Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

BA Stuttgart, Studiengang Elektrotechnik, 5. HJ, Vorlesung: Realzeitsysteme 18.11.2008 Seite 1 7) Vorstellung eines Realzeitbetriebssystems Inhaltsverzeichnis.

Ähnliche Präsentationen


Präsentation zum Thema: "BA Stuttgart, Studiengang Elektrotechnik, 5. HJ, Vorlesung: Realzeitsysteme 18.11.2008 Seite 1 7) Vorstellung eines Realzeitbetriebssystems Inhaltsverzeichnis."—  Präsentation transkript:

1 BA Stuttgart, Studiengang Elektrotechnik, 5. HJ, Vorlesung: Realzeitsysteme Seite 1 7) Vorstellung eines Realzeitbetriebssystems Inhaltsverzeichnis Betriebssysteme Definition Realzeitbetriebssystem Grundlagen des Datenzugriffs auf die E/A Komponenten Vorstellung verschiedener RTOS VxWorks Echtzeitsystem Werkzeugmaschinensteuerungen Echtzeitsystem Robotersteuerungen Roland Sanftmann, Fabian Zohm

2 BA Stuttgart, Studiengang Elektrotechnik, 5. HJ, Vorlesung: Realzeitsysteme Seite 2 7) Vorstellung eines Realzeitbetriebssystems Bei kleineren Anwendungen (Tachometer) kommt man meistens ohne einem Betriebssystem aus. Neben einer Digitalanzeige und einfachen Messfühlern ist keine Ein-/Ausweise notwendig. Die Aufgabe wird durch wenige Unterbrechungsprozesse und ein Hautprogramm gelöst. Ab einer gewissen Größe der Aufgabenstellung wird der Einsatz von Betriebssysteme unabdingbar. Einleitung für Betriebssystem

3 BA Stuttgart, Studiengang Elektrotechnik, 5. HJ, Vorlesung: Realzeitsysteme Seite 3 Definition Betriebss Definition eines Betriebssystems nach DIN Betriebssysteme sind die Programme eines digitalen Rechensystems, die zusammen mit den Eigenschaften der Rechenanlage die Grundlage der möglichen Betriebsarten des digitalen Rechensystems bilden und insbesondere die Abwicklung von Programmen steuern und überwachen Definition Betriebsmittel Objekte, die die Rechenprozesse während des Ablaufs benötigen und auf deren Zuteilung warten müssen. Geräteeinheiten – Prozessoren – Speicher – Peripheriegeräte wie Drucker Systemprogramme Definitionen Betriebssystem

4 BA Stuttgart, Studiengang Elektrotechnik, 5. HJ, Vorlesung: Realzeitsysteme Seite 4 7) Vorstellung eines Realzeitbetriebssystems Häufig Mitlieferung vom Hersteller des Rechners Effizientes Betriebssystem setzt genaue Kenntnis der Hardwarestruktur voraus. Größe : – mehrere Kilo-Bytes bei Mikrorechnern – mehrere Mega-Bytes bei Großrechnern Integration von klassischen Betriebssystembestandteilen in Form von Halbleiterchips Eigenschaften eines Betriebssystems

5 BA Stuttgart, Studiengang Elektrotechnik, 5. HJ, Vorlesung: Realzeitsysteme Seite 5 7) Vorstellung eines Realzeitbetriebssystems Dem Benutzter die Fähigkeiten des Rechensystems zugänglich machen – Dies ist nur durch Abstraktion und Generalisierung wegen der jeweiligen unterschiedlichen Architekturen möglich – Zusammenfassung des Prozessors, des Hauptspeichers zu den Betriebsmitteln – Das Betriebssystem kennt die Funktion eines Betriebsmittels und ist in der Lage damit umzugehen. Zuteilung der vorhandenen Betriebsmittel zu den konkurrierenden Rechenprozessen – Scheduling Aufgabenfelder Betriebssysteme

6 BA Stuttgart, Studiengang Elektrotechnik, 5. HJ, Vorlesung: Realzeitsysteme Seite 6 7) Vorstellung eines Realzeitbetriebssystems Es wird von einem Betriebssystem erwartet, dass es eine Plattform für eine vielseitig einsetzbare Arbeitsumgebung ist. Teil einer Arbeitsumgebung können sein – Programmentwicklungsumgebung, bestehend aus Compilern, Editoren und Testwerkzeugen – Graphische Oberflächen – Kommunikationsdienste im Rechnernetz – Datenbanken und Archivierungsdienste Erleichterung der Bedienung und Programmierung des Rechners und der angeschlossenen Geräte – Form eines Treibers Aufgabenfelder Betriebssysteme

7 BA Stuttgart, Studiengang Elektrotechnik, 5. HJ, Vorlesung: Realzeitsysteme Seite 7 7) Vorstellung eines Realzeitbetriebssystems Definition eines Realzeitbetriebssystems nach DIN RTOS (real time operationg system) Ein Computersystem gilt als echtzeitfähig, wenn es innerhalb einer benenn- und garantierbaren Zeit auf zufällige, externe Ereignisse reagieren kann. Im industriellen Steuerungsumfeld sind Reaktionszeiten im Mikrosekundenbereich ein unbedingtes muss. Typische Werte 5-60 Mikrosekunden. Unterschied zu Betriebssystemen Für Echtzeitbetriebssysteme spielt die Einhaltung von Zeitbedingungen eine große Rolle. Die Vorhersagbarkeit des Systemverhaltens ist elementar wichtig. Definition Realzeitbetriebssystem

8 BA Stuttgart, Studiengang Elektrotechnik, 5. HJ, Vorlesung: Realzeitsysteme Seite 8 7) Vorstellung eines Realzeitbetriebssystems Sicherstellung der Unterbrechungsfähigkeit (Interruptverwaltung) Sichere Verwaltung der Rechenprozesse und des Systemspeichers (Taskverwaltung) Definierte Reaktion auf Fehlerzustände (Fehlerverwaltung - und Behandlung) Bereitstellung der Ressourcen zur Taskkommunikation und Synchronisation Bereitstellung von Ressourcen zur Steuerung zeitlicher Abläufe Organisation des Ablaufs der Rechenprozesse Organisation der Speicherverwaltung Organisation der Ein- und Ausgabe Zusammenfassung der Aufgaben: Verwaltung von Rechenprozessen und Betriebsmitteln unter Erfüllung der Forderung nach Rechtzeitigkeit, Genauigkeit und Effizienz. Aufgaben eines RTOS

9 BA Stuttgart, Studiengang Elektrotechnik, 5. HJ, Vorlesung: Realzeitsysteme Seite 9 ems Ein Echtzeitsystem besteht aus: einem Rechnerteil (Hardware) einem Echtzeitbetriebssystem mit den für die Anwendung angepassten Bestandteilen, einer Applikationssoftware Ein Echtzeitbetriebssystem besteht aus: Das RTOS besitzt einen Mikrokern - Das ist ein effizienter Scheduler mit präzise definierten Schnittstellen Das RTOS bilden eine Schale um den Mikrokern, die von Applikationsprogrammen nicht durchdrungen wird Der Mikrokern beinhaltet die Systemuhr, den Scheduler und die Semaphorenverwaltung Der Kern steuert die Rechenprozesse des Rechensystems und realisiert das Ablaufen der Rechenprozesse. Aufbau eines Echtzeitsystems

10 BA Stuttgart, Studiengang Elektrotechnik, 5. HJ, Vorlesung: Realzeitsysteme Seite 10 ems Die Merkmale eines harten Echtzeitsystems sind: Unter keinen Umständen Verzögerungen zulassen Ergebnisse sind nutzlos wenn sie zu spät erfolgten Katastrophale Störungen wenn die Deadlines nicht eingehalten werden Unendlich hohe Kosten für verpasste Deadlines Die Beispiele für harte Echtzeitsystems sind: Steuerung eines Kernreaktors Antiblockiersystem Überwachungssysteme auf einer Intensivstation Digitalsteuerung im Airbus Flugzeug Hartes Echtzeitsystem

11 BA Stuttgart, Studiengang Elektrotechnik, 5. HJ, Vorlesung: Realzeitsysteme Seite 11 ems Die Merkmale eines weichen Echtzeitsystems sind: Niedrige Kosten beim verspäteten Eintreffen der Ergebnisse Akzeptierung einer geringeren Performance bei einer Verspätung Die Beispiele für weiche Echtzeitsystems sind: Werkzeugrevolver Digitale Telefonanlage Steuerung unkritischer chemischer Prozesse Verkaufsautomat Weiches Echtzeitsystem

12 BA Stuttgart, Studiengang Elektrotechnik, 5. HJ, Vorlesung: Realzeitsysteme Seite 12 7) Vorstellung eines Realzeitbetriebssystems Grundlagen des Datenzugriffs auf die E/A Komponente: Definition Device-Controller – Der Device-Controller ist die elektronische Komponente der E/A Geräte. (Gerätesteuerung). – Die Aufgaben sind die Konvertierung des seriellen Bitstroms in Datenblöcke, sowie das Durchführen einer Fehlerkorrektur und das Verfügbarmachen der Daten für die CPU. Kommunikation der CPU mit dem Device-Controller – Jeder Controller hat einige Steuerungsregister in welche die CPU Befehle mit Parametern schreiben kann. – Zusätzlich haben viele Geräte einen Datenpuffer, der vom Betriebssystem geschrieben oder gelesen werden kann. Grundlagen des Datenzugriffs

13 BA Stuttgart, Studiengang Elektrotechnik, 5. HJ, Vorlesung: Realzeitsysteme Seite 13 7) Vorstellung eines Realzeitbetriebssystems Grundlagen Zugriff auf die Geräte: Polling - Nach dem Absetzen eines Befehls an das Gerät wird der Status ständig abgefragt Interrupts - Werden von Geräten verwendet um das Ende eines Vorgangs anzuzeigen - Die CPU wird unterbrochen und beginnt etwas Neues, abhängig vom auslösendem Gerät wird ein Interrupt-Handler aufgerufen und ausgeführt. - Später macht die CPU an der alten Stelle weiter Polling / Interrupts

14 BA Stuttgart, Studiengang Elektrotechnik, 5. HJ, Vorlesung: Realzeitsysteme Seite 14 7) Vorstellung eines Realzeitbetriebssystems Grundlagen Zugriff auf die Geräte: Direct Memory Access DMA –I/O kann mittels DMA deutlich beschleunigt werden, da die CPU weniger belastet wird –Prinzip: Vergabe einer Aufgabe an den DMA-Controller. Die CPU kann in der Zwischenzeit andere Dinge erledigen. –Ablauf eines DMA-Transfers Direct Memory Access

15 BA Stuttgart, Studiengang Elektrotechnik, 5. HJ, Vorlesung: Realzeitsysteme Seite 15 ems 1. Ist das RTOS überhaupt notwendig? Ein RTOS sollte nur bei Multitaskingsystemen eingesetzt werden Es muss genügend Arbeitsspeicher zur Verfügung stehen. Dies ist beim Entwurf zu beachten 2. Das Betriebssystemvehalten muss bekannt sein Die Interrupt Verzögerungszeit (Zeit zwischen Interrupt und Tasklaufzeit) Zeitdauer für jeden Systemaufruf Die maximale Zeit, die das Betriebssystem und der Treiber benötigen um einen Interrupt zu verarbeiten Fazit : Es ist kein RTOS auf dem Markt verfügbar, das für jede Applikation die otpimale Lösung bietet. Aus der Projektspezifikation für die Applikation ein Anforderungskatalog erstellen. Am Schluss gelangt man zu einer RTOS dessen Eigenschaft am besten für die spezielle Applikation sind. Kriterien zur Auswahl eines RTOS

16 BA Stuttgart, Studiengang Elektrotechnik, 5. HJ, Vorlesung: Realzeitsysteme Seite 16 FPP, FPNFPP, FPN, Timeslice, FPP,FPN, Timeslicem, Benutzerdef. FPP, FPN, Timeslice, FIFO Scheduling --CAN, Profibus, Interbus S CAN, Profibus ---Feldbus TCP/IP- TCP/IP, UDP TCP/IPNetzwerk Windows-X-Win GUI Windows- Unix, Windows UnixUnix, Windows Datei- system C, C++, JavaC C, C++, Java, Ada C, C++Sprachen IA32, PowerPC, MIPS, ARM Diverse Mikro- controller IA32, PowerPC, 680XX IA32, PowerPC, 680XX, div. Mirko- controller IA32, PowerPC, ARM IA32, IA64, PowerPC IA32Zielsystem EBSMEBSEBS BAStandard für EBS, BA DS, EBSTyp MicrosoftCMX Systems MicrowareWind RiverGPL (GNU Public License) PosixQNX Software Systemes Ldt. Hersteller Windows CE CMXOS-9VxWorksRT-LinuxPOSX.4QNXProdukt

17 BA Stuttgart, Studiengang Elektrotechnik, 5. HJ, Vorlesung: Realzeitsysteme Seite 17 7) Vorstellung eines Realzeitbetriebssystems Beschreibung: QNX basiert auf der Idee, den Großteil des Systems in Form kleiner "Aufgaben" (Tasks) auch bekannt als Server, laufen zu lassen. Dabei läuft jeder Task bzw. Prozess in einem eigenen, geschützten Speicherbereich - egal ob es sich dabei um eine Applikation oder um einen Treiber handelt. Dies erleichtert Entwicklern die Fehlersuche: Versucht Prozess A versehentlich Daten oder Code von Prozess B zu überschreiben, merkt der QNX-Mikrokern dies sofort und gibt eine entsprechende Meldung aus. Im Falle QNX erlaubt der Mikrokern dem Nutzer (Entwickler), jegliche von ihm nicht benötigte Funktionalität (z. B. Audio, Grafik aber auch beliebige andere Systemteile) wegzulassen. Das System ist sehr klein und gilt als sehr schnell. sehr fortschrittlich, speziell für den Entwickler, da das Betriebssystem an die Bedürfnisse skalierbar ist. Vorstellung von QNX

18 BA Stuttgart, Studiengang Elektrotechnik, 5. HJ, Vorlesung: Realzeitsysteme Seite 18 7) Vorstellung eines RealzeitbetriebssystemsQNX-Architektur

19 Das ist der Desktop von QNX

20 Der Browser namens Voyager von QNX Der Editor namens PED von QNX Der File- manager namens PFM von QNX

21 BA Stuttgart, Studiengang Elektrotechnik, 5. HJ, Vorlesung: Realzeitsysteme Seite 21 Werkzeugmaschine Der Begriff Werkzeugmaschine bezeichnet alle Maschinen, die zur Bearbeitung von Werkstücken mit Werkzeugen dienen. Zur Formgebung des Werkstücks erzeugt die Werkzeugmaschine eine Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück. Universal- Werkzeugmaschine (fräsen, bohren, drehen, stossen und gravieren) Historische Wälzfräsmaschine (zur Zahnradherstellung)

22 BA Stuttgart, Studiengang Elektrotechnik, 5. HJ, Vorlesung: Realzeitsysteme Seite 22 Werkzeugmaschinensteuerungen Eine elektronische Methode zur Steuerung und Regelung von Werkzeugmaschinen ist eine Werkzeugmaschinensteuerung. NC – Numerical Control Werden direkt durch NC-Befehle gesteuert CNC – Computer Numerical Control Die Steuerung erfolgt über einen Computer Siemens Sinumerik Diese CNC kann als eine Steuerung für unterschiedliche Werkzeugmaschinen der Technologien Fräsen, Drehen, Schleifen, Nibbeln, Stanzen, Handling, Blechumformung, Zahnradbearbeitung etc. eingesetzt werden.

23 BA Stuttgart, Studiengang Elektrotechnik, 5. HJ, Vorlesung: Realzeitsysteme Seite 23 Echtzeitsystem Werkzeugmaschinensteuerungen Eine NC/CNC realisiert eine Steuerung, bei der Art und Reihenfolge bestimmter Fertigungsschritte für ein Werkstück in einem Programm festlegt. Zur Steuerung ist deshalb ein Echtzeitsystem nötig. - Es müssen viele Tasks zeitrichtig und parallel ausgeführt werden. - Weiter muss überwacht werden, dass Achsen, einzelner Maschinen, nicht über vordefinierte Grenzen hinaus bewegt werden. CNC-Steuerungen haben zeitliche Auflösungen der Bewegungsregelung von 125 µs = 0,000125s

24 BA Stuttgart, Studiengang Elektrotechnik, 5. HJ, Vorlesung: Realzeitsysteme Seite 24 Softwarereferenzmodell einer NC

25 BA Stuttgart, Studiengang Elektrotechnik, 5. HJ, Vorlesung: Realzeitsysteme Seite 25 NC - Systemprogramm

26 BA Stuttgart, Studiengang Elektrotechnik, 5. HJ, Vorlesung: Realzeitsysteme Seite 26 Robotersteuerung Ein Industrieroboter ist eine universelle, programmierbare Maschine zur Handhabung, Montage oder Bearbeitung von Werkstücken. Diese Roboter sind für den Einsatz im industriellen Umfeld konzipiert. Jeder Industrieroboter hat eine Steuerung, die die Bewegungsabläufe regelt. KUKA - Industrieroboter Vorne ein 6-Achs-Knickarmroboter, dahinter ein 4-Achs-Palettier-Roboter.

27 BA Stuttgart, Studiengang Elektrotechnik, 5. HJ, Vorlesung: Realzeitsysteme Seite 27 Robotersteuerung Für die Koordination der einzelnen Achsen zuständig. Hauptaufgabe, dass der Greiferflansch sich mit der gewünschten Genauigkeit und Geschwind- igkeit entlang der geforderte Bahn bewegt. Für die Verarbeitung der Sensorsignale am Greifer (Eingänge) und für die Greiferaktoren (Ausgänge) verantwortlich. Der gesamte applikationsspezifische Funktionsablauf der Roboterzelle muss verarbeitet werden (Ablauf zusammen mit den Förderbändern, etc).

28 BA Stuttgart, Studiengang Elektrotechnik, 5. HJ, Vorlesung: Realzeitsysteme Seite 28 Softwarereferenzmodell für eine RC

29 BA Stuttgart, Studiengang Elektrotechnik, 5. HJ, Vorlesung: Realzeitsysteme Seite 29 Roboter-Softwarearchitektur

30 BA Stuttgart, Studiengang Elektrotechnik, 5. HJ, Vorlesung: Realzeitsysteme Seite 30 Quellen Internet (Seiten 1-20 und 33-35) Bücher Echtzeitsysteme von Heinz Wörn, Uwe Brinkschulte (Springer Verlag Berlin Heidelberg 2005) Echtzeitsysteme Grundlagen und Techniken von Dieter Zöbel, Wolfgang Albrecht (Thomson Publishing GmbH 1995)


Herunterladen ppt "BA Stuttgart, Studiengang Elektrotechnik, 5. HJ, Vorlesung: Realzeitsysteme 18.11.2008 Seite 1 7) Vorstellung eines Realzeitbetriebssystems Inhaltsverzeichnis."

Ähnliche Präsentationen


Google-Anzeigen