Anwendungsanalyse von Echtzeitsystemen
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- Jacob Graf
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1 Anwendungsanalyse von Echtzeitsystemen Vorgehen in der Praxis Florian Franzmann Martin Hoffmann Tobias Klaus Peter Wägemann Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Lehrstuhl Informatik 4 (Verteilte Systeme und Betriebssysteme) www4.informatik.uni-erlangen.de 17. November 2014 FF, MH, TK, PW (Inf 4) Anwendungsanalyse von Echtzeitsystemen 17. November / 26
2 1 Überblick 1 Anwendungsanalyse Prequel: Anforderungsanalyse Anwendungsanalyse 2 Hinweise zu Aufgabe 4 Software Tracing FF, MH, TK, PW (Inf 4) Anwendungsanalyse von Echtzeitsystemen 17. November / 26
3 2 Anwendungsanalyse Problemstellung Wie komme ich vom Echtzeitproblem zum Echtzeitsystem? Zunächst Anforderungsanalyse Danach Anwendungsanalyse: Einordnung Zielsetzung Problematik Lösungsansätze Anforderungen und Fakten FF, MH, TK, PW (Inf 4) Anwendungsanalyse von Echtzeitsystemen 17. November / 26
4 Analyse der Problemstellung 2 Anwendungsanalyse 2.1 Prequel: Anforderungsanalyse methodisch gestütztes Aufstellen von Anforderungen Anforderung (engl. requirements) Aussage über eine zu erbringende Leistung eines Produkts oder eines Systems eine Eigenschaft, die erfüllt sein muss, damit ein bestimmter Vorgang gelingen kann ein Leistungsmerkmal (nicht nur) von Software Zusammenfassung im Lasten-/Pflichtenheft als Bestandteil eines zu erstellenden Anforderungsdokuments, das die durch das System zu lösende Aufgabe beschreibt die im Projekt zu erreichenden Ziele definiert den Benutzerkreis des zu entwickelnden Systems festlegt... in Zusammenarbeit mit dem Kunden FF, MH, TK, PW (Inf 4) Anwendungsanalyse von Echtzeitsystemen 17. November / 26
5 2 Anwendungsanalyse 2.1 Prequel: Anforderungsanalyse Spezifikationstechniken Allgemeine Klassifikation: formal (engl. formal) rigorose mathematische Grundlage formale Notation informell (engl. informal) wenn Transkription in formale Notation mit zugeordneten Regeln schwierig z. B. Ablaufdiagramm (engl. flowchart) halbförmlich (engl. semiformal) Mischung aus formal und informell, z. B. UML: Zustandsdiagramm (engl. statechart) formal andere Konzepte eher pseudomathematisch Echtzeitsysteme mit strikt einzuhaltenden Anforderungen... erfordern eine formale Begründung der Leistungscharakteristiken und Anforderungen! FF, MH, TK, PW (Inf 4) Anwendungsanalyse von Echtzeitsystemen 17. November / 26
6 2 Anwendungsanalyse 2.1 Prequel: Anforderungsanalyse Ausflug: Datenmodellierung Grundlage ist Entity-Relationship-Ansatz Modelliert werden Ausschnitte der Realität durch... Gegenstandstypen engl. entity types Beziehungstypen engl. relation types Attribute engl. attributes Steuergerät überwacht stellt Drucksensor Druckventil FF, MH, TK, PW (Inf 4) Anwendungsanalyse von Echtzeitsystemen 17. November / 26
7 2 Anwendungsanalyse 2.1 Prequel: Anforderungsanalyse Ausflug: Datenmodellierung Grundlage ist Entity-Relationship-Ansatz Modelliert werden Ausschnitte der Realität durch... Gegenstandstypen engl. entity types Beziehungstypen engl. relation types Attribute engl. attributes Steuergerät überwacht stellt Drucksensor Druckventil Einfach und klar, ideal für Datenbanken Weder Funktionalität noch Verhalten von Systemen Keine Dekomposition Keine Datenkapselung FF, MH, TK, PW (Inf 4) Anwendungsanalyse von Echtzeitsystemen 17. November / 26
8 2 Anwendungsanalyse 2.1 Prequel: Anforderungsanalyse Ausflug: Strukturierte Analyse Grundlage: Datenflussdiagramme Modellierung von Systemfunktionalität Beschreibung des Systemkontexts Interaktion Ein-/Ausgabe Sensoren Taktgeber Temperatur,... 4 ms Position,... Hauptrechner Beschleunigungsmesser Trägheitsmesssystem Drehmelder (δx, δy, δz) (gx, gy, gz) (ω, φ, ϑ) Daten Kreisel Anzeige FF, MH, TK, PW (Inf 4) Anwendungsanalyse von Echtzeitsystemen 17. November / 26
9 2 Anwendungsanalyse 2.1 Prequel: Anforderungsanalyse Ausflug: Strukturierte Analyse Grundlage: Datenflussdiagramme Modellierung von Systemfunktionalität Beschreibung des Systemkontexts Interaktion Ein-/Ausgabe Sensoren Taktgeber Temperatur,... 4 ms Position,... Hauptrechner Beschleunigungsmesser Trägheitsmesssystem Drehmelder (δx, δy, δz) (gx, gy, gz) (ω, φ, ϑ) Daten Kreisel Anzeige Anschaulich, Dekomposition keine Lokalität, begrenzte Kapselungsfähigkeit keine nichtfunktionalen Eigenschaften Strukturbruch: Spezifikation Implementierung FF, MH, TK, PW (Inf 4) Anwendungsanalyse von Echtzeitsystemen 17. November / 26
10 2 Anwendungsanalyse 2.1 Prequel: Anforderungsanalyse Fakten: I4Copter FF, MH, TK, PW (Inf 4) Anwendungsanalyse von Echtzeitsystemen 17. November / 26
11 2 Anwendungsanalyse 2.2 Anwendungsanalyse Einordnung Anwendungsanalyse Beziehung zwischen Ereignis n und Ergebnis m Zeitlich: Wie viel Zeit darf verstreichen? Termine Physikalisch: Wie ist das Ergebnis zu bestimmen? FF, MH, TK, PW (Inf 4) Anwendungsanalyse von Echtzeitsystemen 17. November / 26
12 2 Anwendungsanalyse 2.2 Anwendungsanalyse Fragestellungen der Echtzeitanwendungsanalyse Physikalisches Objekt: Welche Größen sind relevant? Wie hängen die Größen zusammen? Echtzeitsystem: Welche Ereignisse gilt es zu behandeln? Welche Zeitschranken gilt es einzuhalten? Welche Beziehung Zeitschranke physikalisches Objekt? Wie sieht das physikalische Modell aus? Welche Größen muss man abbilden? Wie bildet man diese Größen ab? FF, MH, TK, PW (Inf 4) Anwendungsanalyse von Echtzeitsystemen 17. November / 26
13 2 Anwendungsanalyse 2.2 Anwendungsanalyse Herausforderungen Problematik einfach erscheinende Objekte physikalisch äußerst komplex Vereinfachende Annahmen unabdingbar Beispiel: Hau den Lukas vs. Quadrocopter FF, MH, TK, PW (Inf 4) Anwendungsanalyse von Echtzeitsystemen 17. November / 26
14 2 Anwendungsanalyse 2.2 Anwendungsanalyse Herausforderungen Problematik einfach erscheinende Objekte physikalisch äußerst komplex Vereinfachende Annahmen unabdingbar Beispiel: Hau den Lukas vs. Quadrocopter Lösungsansätze Reduktion auf den Zustand Regelungstechnik FF, MH, TK, PW (Inf 4) Anwendungsanalyse von Echtzeitsystemen 17. November / 26
15 Reduktion auf den Zustand genauer: den beobachtbaren Zustand 2 Anwendungsanalyse 2.2 Anwendungsanalyse Idee: Man kann den Zustand immer beobachten... gezielt und exakt manipulieren Konsequenz für unser Modell: es kann auf den beobachtbaren Zustand reduziert werden häufig nur noch diskretisierte Wertebereiche reine Kausalitätsbeziehungen drastische Vereinfachung des Modells ohne relevante Eigenschaften zu verlieren FF, MH, TK, PW (Inf 4) Anwendungsanalyse von Echtzeitsystemen 17. November / 26
16 Beispiel: Hau den Lukas 2 Anwendungsanalyse 2.2 Anwendungsanalyse 8.2 cm 4.1 cm Lichtschranke 2 Spule 2 Beobachtung: der Eisenkernposition der Bewegungsrichtung durch Lichtschranken 23 cm Manipulation: Eisenkern kann festgehalten fallengelassen angehoben werden Lichtschranke 1 Spule 1 Zustand ist vollständig beobachtbar gezielt manipulierbar FF, MH, TK, PW (Inf 4) Anwendungsanalyse von Echtzeitsystemen 17. November / 26
17 Nachteile 2 Anwendungsanalyse 2.2 Anwendungsanalyse Modell sagt nichts aus über... den Eisenkern die verwendeten Spulen die Umgebungstemperatur Gezielte Manipulation nicht garantierbar wenn diese Größen verändert werden System muss sich gutmütig verhalten ggü. Parametern, die man nicht kontrollieren kann diese sind dann vernachlässigbar Längst nicht alle Systeme erfüllen diese Eigenschaft FF, MH, TK, PW (Inf 4) Anwendungsanalyse von Echtzeitsystemen 17. November / 26
18 2 Anwendungsanalyse 2.2 Anwendungsanalyse Regelungstechnik Problem: interner Zustand nicht beobachtbar interne Parameter beeinflussen das System in relevantem Umfang Idee: Nachbildung/Berechnung des internen Zustands physikalisches Modell inklusive internem Verhalten Konsequenz für unser Modell Mathematisch/physikalische Beschreibung des Systems Bestimmung der Systemparameter Trägheit, Widerstand,... Berücksichtigung vergangener Zustände Beschreibung des Systems durch das Modell detaillierte Analyse notwendig FF, MH, TK, PW (Inf 4) Anwendungsanalyse von Echtzeitsystemen 17. November / 26
19 Regelungstechnik Systemtheorie 2 Anwendungsanalyse 2.2 Anwendungsanalyse Eingangsvektor Abweichung vom Sollwert des Systems Ausgangsvektor Ist-Wert des Systems Systemmatrix Rückkopplung interner Zustände beeinflussbar Kmot berechenbar beobachtbar u ωmot K ω ϕ Jmot J Systemmodell Beschreibt Zusammenhänge zwischen beeinflussbaren, beobachtbaren, berechenbaren Systemparametern FF, MH, TK, PW (Inf 4) Anwendungsanalyse von Echtzeitsystemen 17. November / 26
20 Beispiel: Quadcopter 2 Anwendungsanalyse 2.2 Anwendungsanalyse Beobachtung: Winkelgeschwindigkeit und Lage um x-/y-achse Manipulation: erzeugte Schubkraft kann variiert werden geregelt wird Spannung der Motoren Reaktion: abhängig von Momenten des Objekts (Masse, Trägheit) und Motor/Propeller (Trägheit, Reibung, Wirkungsgrad) Zustand nicht beobachtbar, aber berechenbar FF, MH, TK, PW (Inf 4) Anwendungsanalyse von Echtzeitsystemen 17. November / 26
21 2 Anwendungsanalyse 2.2 Anwendungsanalyse Modellbildung Berechnung beliebiger Zustände basierend auf Messungen Kennlinien erstellen Messung zusätzlicher Parameter Herleitung von Konstanten/Funktionen z. B. Motor: Schubkraft Drehzahl Stromaufnahme Spannung diskrete Stellgröße Motorkonstante Funktion Stellgröße Schub FF, MH, TK, PW (Inf 4) Anwendungsanalyse von Echtzeitsystemen 17. November / 26
22 Fazit 2 Anwendungsanalyse 2.2 Anwendungsanalyse scheinbar einfache Vorgänge physikalisch sehr komplex physikalische Vorgänge mathematisch oft nicht analytisch lösbar Vereinfachung des Modells numerische Lösungsansätze Massive Vereinfachung notwendig Was muss man wirklich wissen? Was kann man wissen/messen? Welche Einschränkungen sind damit verbunden? FF, MH, TK, PW (Inf 4) Anwendungsanalyse von Echtzeitsystemen 17. November / 26
23 Fazit 2 Anwendungsanalyse 2.2 Anwendungsanalyse scheinbar einfache Vorgänge physikalisch sehr komplex physikalische Vorgänge mathematisch oft nicht analytisch lösbar Vereinfachung des Modells numerische Lösungsansätze Massive Vereinfachung notwendig Was muss man wirklich wissen? Was kann man wissen/messen? Welche Einschränkungen sind damit verbunden? Entwurf des Echtzeitsystems setzt Vertrautheit mit physikalischem Objekt voraus! FF, MH, TK, PW (Inf 4) Anwendungsanalyse von Echtzeitsystemen 17. November / 26
24 Ergebnis der Analyse 2 Anwendungsanalyse 2.2 Anwendungsanalyse Welche Aktivitäten laufen in dem System ab? Können diese Aktivitäten feiner strukturiert werden? Laufen Elemente einer Aktivität zeitgleich ab? Aufgaben Wann werden diese Aktivitäten ausgeführt? Welche zeitlichen Eigenschaften haben diese Zeitpunkte? Ereignisse Was hängt von den berechneten Ergebnissen ab? Wie viel Zeit darf dabei verstreichen? Termine FF, MH, TK, PW (Inf 4) Anwendungsanalyse von Echtzeitsystemen 17. November / 26
25 3 Hinweise zu Aufgabe 4 Entwicklung im Emulator Ab Aufgabe 4 verwenden wir einen i386-emulator FailBochs Was ändert sich dadurch für euch? Zeitgeber deutlich geringerer Auflösung make flash funktioniert nicht mehr stattdessen make sim, make run und make ddd gdb bzw. ddd anstatt trace32 Bearbeitung der Übungsaufgaben im Informatik-CIP-Pool Kein Dienstags-Übungstermin mehr Sobald alle Teilnehmer Aufgabe 3 abgegeben haben wir schreiben eine sobald es soweit ist FF, MH, TK, PW (Inf 4) Anwendungsanalyse von Echtzeitsystemen 17. November / 26
26 3 Hinweise zu Aufgabe 4 Grafische Ausgabe Das Display Framebuffer Grundlagen X à Y à Framebuffer ; Grafische Ausgabe ecos bietet einheitliche, hardwareunabhängig Schnittstelle1 Auflösung in unserem Fall: 320x240x16 bit (qemu & Hardware) Zwecks Portabilität immer Variablen nutzen: Breite: CYG_FB_WIDTH(FRAMEBUF) Höhe: CYG_FB_HEIGHT(FRAMEBUF) 1 ecos.sourceware.org/docs-latest/ref/io-framebuf.html FF, MH, TK, PW (Inf 4) Anwendungsanalyse von Echtzeitsystemen 17. November / 26
27 3 Hinweise zu Aufgabe 4 Grafische Ausgabe Das Display Framebuffer Grundlagen X à Y à Nützliche Funktionen: void ezs_fb_init(void) void ezs_fb_clear(cyg_fb_colour color) void ezs_fb_fill_block(cyg_ucount16 x, cyg_ucount16 y, cyg_ucount16 width,cyg_ucount16 height,cyg_fb_colour color) void ezs_fb_print_string_cur(char* c, cyg_ucount16 x, cyg_ucount16 y, cyg_fb_colour color) FF, MH, TK, PW (Inf 4) Anwendungsanalyse von Echtzeitsystemen 17. November / 26
28 3 Hinweise zu Aufgabe 4 Leistungsdichtespektrum in libezs void ezs_power_density_spectrum ( f l o a t i n [ ], f l o a t out [ ], i n t N) in[] Eingabe, Abschnitt des Zeitbereichssignals out[] Ausgabe, Leistungsdichtespektrum (LDS) N Anzahl der Abtastwerte, wobei N Zweierpotenz Zeitbereichssignal der Länge N LDS 2 der Länge N 2 Höchste Frequenz im Spektrum aus Abtasttheorem f Abtast FF, MH, TK, PW (Inf 4) Anwendungsanalyse von Echtzeitsystemen 17. November / 26
29 3 Hinweise zu Aufgabe 4 LDS Beispiel Leistung Frequenz Darstellung mit 16 Werten: LDS der Länge 32 notwendig 1Hz Abstand Spektrum bis 16 Hz erfassen Abtastfrequenz 32 Hz Balken repräsentieren Leistung FF, MH, TK, PW (Inf 4) Anwendungsanalyse von Echtzeitsystemen 17. November / 26
30 3 Hinweise zu Aufgabe Software Tracing Software Tracing Darstellung mittels Ablaufgraph qemu ecos libezs Counter Clocks Alarme Framebuffer App T 1 T 2 T 3 Instrumenta1on Visualisierung der Threads Softwarebasiertes Tracing ecos Instrumentations 3 Ausgabe der Priorität Ablaufgraph 3 ecos.sourceware.org/docs-latest/user-guide/kernel-instrumentation.html FF, MH, TK, PW (Inf 4) Anwendungsanalyse von Echtzeitsystemen 17. November / 26
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