3) Realzeitprogrammierung

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Anna Hofmeister
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1 Inhalte Synchrone Programmierung: Planung des zeitlichen Ablaufs vor der Ausführung der Programme (Planwirtschaft) Asynchrone Programmierung: Organisation des zeitlichen Ablaufs während der Ausführung der Programme (Marktwirtschaft) Formen der Ablaufsteuerung Seite 1

Synchrone Programmierung Synchronisierung der zyklisch auszuführenden Teilprogramme mit einem Zeitraster Zeitraster über eine Echtzeit-Uhr, Unterbrechungssignal zum

2 Synchrone Programmierung Synchronisierung der zyklisch auszuführenden Teilprogramme mit einem Zeitraster Zeitraster über eine Echtzeit-Uhr, Unterbrechungssignal zum Aufruf der Teilprogramme Fest vorgegebene Reihenfolge der Teilprogramme Beispiel Heizungsregelung: T = Taktdauer der Echtzeituhr Ti = Abtastzeit für Regelkreis i Seite 2

3 Synchrone Programmierung (Beispiel Heizungsregelung): Rechenzeit für Teilprogramme gleich groß Summe der Rechenzeiten der 3 Teilprogramme kleiner als Zykluszeit Seite 3

4 Eigenschaften der synchronen Programmierung Forderung nach Rechtzeitigkeit wird näherungsweise erfüllt, leichte Verschiebung Forderung nach Gleichzeitigkeit wird erfüllt, wenn Zykluszeit T klein gegenüber den Zeitabläufen im technischen Prozess Gut für Echtzeitsysteme mit zyklischen Programmabläufen, vorhersehbares Verhalten Schlecht für die Reaktion auf zeitlich nicht vorhersehbare (asynchrone) Ereignisse: Erhöhung der Rechenzeit durch ständiges Abfragen Verzögerung der Reaktion Kein komplexes Organisationsprogramm Etwas aufwändige Planung Änderung der Aufgabenstellung bedeutet Änderung der gesamten Programmstruktur Seite 4

5 Asynchrone Programmierung Aufruf der Teilprogramme, wenn Zeitbedingungen erfüllt sind Gleichzeitige Ausführung wird nach bestimmter Strategie sequenzialisiert: Zuordnung von Prioritätsnummern Priorität umso höher, je niedriger die Prioritätsnummer Beispiel Heizungsregelung: Seite 5

6 Asynchrone Programmierung (Beispiel Heizungsregelung) Seite 6

7 Eigenschaften der asynchronen Programmierung Forderung nach Rechtzeitigkeit wird näherungsweise erfüllt, schlecht für niederpriore Teilprogramme Zeitbedingungen um so besser erfüllt, je höher die Priorität des jeweiligen Teilprogramms Ist-Zeitablauf kann sich gegenüber Soll-Zeitablauf stark verschieben, Teilprogramme können sich gegenseitig überholen Bei Programmerstellung lässt sich nicht im voraus angeben, welches Teilprogramm zu welchem Zeitpunkt ablaufen wird: Einfache Entwicklung Komplexität im Verwaltungsprogramm Programmablauf schwer durchschaubar Seite 7

8 Formen der Ablaufsteuerung: zeitgesteuert Für synchrone Programmierung gut geeignet, da der Zeitpunkt für die Aktionen genau gemessen und die Periodendauer damit eingehalten wird. Fortlaufende Schleife, in der eine Uhr oder ein Zähler ausgelesen wird Zeit A? nein ja Aktivität A Periodendauer ist bestimmt durch die Abfragezeiten A, B und C und ggf. durch die Ausführungszeiten der Aktivitäten nein Zeit B? ja Aktivität B Konstante Periodendauer, falls die Summe aller Ausführungszeiten < T und die längere Periodenzeit = ganzzahliges Vielfaches der kürzeren Periodenzeit ist Nachteil: Prozessor ständig aktiv nein Zeit C? ja Aktivität C Seite 8

9 Formen der Ablaufsteuerung: zyklisch Spezielle Form der synchronen Programmierung Sehr einfache Form, da keinerlei Zeitgeber oder Unterbrechungen benutzt werden Periodendauer ist nur abh. von den Ausführungszeiten der einzelnen Aktivitäten, d.h. schnellstmögliche Periodendauer Für feste Dauern muss eine Warteschleife (z.b. nach Aktivität E) eingesetzt werden, in der der Prozessor eine definierte Menge von Taktzyklen verbringt Schwankende Periodendauer durch alternative Aktivitäten Nachteil: Prozessor ständig aktiv Aktivität A Aktivität B C/D Aktivität C Aktivität E Aktivität D Seite 9

10 Formen der Ablaufsteuerung: unterbrechungsgesteuert Prozessor ist nicht ständig (in einer Schleife) aktiv, sondern im Ruhezustand Geeignet für synchrone und für asynchrone Programmierung Unterbrechung entweder durch ein (aperiodisches) Ereignis oder durch einen Zeitgeber Bei der synchronen Programmierung ist die Reihenfolge fest im Programm vorgegeben. Bei der asynchronen Programmierung wird die Reihenfolge durch Prioritätenvergabe oder ähnliches zur Laufzeit bestimmt (Scheduling) Aktivität A Aktivität B Unterbrechung Aktivität C Aktivität D Ende der Unterbrechung Seite 10

11 Übung: Toaster 1 - Korb; 2 - Druckfeder; 3 - Heizwendel; 4 - Endlagenkontakt; 5 - Temperatursensor; 6 Rastung; 7 - Auslösemagnet; 8 - Schaltrelais (oder Triac); 9 - Stopptaste 10 - Drehschalter; 11 - Kontrollanzeige. Wir legen die Brotscheiben ein und drücken den Korb 1 nach unten. Er rastet in dieser Lage ein. Dieser Betriebszustand wird mittels des Endlagenkontaktes 4 signalisiert. Dies bewirkt dass der Toast-Vorgang beginnt. Um ihn zu beenden, wird der Auslösemagnet 7 erregt und somit Rastung 6 ausgelöst. Daraufhin drückt die Druckfeder 2 den Korb 1 wieder nach oben. Zur Beeinflussung des Ablaufs sind eine Stopptaste 9 (vorzeitiges Beenden) und ein Drehschalter 10 (zum Einstellen des Bräunungsgrades) vorgesehen. Das Toasten selbst beruht auf einer Erregung der Heizwendel 3. Hierzu muss das Schaltrelais 8 erregt werden. Seite 11

12 Übung: Toaster 1. Realisieren Sie den geschilderten Programmablauf durch synchrones Programmieren, indem Sie ein Flussdiagramm mit Abfrage- und Warteschleifen erstellen. 2. Realisieren Sie den geschilderten Programmablauf durch asynchrones Programmieren, indem Sie die erforderlichen Interrupts kennzeichnen und für jedes Ereignis ein eigenständiges Flussdiagramm erstellen. Die Programme müssen dann durch einen Interrupthandler gestartet werden. Ereignis 1 Ereignis 2 Ist was zu erledigen? erledigen erledigen erledigen Stop Stop Seite 12

13 Übung Toaster: synchrones Programmieren 1. Nach dem Einschalten initialisieren, ggf. Korb auslösen, sofern nicht in Grundstellung. 2. Prüfen, ob Grundzustand erreicht, d.h. Endlagenkontakt abgeschaltet hat 3. Warteschleife mit Abfrage, ob Korb unten eingerastet ist. 4. Wenn ja, beginnt der Toast-Vorgang: Heizwendel und Anzeige einschalten. 5. Abfrage der Stopptaste (Schleife), ob der Vorgang unterbrochen werden soll 6. Abfrage des Drehschalters, um den Bräunungsgrad einzulesen (er kann während des Toast- Vorgangs geändert werden) 7. Temperatur messen 8. Zeit (interne Zählung im Mikrocontroller) messen 9. Wärmemenge (Temperatur * Zeit) berechnen 10. Mit Wertetabelle (Bräunungsgrad-Wärmemenge) vergleichen 11. Wenn Bräunungsgrad erreicht, dann Korb auslösen, Heizwendel und Anzeige ausschalten Übung Toaster: asynchrones Programmieren Mögliche Ereignisse für den Interrupthandler: Einschaltknopf, Endlagenkontakt, Stopptaste, Drehschalter Seite 13

14 Übungsfragen Eine asynchrone Programmierung ist flexibler bei äußeren Einflüssen als eine synchrone Programmierung Eine synchrone Programmierung setzt zyklische Programmabläufe voraus Die synchrone Programmierung erfüllt nicht die Forderung nach Gleichzeitigkeit Seite 14

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