen leichter erfüllen als mit langsamen. Prinzipiell muss ein Realzeitsystem eine Aufgabe in einem vorgegebenen Zeitfenster erfüllt haben, wie es das tut, ist dabei unwesentlich. 15