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Echtzeitsystemtechnik

Echtzeitrechentechnikverteilte Systeme, eingebettet und verlässlich

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Echtzeit - Fahrplan

Klassisch– Rechtzeitig oder „schnell“– Ablaufsteuerung (Scheduling)– Nebenläufig

Aktuell:– Große Systeme: Komplexität– Verteiltheit, transparente Kommunikation– Verlässlichkeit– Unterstützung für Entwurf– Eingebettete Rechner

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Was ist ein Echtzeitsystem?

Informationsverarbeitungssystem, das auf extern entstandene Eingangssignale innerhalb einer spezifizierten Zeitdauer reagiert haben muss.– Die Korrektheit hängt nicht nur vom logischen

Ergebnis ab, sondern auch vom Zeitpunkt, zu dem das Ergebnis geliefert wird.

– Eine zu späte Antwort ist genau so schlecht wie eine falsche Antwort. (nach Burns)

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Ein Missverständnis: Wie schnell ist „Echtzeit“? nicht um Tempo geht es Cache und Benchmark: Schnell im Mittel „Komfortabler“ Prozessor?

– Viel Umgebung zu retten– Lange Umschaltzeiten zwischen Prozessen

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Echtzeit-Varianten

Harte Echtzeit: Terminüberschreitung ist katastrophal

Weiche Echtzeit: Terminüberschreitung wird um so teurer, je weiter

Schnelle Echtzeit: Hartes Echtzeitsystem, das extrem schnell reagieren muss

Feste Echtzeit: Weiches Echtzeitsystem; nützlich sind nur eingehaltene Termine

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Rechtzeitigkeit; Charakteristik der externen Ereignisse Ereignisse, deren Bearbeitung nicht beliebig

warten kann Große Vielfalt:

– periodisch– evtl. sehr selten– unklar, wann

Beispiel: Airbag

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Quasi gleichzeitige Prozesse

Grundproblem: Ein Prozessor, aber mehrere Aufgaben gleichzeitig

Lösung: Prozessor multiplexen Prozessorzuteilung entsprechend Bedarf

und Priorität Was ist am gerechtesten?

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Schnittstellen zum Parameter Zeit Zugriff zu Uhren zwecks Messung der

ablaufenden Zeit Verzögerung von Prozessen bis zu einem

gewünschten Zeitpunkt Programmierung von Warte-Intervallen, so

dass das Ausbleiben eines bestimmten Ereignisses erkannt und behandelt werden kann

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Ablaufsteuerung (Scheduling)

Voraussetzungen: vollständige Information über – zeitliche Anforderungen der externen Prozesse

(sporadisch, periodisch)

– genaue Zeitdauer der behandelnden Software (Takte zählen!)

– Kontextwechselzeit

Prioritätenbasierte Ablaufsteuerung (fest oder variabel)

Preemption

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Strategien (So einfach wie möglich) Zyklische Ausführung first come, first serve Wenn Termin („Deadline“) bekannt:

– Der früheste Termin zuerst

Wenn auch nötige Bearbeitungsdauer bekannt:– Zuerst der Termin mit der kleinsten Reserve

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Ablaufsteuerung

Die Abarbeitungsschleife widerspiegelt nicht die reale Struktur der Anlage – das begrenzt die Größe der beherrschbaren Systeme

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Nebenläufigkeit (Concurrency)

Verschiedene Prozesse verlaufen parallel („natürliche“ Gegebenheit für typische Echtzeitfälle)

Kooperationsbeispiele von Prozessen:– senden/empfangen von Nachrichten– gemeinsame Benutzung von Ressoucen

Gemeinsam benutzte Variablen; Leser-Schreiber-Problem und kritischer Bereich

Probleme: Blockierungen Beispiel: die fünf Philosophen

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Neue Herausforderungen

Große Systeme: Komplexität Verteiltheit, transparente Kommunikation Verlässlichkeit Unterstützung für Entwurf Eingebettete Rechner

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Komplexität

Objektorientierung: große Systeme beherrschbar

Grund: hierarchische Kapselung Schwierigkeit: Vermittlung der Idee an

versierte konventionelle Programmierer

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Objektorientierung

Das besondere an einem „Objekt“:– Individuum („Instanz“ eines bestimmten Datentyps)– Verwendbar ausschließlich und strikt anhand der

spezifizierten Schnittstellen („Methodenaufrufe“)– Programmierung der Interna durch separate Mannschaft– Das alles hierarchisch

Produktivitätsquellen:– Größere Programmierermannschaften durch

Informationskapselung möglich– Extensive Wiederverwendung von Code durch

Vererbung (Problem: späte Bindung“)

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Verteilte Systeme

Mehrere separate Echtzeitrechner kooperieren zwecks Erledigung einer Aufgabe

Zwecks Koordination: Kommunikation über Netzwerk

Unterstützt durch Objektorientierung (Corba, DCOM):– Transparenz

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Verlässliche Systeme(dependable, trustworthy) Fehlertypen (ständig, transient) Vorbeugung und Toleranz Reparaturblock Mehrere Programmversionen Gute Systeme heute: 50 min Ausfall/Jahr Fernziel:1 Sekunde / Jahrhundert

(Jim Gray)

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Architektur

Anleihe bei herkömmlicher Ingenieurwissenschaft

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Unterstützung für den Entwurf

Entwurfsmuster („Design Pattern“) Enheitliche Modellbeschreibungssprache:

„UML“ Anwendungsfälle („Use Cases“)

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Entwurfsmuster Regelkreis

Beispiel

Echtzeitrechner Anlage

Kommunikation

Massenspeicher

Nutzer

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Eingebettet

– 99% aller Prozessoren gehören zum Markt der eingebetteten Systeme

Entwurfsmuster gesucht Entwurfsverfahren

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Typisches eingebettetes System

Steuer-Algorithmen

Datenerfassung

Daten findenund anzeigen

Bediener-Schnittstelle

Schnittstelle Anlage

Messen / Überwachen

Echtzeit-Uhr

Datenbank

Bediener-Konsole

Anzeigen

Echtzeitrechner

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Zusammenfassung

Zwei Hauptklassen von Systemen:– Harte Echtzeit / weiche Echtzeit

Zunehmende Größe und Komplexität Extreme Verlässlichkeit Nebenläufige Steuerung verteilter

Systemkomponenten Echtzeitsteuerung externer Geräte Effizienz bei Entwurf und Implementierung