4. Echtzeitaspekte der Software
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- Irma Dressler
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1 4. Echtzeitaspekte der Software Echtzeitaspekte der Software eingebetteter Systeme 4.1 Grundlagen von Echtzeitsystemen 4.2 Echtzeitprogrammierung 4.3 Aufbau von Echtzeitbetriebssystemen 4.4 Echtzeitscheduling 4.5 Synchronisation und Kommunikation 4.6 Speicher- und IO-Verwaltung 4.7 Klassifizierung und Beispiele von Echtzeitbetriebssystemen 1
2 4. Echtzeitaspekte der Software Bei vielen eingebetteten Systemen gibt die Umgebung Zeitbedingungen vor, die das eingebettete System einhalten muss Echtzeitanforderungen Beispiele: Prozesssteuerung Robotik Fahrzeugsteuerung Fertigung... 2
3 4. Echtzeitaspekte der Software Eingebettete Systeme sind daher oft Echtzeitsysteme: Echtzeitsysteme Eingebettete Systeme 3
4 4.1 Grundlagen von Echtzeitsystemen Bei Nicht-Echtzeitsystemen kommt es ausschließlich auf die logische Korrektheit der Ergebnisse an Bei Echtzeitsystemen kommt neben der logischen Korrektheit auch die zeitliche Korrektheit der Ergebnisse Rechtzeitigkeit Gleichzeitigkeit Verfügbarkeit 4
5 4.1 Grundlagen von Echtzeitsystemen Für alle Echtzeitsysteme gilt: Das Ergebnis von Echtzeit-Datenverarbeitung ist nur dann korrekt, wenn es logisch und zeitlich korrekt ist. Stop Stop logisch korrekt, zeitlich inkorrekt logisch und zeitlich korrekt 5
6 4.1 Grundlagen von Echtzeitsystemen Grundbegriffe des Zusammenspiels mit dem Umfeld: Rechtzeitigkeit heißt, die Ausgabedaten müssen rechtzeitig berechnet werden und zur Verfügung stehen. muss Daten rechtzeitig abholen und liefern Echtzeit- Datenverarbeitung (Steuerung, Regelung, Überwachung) Ausgabedaten Eingabedaten Technisches Umfeld, Technischer Prozess diktiert Zeitbedingungen 6
7 4.1 Grundlagen von Echtzeitsystemen Varianten zur Angabe einer Zeitbedingung: a) b) t tmax Zeit Zeit c) tmin Zeit d) tmin tmax Zeit a) Angabe eines genauen Zeitpunktes (Teileauswurf von Förderband) b) Angabe eines spätesten Zeitpunktes (Deadline, Verlassen Kreuzung) c) Angabe eines frühesten Zeitpunktes (Entladen) d) Angabe eines Zeitintervalls (Jitter) 7
8 4.1 Grundlagen von Echtzeitsystemen Periodische und aperiodische Zeitbedingungen: a) t t + p t + 2p t + 3p Zeit p: Periodendauer b) t 1 t 2 t 3 t 4 aperiodisch Zeit a) periodische Zeitbedingungen b) aperiodische Zeitbedingungen 8
9 4.1 Grundlagen von Echtzeitsystemen Je nach Strenge der einzuhaltenden Zeitbedingungen unterscheidet man weiche Echtzeitbedingungen (soft deadline) können in gewissen Grenzen überschritten werden, ohne zu fatalen Systemzuständen zu führen(periodische Abfrage Temperatursensor) feste Echtzeitbedingungen (firm deadline) bewirken bei Überschreiten einen Abbruch der Aktion (Überwachung von Verfall, Flugpositionen) harte Echtzeitbedingungen (hard deadline) müssen auf jeden Fall eingehalten werden, anderenfalls droht Schaden (Anhalten vor Ampel) Die Bewertung von Zeitbedingungen kann auch durch eine Wertfunktion erfolgen: Wert Wert Wert Wert > 0: ausführen, Wert = 0: abbrechen, Wert < 0: Schaden Deadline Zeit Deadline Zeit Deadline Zeit weich fest hart 9
10 4.1 Grundlagen von Echtzeitsystemen Die Gleichzeitigkeit bedeutet, dass die Rechtzeitigkeit für mehrere Aktionen gleichzeitig gewährleistet sein muss. Beispiel: Gleichzeitig durchzuführende Aufgaben bei einem fahrerlosen Transportsystem Funk- Kommunikation Motorsteuerung und -regelung FTS Transponder- Erkennung Kamera- Datenverarbeitung Laserscanner- Datenverarbeitung 10
11 4.1 Grundlagen von Echtzeitsystemen Möglichkeiten zur Erfüllung der Gleichzeitigkeit: Vollständige Parallelverarbeitung in einem Mehrprozessorsystem Quasi-parallele Verarbeitung in einem Mehrprozessorsystem Quasi-parallele Verarbeitung in einem Einprozessorsystem Vollständige Parallelverarbeitung, Mehrprozessorsystem Quasi-Parallelverarbeitung, Mehrprozessorsystem Quasi-Parallelverarbeitung, Einprozessorsystem Aufgabe 1... Aufgabe n Aufgabe 1... Aufgabe n Aufgabe 1... Aufgabe n Echtzeit-Scheduler Echtzeit-Scheduler n > m Prozessor 1... Prozessor n Prozessor 1... Prozessor m Prozessor 1 11
12 4.1 Grundlagen von Echtzeitsystemen Die Verfügbarkeit: Echtzeitsysteme müssen über einen längeren Zeitraum hinweg verfügbar sein (z.b. rund um die Uhr). Verfügbarkeit erfordert keine Unterbrechungen des Betriebs für Reorganisationsphasen. Problematisch: Reorganisation von DB, Speicherbereinigung von z.b. Java Reorganisation a) Speicherreorganisation im Block b) Speicherreorganisation in kleinen Schritten Betrieb verpasst Ereignisse Ereignisse 12
13 Es gibt zwei grundlegende Programmierverfahren: Die synchrone Programmierung zur Konstruktion zeitgesteuerter Systeme. Die asynchrone Programmierung zur Konstruktion von ereignisgesteuerten Systemen. 13
14 4.2.1 Synchrone Programmierung Das zeitliche Verhalten periodischer Aktionen wird vor deren Ausführung geplant Die periodischen Aktionen werden in ein Zeitraster T synchronisiert (daher Name des Verfahrens) Aktionen werden immer zu ganzzahligen Vielfachen von T ausgeführt Das Zeitraster wird durch einen Zeitgeber gewonnen Die Reihenfolge des Ablaufs der Teilprogramme wird fest vorgegeben 14
15 Vereinfachtes FTS Beispiel mit zwei periodischen Aufgaben Funk- Kommunikation Transponder- Erkennung Motorsteuerung und -regelung FTS Kamera- Datenverarbeitung Laserscanner- Datenverarbeitung 15
16 Aufbau der FTS Steuerung mit einem Mikrocontroller Kameradatenverarbeitung Fahrspur Motorsteuerung Kameradaten T 2T Motordaten Eingabe Kamera Prozessorkern T Zeitgeber Mikrocontroller Motor Ausgabe 16
17 Ablaufplanung und deren Realisierung für die einfache FTS-Steuerung Initialisierung Periodische Unterbrechung im Zeitabstand T t = 0 t++ Aufgabe Ablaufplanung Periode Kameradatenverarbeitung aufrufen Kameradatenverarbeitung Motorsteuerung T 2T t = = 2? ja nein Motorsteuerung aufrufen t = 0 Ende Unterbrechung 17
18 Zeitlicher Ablauf der einfachen FTS-Steuerung Kameradatenverarbeitung Motorsteuerung Ruhe 2T T T 2T 3T 4T 5T 6T 7T 8T Exakte Einhaltung der Periodenzeiten unter zwei Bedingungen: Die Summe der Ausführungszeiten der einzelnen Aufgaben ist kleiner T. Jede längere Periodenzeit ist ein ganzzahliges Vielfaches der nächst kürzeren Periodenzeit. 18
19 Periodenabweichung bei Summe der Ausführungszeiten größer T Kameradatenverarbeitung Motorsteuerung 2T Ruhe T + ta T 2T 3T 4T 5T 6T 7T 8T ta: Ausführungszeit Kameradatenverarbeitung + Ausführungszeit Motorsteuerung -T 19
20 Periodenabweichung bei Verletzung Periodenzeit ist ganzzahliges Vielfaches der nächst kürzeren Periodenzeit. Kameradatenverarbeitung Motorsteuerung Ruhe 3T + t k 2T t k : Ausführungszeit Kameradatenverarbeitung T 2T 3T 4T 5T 6T 7T 8T Angestrebte Periodendauer: Kameradatenverarbeitung: 2T Motorsteuerung: 3T 20
21 Die Vorteile der synchronen Programmierung sind offensichtlich: Sie besitzt ein festes, vorhersagbares Zeitverhalten. Sie erlaubt eine einfache Analyse und einen einfachen Test des Systems. Sie ist hervorragend bei zyklischen Abläufen anwendbar. Bei richtiger Planung können Rechtzeitigkeit und Gleichzeitigkeit garantiert werden. Dadurch ist die synchrone Programmierung insbesondere für zyklische und sicherheitsrelevante Aufgaben geeignet. Daneben sind aber auch zwei wesentliche Nachteile zu nennen: Geringe Flexibilität gegenüber Änderungen der Aufgabestellung. Eine Reaktion auf aperiodische Ereignisse ist nicht vorgesehen. 21
22 Komplexeres FTS Beispiel mit vier Aufgaben Funk- Kommunikation Transponder- Erkennung Kamera- Datenverarbeitung Motorsteuerung und -regelung FTS Laserscanner- Datenverarbeitung Aperiodische Ereignisse (Transponder, Laserscanner) bei der synchronen Programmierung nur mittels periodischer Überprüfung möglich 22
23 Transpondererkennung Aufbau der komplexeren FTS Steuerung mit einem Mikrocontroller Kameradatenverarbeitung Kameradaten Laserscannerdaten Landmarke 3T T 4T Fahrspur Motorsteuerung 2T Motordaten Eingabe Prozessorkern Laserscannerdatenverarbeitung Transponderdaten Kollisionsgefahr T Zeitgeber Mikrocontroller Ausgabe Transponderleser Kamera Laserscanner Motor 23
24 Ablaufplanung und deren Realisierung für eine komplexere FTS- Steuerung Initialisierung Periodische Unterbrechung im Zeitabstand T t 1 = 0, t 2 = 0, t 3 = 0 t++, t 2 ++, t 3 ++ Kameradatenverarbeitung aufrufen ja Laserscannerdatenverarbeitung aufrufen t 2 = 0 nein Ablaufplanung Aufgabe Kameradatenverarbeitung Motorsteuerung Laserscannerdatenverarbeitung Transpondererkennung Periode T 2T 3T 4T t 1 == 2? ja Motorsteuerung aufrufen t 1 = 0 t 2 == 3? nein nein t 3 == 4? ja Transpondererkennung aufrufen t 3 = 0 Ende Unterbrechung nein ja 24
25 Zeitlicher Ablauf der komplexeren FTS-Steuerung Laserscannerdatenverarbeitung Transponderdatenverarbeitung Motorsteuerung 2T ~ 3T 4T Kameradatenverarbeitung T Ruhe T 2T 3T 4T 5T 6T 7T 8T 25
26 4.2.2 Asynchrone Programmierung Ablaufplanung der Aktionen zur Laufzeit durch ein Organisationsprogramm (Echtzeitbetriebssystem) Aufgaben des Organisationsprogramms: Ereignisse überwachen Informationen über einzuhaltende Zeitbedingungen entgegennehmen Ablaufreihenfolge von Teilprogrammen zur Bearbeitung der eingetretenen Ereignisse ermitteln Teilprogramme gemäß der ermittelten Ablaufreihenfolge aktivieren Dies nennt man Echtzeitscheduling 26
27 Ein einfaches Echtzeitscheduling-Verfahren Fixed Priority Preemptive Scheduling besitzt folgende Eigenschaften: Jedes Ereignis erhält eine feste Priorität (Fixed Priority) Die Reihenfolge der Ausführung richtet sich nach dieser Priorität, Ereignisse hoher Priorität werden vor Ereignissen niederer Priorität behandelt. Ereignisse höherer Priorität unterbrechen Ereignisse niederer Priorität (Preemption). Die Bearbeitung eines Ereignisses niederer Priorität wird erst wieder aufgenommen, wenn alle Ereignisse höherer Priorität abgearbeitet oder inaktiv geworden sind. 27
28 FTS Steuerung mittels Mikrocontroller und asynchroner Programmierung Transpondererkennung Kameradatenverarbeitung Landmarke T Fahrspur Motorsteuerung 2T Motordaten Echtzeitbetriebssystem Ereignisse Unterbrechungen Eingabe Prozessorkern Laserscannerdatenverarbeitung Kameradaten Kollisionsgefahr T Zeitgeber Ausgabe Mikrocontroller Laserscannerdaten Transponderdaten Transponderleser Kamera Laserscanner Motor 28
29 Prioritätenzuordnung für das FTS bei asynchroner Programmierung Prioritätenzuordnung Aufgabe Ereignis Periode Priorität Landmarke erkannt - 1 (höchste) - 2 Laserscannerdatenverarbeitung Kollisionswarnung Transpondererkennung Kameradatenverarbeitung Motorsteuerung Zeitgeber T 3 Zeitgeber 2T 4 (niedrigste) 29
30 Zeitlicher Ablauf der FTS-Steuerung bei asynchroner Programmierung Transponderdatenverarbeitung Laserscannerdatenverarbeitung Motorsteuerung T > 2T > T < 2T Kameradatenverarbeitung Ruhe T 2T 3T 4T 5T 6T 7T 8T Kollisionswarnung Kollisionswarnung Landmarke 30
31 Charakterisierung der asynchronen Programmierung Flexibler Programmablauf und flexible Programmstruktur Reaktion auf periodische und aperiodische Ereignisse Rechtzeitigkeit nicht in jedem Fall im Voraus garantierbar Je niederer die Priorität einer Aktivität, desto größer die möglichen Zeitschwankungen Systemanalyse und Systemtest daher schwieriger als bei der synchronen Programmierung Je nach verwendeter Echtzeitschedulingstrategie ist jedoch bei Kenntnis bestimmter Parameter (kleinste Periodendauer, größte Ausführungszeit der Aktivitäten) eine Vorabanalyse zur Rechtzeitigkeit möglich (Feasibility Analysis) 31
32 Aktivität A Aktivität B C/D? Aktivität C Formen der Ablaufsteuerung: zyklisch Aktivität D Spezielle Form der synchronen Programmierung Fortlaufende Schleife schnellstmögliche Periodendauer Periodendauer = Summe der Ausführungszeiten einzelner Aktivitäten. Definierte Periodendauer durch Warteschleifen Schwankende Periodendauer durch alternative Aktivitäten Prozessor ständig aktiv Aktivität E 32
33 Zeit A? Ja Formen der Ablaufsteuerung: zeitgesteuert Nein Aktivität A Zeit B? Nein Zeit C? Nein Ja Ja Aktivität B Aktivität C Für synchrone Programmierung gut geeignet Fortlaufende Schleife Periodendauer ist bestimmt durch die Abfragezeiten A, B und C und ggf. durch die Ausführungszeiten der Aktivitäten Konstante Periodendauer, falls folgende Bedingungen erfüllt sind: - Summe aller Ausführungszeiten < T - Längere Periodenzeit = ganzzahl. Vielfaches der kürzere Periodenzeit Prozessor ständig aktiv 33
34 Formen der Ablaufsteuerung: unterbrechungsgesteuert Ruhezustand Unterbrechung Prozessor nicht ständig aktiv Ereignisgesteuert (Unterbrechung durch Ereignis) oder zeitgesteuert (Unterbrechung durch Zeitgeber) Geeignet für asynchrone und synchrone Programmierung Wegen Energieeffizienz bevorzugte Lösung Bei gleichzeitigen Ereignissen bestimmen die Prioritäten den Ablauf oder es wird ein fester Ablauf vorgegeben Echtzeitscheduling Aktivität A Aktivität B Aktivität C Aktivität D Ende Unterbrechung 34
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