Automatisierungstechnik I Mini-Betriebssystem Theorie
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- Christel Huber
- vor 7 Jahren
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1 Universität Stuttgart Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik Prof. Dr.-Ing. M. Weyrich Automatisierungstechnik I Sommersemester 2015 Farzan Yazdi, M.Sc. at1@ias.uni-stuttgart.de Zerlegung des Mini-Echtzeit-Betriebssystemprogramms Teilprogramm ZEIT zur Bildung der unterschiedlichen Zykluszeiten Teilprogramm TASK zur Verwaltung der Rechenprozesse Teilprogramm PROZESSOR Zuteilung des Betriebsmittels Prozessor Start der Rechenprozesse MINI-ECHT BETRIEBSSYSTEM Ebene 1 IAS, Universität Stuttgart 2 1
2 Zusammenwirken der Teilprogramme MINI-ECHTBETRIEBSSYSTEM UHR- IMPULS- TAKT TASK- Start eines Rechenprozesses Ende eines Rechenprozesses Symbolik Anstoß (Kontrollfluss) Datenübergabe (Datenfluss) Programm bzw. Programmteil Liste von Daten bzw. einzelner Wert (Date) IAS, Universität Stuttgart 3 Benötigte Listen für die ZEIT (1) Zeitdauervariable Z i zur Zykluszeit-Bildung Liste ZEITZÄHLER Ablage der Zeitdauervariablen z i : z 1 z 2 m Plätze z 3 Liste von Variablen z m IAS, Universität Stuttgart 4 2
3 Benötigte Listen für die ZEIT (2) Zykluszeit T i für jeden Rechenprozess Liste ZYKLUS Bereitstellen der Zykluszeit-Faktoren a i : a 1 a 2 m Plätze a 3 a m = T i /T Liste von Konstanten IAS, Universität Stuttgart 5 Blockdiagramm des Teilprogramms ZEIT UHRIMPULS- TAKT ZEIT Anstoß TASK ZYKLUS ZÄHLER IAS, Universität Stuttgart 6 3
4 Benötigte Liste für TASK und PROZESSOR Zustände und Anfangsadressen der Rechenprozesse SBLOCK Listenstruktur zur Verwaltung der Rechenprozesse SBLOCK m Plätze B 1 B 2 B 3 B 4 Startadresse 1 Startadresse 2 Startadresse 3 Startadresse 4 B m Startadresse m Zustandsbits B i B i = 0: bereit B i = 1: ruhend Anfangsadresse des dem Rechenprozess i zugeordneten Codes (i = 1, 2,..., m) IAS, Universität Stuttgart 7 Zerlegung des Programmteils TASK TASK- Ebene 2 AKTIVIERUNG DEAKTIVIE- RUNG Ebene 3 IAS, Universität Stuttgart 8 4
5 Blockdiagramm der TASK von/zur ZEITVER- WALTUNG AKTIVIERUNG zur S- BLOCK Auslesen der Startadresse durch die DEAKTIVIERUNG Ende des betreffenden Rechenprozesses von der IAS, Universität Stuttgart 9 Teilprogramme AKTIVIERUNG: DEAKTIVIERUNG: Verändern des Zustandsbits in bereit Verändern des Zustandsbits in ruhend B = 0 B = 1 : Überprüfung, ob sich eine Task im Zustand bereit befindet Ordnung der Liste SBLOCK ermöglicht einfache Priorisierung Untergliederung PROZESSOR ist nicht notwendig IAS, Universität Stuttgart 10 5
6 Übersichtsblockdiagramm des Mini-Echtzeit-Betriebssystems UHR- IMPULS- TAKT ZYKLUS ZEIT ZÄHLER AKTIVIERUNG S- BLOCK DEAKTIVIE- RUNG PROZESSOR Rechenprozesscode ZEIT TASK IAS, Universität Stuttgart 11 Feinentwurf in Form von Flussdiagrammen ZEIT UHR- IMPULS- TAKT ZEIT l = 1 ZEITZÄHLER(I) = ZEITZÄHLER(I) -1 ZÄHLER(I) = 0? nein I = M? nein l = I + 1 ja ja Suchen ZEITZÄHLER(I) = ZYKLUS(I) AKTIVIERUNG(I) IAS, 2015, Universität IAS Universität Stuttgart Stuttgart 12 6
7 Flussdiagramme der Programme TASK AKTIVIERUNG AKTIVIERUNG(I) Adressteil von VERWAL- TUNGSBLOCK (I) = 0? nein ZUSTANDSBIT(I) IN S BLOCK(I) = 0 setzen ja FEHLER- MELDUNG Abfrage, ob Rechenprozess überhaupt vorhanden = bereit Rücksprung IAS, Universität Stuttgart 13 DEAKTIVIERUNG I = 1 DEAKTIVIERUNG(I) ZUSTANDS- BIT(I) von VERWAL- TUNGSBLOCK(I) = 0? nein ja ZUSTANDSBIT(I) in S- BLOCK(I) = 1 setzen I = M? ja nein = ruhend I = I + 1 PROZESSORVER- WALTUNG(I) IAS, Universität Stuttgart 14 7
8 Flussdiagramm der PROZESSOR PROZESSORVER- WALTUNG (I) Rechenprozess über Startadresse in S- BLOCK (I) starten, d.h. als Unterprogramm aufrufen DEAKTIVIERUNG (I) IAS, Universität Stuttgart 15 Erste Erweiterung des Systementwurfs Zulassen längerer Rechenzeiten für die Rechenprozesse Beim Eintreffen eines Uhrimpuls-Taktes muss u.u. ein noch laufender Rechenprozess mit längerer Ausführungsdauer und niedrigerer Priorität unterbrochen werden, um einen Rechenprozess höherer Priorität zu starten Programm zur Unterbrechungsverwaltung IAS, Universität Stuttgart 16 8
9 Teilprogramm UNTERBRECHUNGS Aufgabe des Verwaltungsprogramms Rettung der Register des Prozessors eines gerade laufenden Rechenprozesses Programmzähler Akkumulator Zustandsregister Arbeitsregister IAS, Universität Stuttgart 17 Erweitertes Hierarchiediagramm nach dem Zulassen längerer Rechenzeiten der Rechenprozesse MINI-ECHTBETRIEBSSYSTEM (Erweiterung 1) UNTER- BRECHUNGS- TASK- IAS, Universität Stuttgart 18 9
10 Erweiterung der Liste SBLOCK Rechenprozess 1 B 1 Anfangsadresse 1 Startadresse (Programmzählerinhalt) Registerinhalt 1 Registerinhalt 2 Startadresse nach einer Unterbrechung Register- Speicherplätze Rechenprozess 2 B 2 Registerinhalt k Anfangsadresse 2 Startadresse (Programmzählerinhalt) Registerinhalt 1 Registerinhalt 2 Registerinhalt k Rechenprozess m B m Anfangsadresse m Startadresse (Programmzählerinhalt) Registerinhalt 1 Registerinhalt 2 Registerinhalt k IAS, Universität Stuttgart 19 Erweiterung des Teilprogramms PROZESSOR vor dem Start eines ablaufbereiten Rechenprozesses laden der Register mit den Inhalten der Liste SBLOCK Erweiterung des Teilprogramms DEAKTIVIERUNG nach Beendigung eines Rechenprozesses laden seiner Anfangsadresse in die Zelle STARTADRESSE und Initialisieren der Registerinhalte im SBLOCK IAS, Universität Stuttgart 20 10
11 Übersichtsdiagramm des Mini-Echtzeit-Betriebssystems Erste Erweiterung: Zulassen längerer Rechenzeiten für die Rechenprozesse ZEIT AKTI- VIERUNG UHRIMPULS- INTERRUPT VERWAL- TUNGS- BLOCK Rechenprozesscode ZYKLUS ZÄHLER DEAKTI- VIERUNG UNTER- BRECHUNGS- TASK- IAS, Universität Stuttgart 21 Zweite Erweiterung des Software-Systementwurfs Vorsehen der Möglichkeit von Alarm-Interrupts bis zu k Rechenprozesse, deren Aktivierung von zeitlich nicht vorhersehbaren Alarm-Interrupts ausgelöst wird Erweiterung der UNTERBRECHUNGS Registerrettung bei Uhrimpuls-Interrupts Anstoß der ZEIT bei Alarm-Interrupts Aufruf der AKTIVIERUNG, um dem Alarm-Interrupt zugeordnetes Antwortprogramm in den Zustand bereit zu setzen Anstoß der IAS, Universität Stuttgart 22 11
12 Übersichtsdiagramm für das Mini-Betriebssystem Zweite Erweiterung: Vorsehen der Möglichkeit von Alarm-Interrupts UHRIMPULS- INTERRUPT ZEIT AKTI- VIERUNG externe Interrupts INTERRUPT1 INTERRUPT2 INTERRUPT K ZYKLUS ZÄHLER VERWAL- TUNGS- BLOCK DEAKTI- VIERUNG Rechenprozesscode UNTER- BRECHUNGS- TASK- IAS, Universität Stuttgart 23 Dritte Erweiterung des Software-Systementwurfs Betriebsmittelverwaltung für Ein-/Ausgabegeräte E/A-Operationen sind langsamer Analog-Digital-Umsetzer ca. 20 ms Einführung eines Teilprogramms E/A- Aufgabe: Organisation von langsamen Ein-/Ausgabeoperationen Rechenprozess wird angehalten Prozessor kann andere Rechenprozesse bearbeiten Beendigung der E/A-Operationen ermöglicht Fortsetzung des zugehörigen Rechenprozesses IAS, Universität Stuttgart 24 12
13 Hierarchiediagramm des Mini-Betriebssystems MINI-ECHT BETRIEBSSYSTEM (Erweiterung 3) E/A- UNTER- BRECHUNGS- TASK- IAS, Universität Stuttgart 25 Aufhebung der Vereinfachungen Die Betriebssystemprogramme selbst sind nicht unterbrechbar Die Mehrfachbeauftragung eines Rechenprozesses, d.h. erneute Beauftragung vor der Beendigung, ist ausgeschlossen Eine gegenseitige Beauftragung von Rechenprozessen ist nicht möglich Eine Synchronisierung der Rechenprozesse, z.b. mittels Semaphoroperationen, ist nicht möglich Keine Datenkommunikation zwischen den Rechenprozessen, d.h. kein Austausch von Daten, keine gemeinsame Benutzung von Daten Keine dynamische Änderung der Prioritäten der Rechenprozesse während der Programmdurchführung Rechenprozesse befinden sich im Arbeitsspeicher, Hintergrundspeicher sind nicht vorhanden IAS, Universität Stuttgart 26 13
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