Eingebettete Systeme

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1 Institut für Informatik Lehrstuhl für Eingebettete Systeme Prof. Dr. Uwe Brinkschulte Michael Bauer Eingebettete Systeme 5. Übungsblatt Lösungsvorschlag 1. Aufgabe (Prozessverwaltung) a) Vergeben Sie für die Tasks in der untenstehenden Tabelle Prioritäten nach dem Rate-Monotonic-Verfahren (höchste Priorität = 1). Beim Rate-Monotonic-Verfahren werden die Prioritäten abhängig von der Periodendauer vergeben, wobei der kürzesten Periode die höchste Priorität zugeordnet wird. Task Ausführungszeit Periodendauer Priorität 1 25 ms 500 ms ms 40 ms ms 160 ms ms 110 ms 2 b) Wie lange dauert es schlimmstenfalls, bis Task 1 abgearbeitet ist (ab Aufruf; Kontextwechsel sind zu vernachlässigen)? Zeichnen Sie dazu den zeitlichen Verlauf der Taskzuteilung. Task Im Worst Case sind alle Tasks gleichzeitig ablaufbereit. In diesem Fall ist Task 1 nach 275 ms abgearbeitet. Tabelle1 Task Task Task Task Task Task Task Task 1 abgeschlossen Task Task Task Aufgabe (Prozessverwaltung) a) Teilen Sie den untenstehenden Tasks A-E Prozessorleistung nach dem Guaranteed- Percentage-Scheduling zu. T1 > T2 > T3 Beim GP-Scheduling errechnet sich die benötigte Prozessorzuteilung H = e wobei e p Task Task Task X T3 Zeitschranke verpasst T2 > T1 > T3 Task Task Task X T3 Zeitschranke verpasst

2 die Ausführungszeit und p die Maximalzeit darstellen. Task Ausführungszeit Maximalzeit Prozessorzuteilung A 10 ms 60 ms 16,67% B 18 ms 200 ms 9,00% C 8 ms 60 ms 13,33% D 27 ms 100 ms 27,00% E 15 ms 60 ms 25,00% b) Wie hoch ist die Prozessorauslastung? Die Auslastung errechnet sich als Summe der benötigten Prozessorzeit für die einzelnen Tasks zu 91%. c) Warum ist nicht sicher, dass Fixed-Priority-Preemptive-Scheduling einen geeigneten Schedule findet? Eine Garantie für das Finden eines ausführbaren Schedules kann im Falle von FPP- Scheduling nur bis zu einer Obergrenze der Gesamtauslastung geben, die sich im Falle von n = 5 Tasks wie folgt errechnet: ) A = n (2 1 n 1 74, 35% 3. Aufgabe (Prozessverwaltung) a) Welche Prozessorauslastung ergibt sich für das untenstehende Taskset? Task Ausführungszeit Maximalzeit Prozessorzuteilung 1 4 ms 10 ms 40,00% 2 4 ms 20 ms 20,00% 3 5 ms 15 ms 33,33% Die Auslastung beträgt somit 93, 33%. b) Zeigen Sie, dass mit Fixed-Priority-Preemptive-Scheduling kein gültiger Schedule gefunden werden kann! (Hinweis: Untersuchen Sie alle möglichen Prioritätsverteilungen) Schedule 1: P (1) > P (2) > P (3) Schedule 2: P (2) > P (1) > P (3) Schedule 3: P (3) > P (1) > P (2) 2

3 Schedule 4: P (1) > P (3) > P (2) 3

4 Schedule 5: P (3) > P (2) > P (1) Schedule 6: P (2) > P (3) > P (1) 4

5 c) Funktioniert Fixed-Priority-Nonpreemptive-Scheduling in jedem Fall? Es kann funktionieren: Muss aber nicht in jedem Fall: 4. Aufgabe (Prozessverwaltung) Für ein industrielles fahrerloses Transportsystem (FTS) werden drei Tasks benötigt: T1 Die Kameradatenverarbeitung, ein periodischer Task, erkennt eine auf dem Boden aufgeklebte optische Fahrspur und meldet Abweichungen an die Motorsteuerung. Periode = 10 ms, Ausführungszeit = 1 ms T2 Die Motorsteuerung, ein periodischer Task, steuert die Fahrzeugmotoren derart, dass sich das Fahrzeug immer mittig über der aufgeklebten Spur bewegt. Periode = 10 ms, Ausführungszeit = 5 ms T3 Die Transpondererkennung, ein aperiodischer Task, stoppt das Fahrzeug, sobald der Transponder eine Landmarke, z.b. eine Produktionsstation, erkannt hat. Die Positionsgenauigkeit eines solchen Stopps soll 1 cm betragen, die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs beträgt 0,65 m/s. Ausführungszeit = 5,5 ms a) Zeigen Sie, dass mit Fixed-Priority-Preemptive-Scheduling mit Prioritätenverteilung nach dem Rate-Monotonic-Verfahren kein gültiger Schedule gefunden werden kann. Task 3 ist aperiodisch, daher ist eine Periodisierung notwendig. Aus der geforderten Genauigkeit des Halts von 1 cm und einer Geschwindigkeit von 0,56 m/s ergibt sich eine Periode von 1cm 15, 4ms 0, 65m/s 5

6 Daraus erhalten wir folgende Auslastungen: Task Ausführungszeit Maximalzeit Prozessorzuteilung T1 1 ms 10 ms 10,00% T2 5 ms 10 ms 50,00% T3 5,5 ms 15,4 ms 35,75% Die Gesamtauslastung beträgt somit 95, 75%. Da die Perioden von T1 und T2 gleich sind, haben wir zwei Fälle zu betrachten, um die Eignung von FPP-Scheduling feststellen zu können: A) P (T 1) > P (T 2) > P (T 3) B) P (T 2) > P (T 1) > P (t3) 6

7 b) Was passiert bei Nutzung von Earliest-Deadline-First-Scheduling? Zeichnen Sie den zeitlichen Verlauf der Taskzuteilung in den ersten 30 ms. Da EDF-Scheduling ein optimales Scheduling-Verfahren ist, und die Auslastung unter 100% liegt, wird ein gültiger Schedule gefunden: Kameradatenverarbeitung (T 1) 1 msec 1 msec 1 msec Motorsteuerung (T 2) Transpondererkennung (T 3) 5 msec 5,5 msec 5 msec 5,5 msec Ruhe Zeitschranke T1 & T2 Zeitschranke T3 Zeitschranke T1 & T2 Zeitschranke T1 & T msec Ereignis für T 1, T 2 und T 3 Ereignis für T 1 und T 2 Ereignis für T 1 und T 2 7

8 5. Aufgabe (Echtzeitbetriebssysteme) a) Was sind die Aufgaben eines Standardbetriebssystems? Welche zusätzlichen Aufgaben übernimmt ein Echtzeitbetriebssystem? Aufgaben eines Standardbetriebssystems Taskverwaltung Zuteilung des Prozessors an die Tasks Betriebsmittelverwaltung Speicherverwaltung I/O-Verwaltung Interprozesskommunikation Kommunikation zwischen Tasks Synchronisation Zeitliche Koordination der Tasks Schutzmaßnahmen Schutz der Betriebsmittel vor unberechtigten Zugriffen der Tasks Zusätzliche Aufgaben eines Echtzeitbetriebssystems Wahrung der Rechtzeitigkeit und Gleichzeitigkeit Daten müssen rechtzeitig abgeholt, verarbeitet und ausgegeben werden Rechtzeitigkeit muss für mehrere Aktionen gleichzeitig gewährleistet sein Wahrung der Verfügbarkeit Keine unvorhergesehenen und/oder unberechenbaren Unterbrechungen des Betriebs b) Was versteht man bei Betriebssystemen unter einem monolithischen Aufbau? In einem monolithischen Betriebssytem ist alle Funktionalität in einem einheitlichen, nicht weiter unterteilten Block realisisiert. Daraus ergibt sich eine schlechte Wartbar- und Anpassbarkeit, und daher eine hohe Fehleranfälligkeit. Heutige Betriebssysteme folgen hingegen hierarchischen Schichtenmodellen, wobei jede Schicht von der darunterliegenden Schicht abstrahiert und deren Funktionalität erweitert. c) Was ist der grundlegende Unterschied zwischen einem Mikro- und einem Makrokern- Betriebssystem? Der Kern ist der Teil des Betriebssystems, der im Kernelmode ausgeführt wird. Dabei hat er Zugriff auf privilegierte Befehle, Speicherbereiche und Ressourcen. Im Usermode hingegen ist der Zugriff nur über den Kern möglich, der somit Schutzmechanismen sicherstellen kann. In einem Makrokern-Betriebssystem laufen viele Schichten (s.o.) im Kernelmode. So sind Gerätetreiber, die Ressourcen- und Taskverwaltung, und in manchen Systemen (z.b. Windows, nicht aber Linux) sogar die grafische Oberfläche Teil des Kerns. Solch ein Kern wird auch monolithisch genannt (nicht zu verwechseln mit dem vorgenannten monolithischen Betriebssystem!) 8

9 Der Kern eines Mikrokern-Betriebssystems ist, wie der Name schon andeutet, sehr schlank. Er enthält nur die nötigsten Bestandteile; mindestens die Interprozesskommunikation (die auch Synchronisation erlaubt), eine elementare Taskverwaltung (Einrichten, Aktvieren, Blockieren und Beenden einer Task, nicht aber das Scheduling), sowie die Adressraumverwaltung (andernfalls wäre Speicherschutz nicht realisierbar). Alle anderen Funktionen werden im Usermode ausgeführt. d) Welche Vor- und Nachteile ergeben sich daraus für eine Mikrokernarchitektur? Warum zieht man eine solche Architektur im Entwurf heutiger Echtzeitbetriebssysteme vor? Eine Mikrokernarchitektur besticht durch hohe Anpassbarkeit und Skalierbarkeit, da man je nach Bedarf Module hinzufügen und auch dynamisch entfernen kann, wenn sie nicht mehr benötigt werden. Durch dieses Baukastensystem ist das System auch leichter auf andere Hardwareplattformen zu portieren, da oftmals lediglich Gerätetreiber angepaßt werden müssen. Für Echtzeitsysteme besonders wichtig ist die höhere zeitliche Vorhersagbarkeit. Kritische Bereiche können kurz gehalten werden, der Kern ist somit fast immer unterbrechbar ( Preemptiver Kern ). Dies erlaubt eine schnelle Reaktion auf Ereignisse. Als Hauptnachteil erweisen sich die häufigen Wechsel zwischen Kernel- und Usermode, die in einer Mikrokernarchitektur notwendig werden, sowie allgemein die häufigeren Kontextwechsel. Auch kann die Interprozesskommunikation im allgemeinen nicht über gemeinsame Speicherbereiche durchgeführt werden, sondern erfordert aufwändigere Mechanismen. Für die Geschwindigkeit eines Mikrokernsystems ist daher entscheidend, dass IPC und Kontextwechsel sehr schnell durchgeführt werden können. 9