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Institut für Angewandte Mikroelektronik und Datentechnik Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik, Universität Rostock Vorlesung Echtzeitbetriebssysteme.

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Präsentation zum Thema: "Institut für Angewandte Mikroelektronik und Datentechnik Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik, Universität Rostock Vorlesung Echtzeitbetriebssysteme."—  Präsentation transkript:

1 Institut für Angewandte Mikroelektronik und Datentechnik Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik, Universität Rostock Vorlesung Echtzeitbetriebssysteme I. EINLEITUNG Dr.-Ing. Frank Golatowski

2 Institut MD Universität Rostock Ziele der Vorlesung (allg.) Verständnis der Grundlagen –Motivation für die Nutzung von Echtzeitbetriebssystemen –Multi-tasking in Echtzeit- und Standardbetriebssystemen Erfahren –die enge Wechselwirkung zwischen RTS-Design und RTOS –Praktische Fertigkeiten Interesse an Forschung wecken

3 Institut MD Universität Rostock Ziele der Vorlesung (spez.) Antworten geben können auf ff. Fragen: Was muss beachtet werde, damit man zu einem deterministischen Echtzeitsystem gelangt? Wie kann dabei ein Echtzeitbetriebssytem sinnvoll eingesetzt werden? Was unterscheidet ein hartes Echtzeitsystem von einem weichen Echtzeitsystem? Wie entwirft man ein deterministisches Echtzeitsystem? Worin unterscheiden sich Standard-Betriebssysteme von Echtzeitbetriebssysteme?

4 Institut MD Universität Rostock Gliederung 0. Organisatorisches –Vorlesung –Übung –Literatur 1. Einleitung –Definitionen –Typische Echtzeitanwendungen –Aufgaben eines Betriebssystems (allgemein) –Architektureigenschaften eines Echtzeitbetriebssystems –Klassifikation von Echtzeitbetriebssystemen

5 Institut MD Universität Rostock Vorlesung Script zur Vorlesung unter Vorlesungstermine –dienstags (u) Uhr Übung –dienstags Uhr Vorlesung –Nächste Übung: Uhr –Nächste Vorlesung: Uhr Übungen: –Aufgaben zu Unix (Linux), RT-Linux, Windows NT –Schedulinganalyse mit YASA (Yet Another Schedulability Analyzer)

6 Institut MD Universität Rostock Literatur Betriebssysteme (allgemein) –Andrew Tanenbaum Betriebssysteme –Andrew Tanenbaum, James Goodman Computerarchitektur. Strukturen, Konzepte, Grundlagen –Bach Unix-Wie funktioniert das Betriebssystem –W. Richard Stevens Advanced Programming in the Unix Environment –Ben Ari Parallele Programmierung

7 Institut MD Universität Rostock Literatur (Forts.) Detaillierte Informationen unter –http://www-md.e-technik.uni-rostock.de/ma/gol/books/rts Echtzeitbetriebssysteme –Alan Burns & Andy Wellings, Real-Time Systems and Programming Languages, Addison Wesley, 3rd Ed., ISBN –Bill O. Gallmeister, POSIX.4 O´Reilly & Associates, 1995, ISBN –Klein et al.The Rate Monotonic Handbook Kluwer Academic,1993, ISBN –Phillip A. Laplante, Real-Time Systems Design and Analysis, 2nd. Ed., 1998 –Jane W.S.Liu, Real-Time Systems Prentice Hall, 2000, ISBN

8 Institut MD Universität Rostock Literatur (Forts.) Echtzeitbetriebssysteme (weitere) –Furth et al., Kluwer, 1991 Real-Time Unix Systems Design and Application Guide –Bruce Powel Douglass, Addison-Wesley, 1999 Doing Hard Time: Deigning and Implementating Embedded Systems with UML –Stancovics EDF –Buttazzo Hard Real-Time Systems –J.E. Cooling, Chapman and Hall, 1991 Software Design for Real-Time Systems

9 Institut MD Universität Rostock Literatur (Forts.) Weitere nützliche Bücher –Balzert Lehrbuch der Software-Technik (1,2) Das ist das m.E. beste deutschsprachige Buch zur Softwareentwicklung. Enthält so ziemlich alle Methoden kurz aber auch anwendbar. –Jon Bentley Programming Pearls Meisterwerk! Vermittelt die Grundlagen der Softwareentwicklung (Algorithmen, Datenstrukturen, etc.) mit Humor und sehr einprägsam –Frederick P. Brooks The Mythical Man Month Standardwerk des Softwareprojektmanagement –Steve McConnell Code Complete

10 Institut MD Universität Rostock Literatur (Forts.) Weitere nützliche Bücher (haben nicht unbedingt mit der VL zu tun) –Vera F. Birkenbihl Stroh im Kopf Gibt Gebrauchsanleitung fürs Gehirn. Vom Gehirn-Besitzer zum Gehirn-Benutzer. –Seibert 1x1 der Zeitplanung

11 Institut MD Universität Rostock Literatur (Forts.) –Wiss. Artikel, die wichtig für die VL sind. J. Zalewski What every engineer needs to know about schedulability analysis Ralf Kern Prozeßauswahl und Ablaufplanung in Echtzeit-Sytemen, In: Elektronik 14/1992

12 Institut MD Universität Rostock Gliederung Definitionen –Echtzeitsystem –RTOS, RTS, RTES, RTCS –HRTS, SRTS, FRTS, NRTS Typische Echtzeitanwendungen Aufbau eines Echtzeitsystems Eigenschaften von Echtzeitsystemen Aufgaben eines Betriebssystems (allgemein) Architektureigenschaften eines Echtzeitbetriebssystems Klassifikation von Echtzeitbetriebssystemen

13 Institut MD Universität Rostock Was ist ein Echtzeit-System ? Oxford Dictionary of Computing: Any system in which the time at which output is produced is significant. This is usually because the input corresponds to some movement in the physical world, and the output has to relate to that same movement- The lag from input time to output time must be sufficiently small for acceptable timeliness Ein Echtzeitsystem ist ein System, bei dem der Zeitpunkt, an dem Ausgaben erzeugt werden, bedeutend ist. Das liegt daran, dass die Eingabe mit einigen Änderungen der physikalischen Welt korrespondiert und die Ausgabe sich auf diese Änderungen beziehen muß. Die Verzögerung von der Eingangszeit zur Ausgangszeit muß ausreichend klein für eine akzeptable Rechtzeitigkeit sein.

14 Institut MD Universität Rostock Was ist ein Echtzeit-System ? Young (1992): any information processing activity or system which has to respond to externally-generated input stimuli within a finite and specified period Jedes Informationsverarbeitungssystem (Computersystem), das auf externe Eingangs-Stimuli innerhalb einer fest vorgegebenen Zeit reagieren muß. Hauptaufgabe eines solchen Computersystems ist nicht die Informationsverarbeitung (information processing). Informationsverarbeitung erforderlich, um die Hauptaufgabe zu erfüllen.

15 Institut MD Universität Rostock Was ist ein Echtzeit-System ? Laplante (1993): A real-time system is a system that must satisfy explicit (bounded) response-time constraints or risk severe consequences, including failures. A failed system is a system which cannot satisfy one or more of the requirements laid out in the formal system specification Ein Echtzeitsystem ist ein System, dass explizite Reaktionszeitschranken erfüllen muß. Geschieht das nicht, muß mit ernsten Konsequenzen gerechnet werden. Darin eingeschlossen sind Fehler. Ein fehlerhaftes System ist ein System, das eine oder mehrere Anforderungen, die in der formalen Systemspezifikation aufgestellt wurden, nicht erfüllt.

16 Institut MD Universität Rostock Was ist ein Echtzeit-System ? In einem solchen System sollten die Programme, die die Daten verarbeiten, die von außen in das System gelangen, sich im bereiten Zustand befinden. So dass die Ergebnisse innerhalb einer bestimmbaren Zeitspanne verfügbar sind. Die Ankunftszeiten der Daten können in Abhängigkeit von der Anwendung zufällig verteilt oder auch bestimmbar sein. Ein Echtzeitsystem reagiert in einer (zeitlich) bestimmbaren Art auf externe Ereignisse (Stimuli) deren Ankünfte nicht vorhersagbar ist.

17 Institut MD Universität Rostock Was ist ein Echtzeit-System ? Real-Time-Systeme sind Systeme, die korrekte Reaktionen innerhalb eines definierten Zeitlimits produzieren müssen. Wenn die Reaktionen diese Zeitlimits überschreiten, dann resultieren daraus Leistungseinbußen und/oder Fehlfunktionen.

18 Institut MD Universität Rostock Was ist ein Echtzeit-System ? Richtigkeit eines Real-Time-Systems ist nicht nur von den logischen Ergebnissen der Berechnung abhängig, sondern auch von dem Zeitpunkt an dem die Ergebnisse produziert wurden. –Es ist genauso ein Fehler, wenn das Ergebnis nicht zum richtigen Zeitpunkt vorliegt, als wenn das Ergebnis falsch ist. –Ein Fehler in der Reaktion (Reaktionszeitpunkt) ist genauso schlecht wie eine falsche Reaktion Ein richtiges Ergebnis zur falschen Zeit ist ein Fehler.

19 Institut MD Universität Rostock Harte Echtzeit Verspätung = Fehler

20 Institut MD Universität Rostock Harte Echtzeit Fehler kann katastrophale Folgen haben.

21 Institut MD Universität Rostock Harte Echtzeit ist einfacher Einfacher, um Systeme zu integrieren. –z.B Fehlerentdeckung: Es ist zu spät. Das ist ein Fehler Einfacher, um System zu bauen. –z.B. komplexe dynamische Algorithmen nicht notwendig, um verspätete oder fehlenden Daten zu ersetzen.

22 Institut MD Universität Rostock RTSReal- Time- System RTOSReal- Time- Operating System RTCSReal- Time- Computersystem RTESReal- Time- Embedded System

23 Institut MD Universität Rostock Klassifikation von Real-Time Systems Hard Real-Time System –Das Verpassen einer Deadline hat katastrophale Folgen für das System. –Systeme, in denen es zwingend erforderlich ist, dass Reaktionen innerhalb der vorgeben Deadline erfolgen. –Bsp. Flugsteuersystem (Flight Control System) Soft Real-Time System –Systeme, in denen Deadlines wichtig sind. Sie funktionieren jedoch weiter korrekt, wenn Deadlines verpasst werden. –Bsp. Datenerfassungssystem (Data acquisition system ) Firm Real-Time System –Das Verpassen einer Deadline hat eine nicht akzeptable Qualitätsminderung zur Folge. Das System hat keinen Nutzen. (Rechenmodell) Non-Real-Time System –Es müssen keine Deadlines eingehalten werden.

24 Institut MD Universität Rostock Klassifikation von Real-Time Systems HRT: Hard Real-Time SRT: Soft Real-Time FRT: Firm Real-Time NRT: No Real-Time

25 Institut MD Universität Rostock Anforderungen an Sicherheit und Zuverlässigkeit sind gewöhnlich schärfer in RTS und ES, als in anderen Computersystemen –wiss. Berechnung oder Routing einer Schaltung schlägt fehl (NRT, ärgerlich über die verstrichene Rechenzeit) –Prozeßrechner, der Hochofen steuert, wird nicht gleich den Hochofen abschalten, wenn ein Fehler auftritt. Er wird nach Alternative suchen müssen, um ein kostenintensives Herunterfahren zu verhindern. –RTCS in einem Kernkraftwerk, das Reaktor steuert, muß dafür sorgen, dass der Reaktor nicht außer Kontrolle gerät. –Ein RTCS in einem Flugzeug, sollte es dem Piloten ermöglichen, den Schleudersitz zu verwenden, bevor das Flugzeug abstürzt

26 Institut MD Universität Rostock Weitere wichtige Definitionen Timeliness (coming early or at the right time) Availability Flexibility

27 Institut MD Universität Rostock Sicherheit und Zuverlässigkeit Safety, Reliability, Dependability Safety (Sicherheit für Mensch und Umgebung) –Burns & Wellings Safety is the probability that conditions that can lead to mishaps do not occur whether or not the intended function is performed –...ist die Wahrscheinlichkeit, dass Bedingungen, die zu einem Unglück führen können, nicht eintreffen. Unabhängig davon, ob die beabsichtigte Funktion ausgeführt wird. Wahrscheinlichkeit, für das nicht Eintreffen einer Bedingung, die zu einem Unglück führen kann.

28 Institut MD Universität Rostock Sicherheit und Zuverlässigkeit Safety, Reliability, Dependability Reliability (Zuverlässigkeit, Fehlersicherheit) –Randell et al (1978)a measure of the success with which the system conforms to some authoritative specification of its behavior –Ein Meßwert, der Auskunft darüber gibt, inwieweit das System der Spezifikation entspricht. Inwieweit das System fehlerfrei arbeitet Failure, Fault, Error Beachte Safety und Reliability werden oftmals als Synonym verwendet. Sicherheit (Safety und Reliability) werden gewöhnlich in Form von Wahrscheinlichkeiten ausgedrückt. Viele weitere Definitionen, die sich auf Sicherheit und Zuverlässigkeit beziehen: Dependability (Systemstabilität, Verlässlichkeit, Zuverlässigkeit)

29 Institut MD Universität Rostock Sicherheit und Zuverlässigkeit Beispiel Das einzig wirklich sichere Flugzeug ist jenes, dass niemals startet. Aber es ist nicht sehr zuverlässig (reliable)

30 Institut MD Universität Rostock Dependability AvailableReliableSafeConfidentialIntegralMaintainable Readiness for Usage Continuity of Service Delivery Non-occurrence of Catastrophic Consequences Non- occurrence of unauthorized disclosure of information Non- occurrence of improper alteration if information Aptitude to undergo repairs of evolutions Quelle: Burns & Wellings, RTS & Programming Languages Aspects of Dependability

31 Institut MD Universität Rostock Dependability Terminology Dependability Availability Confidentiality Reliability Safety Integrity Maintainability Fault Prevention Fault Tolerance Fault Removal Fault Forecasting Faults Errors Failures Attributes Means Impairments

32 Institut MD Universität Rostock Gliederung Definitionen Typische Echtzeitanwendungen Aufbau eines Echtzeitsystems Eigenschaften von Echtzeitsystemen Aufgaben eines Betriebssystems (allgemein) Architektureigenschaften eines Echtzeitbetriebssystems Klassifikation von Echtzeitbetriebssystemen

33 Institut MD Universität Rostock Beispiele für Echtzeitanwendungen 1. Digital Control 2. High-Level Controls –Control Hierachy –Guidance and Control –Real-Time Command and Control 3. Signal Processing –Processing Bandwidth Demands –Radar System 4. Weitere –Real-Time-Datenbanken –Multimedia Anwendungen

34 Institut MD Universität Rostock Beispiele für Echtzeitanwendungen 1. Durchflußsteuersystem

35 Institut MD Universität Rostock Ein einfaches Durchflußsteuersystem z.Bsp. Tempomat, Temperatursteuerung eines Flugzeugdüsentriebwerkes

36 Institut MD Universität Rostock Ein typisches eingebettetes System SensorADCCPUAnzeige

37 Institut MD Universität Rostock Ein typisches eingebettetes System SensorADCCPUAnzeige Serial I/O DAC KEYPAD Jet Engine Pipe: Steuerung der Temperatur in einem Düsentriebwerk eines Flugzeugtriebwerkes

38 Institut MD Universität Rostock Ein typisches eingebettetes System Algorithms for Digital Control Data Logging Data Retrieval and Display Operator Interface Engineering System Remote Monitoring System Real-Time Clock Database Operators Console Display Devices Real-Time Computer

39 Institut MD Universität Rostock Allgemeine Architektur eines verteilten Echtzeitsystems Sensoren User interface Datenbank Daten einlesen Aktoren Berechnung Steuerung Andere Geräte User interface Andere I/O MIDDLE WARE Hardwareschicht

40 Institut MD Universität Rostock Zunehmende Dezentraliserung Quelle: DaimlerChrysler, B. Hedenetz

41 Institut MD Universität Rostock Zunehmende Dezentraliserung Quelle: NRTA, K.Tindell

42 Institut MD Universität Rostock X-by-wire –steer-by-wire –brake-by-wire –fly-by-wire (Flugzeug)

43 Institut MD Universität Rostock Embedded Internet

44 Institut MD Universität Rostock Beispiele für Echtzeitanwendungen Zusammenfassung Unterteilung von Real-Time-Anwendungen entsprechende ihrer Zeiteigenschaften in vier Typen (nach J. Liu) 1. Rein zyklisch (purely cyclic) 2. Meist zyklisch (mostly cyclic) 3. Asynchron und beschränkt vorhersagbar (asynchronous and somewhat predictable) 4. Asynchron und nicht vorhersagbar (Asynchronous and unpredictable)


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