Rechtzeitigkeit - Technische Universität Dresden

Echtzeitverarbeitung
VL Prozessrechen- und -leittechnik
Professur für Prozessleittechnik

Echtzeitverarbeitung Übersicht
• Definitionen und Kriterien
– Rechtzeitigkeit
– Gleichzeitigkeit
– (zeitliche) Determiniertheit
• Mittel der Echtzeitprogrammierung
– Scheduling
– Synchronisierung
• Echtzeitbetriebssysteme
– Übersicht
TU Dresden, 10.06.09 Urbas, PRLT (c) 2008-2009 Folie 2

Einige Definitionen
• Echtzeitfähigkeit = Eigenschaft eines Rechnersystems,
Rechenprozesse ständig ablaufbereit zu halten, derart, dass
innerhalb einer vorgegebene Zeitspanne auf Ereignisse im Ablauf
eines technischen Prozesses reagiert werden kann (Lauber &
Göhner 1999).
• Echtzeitbetrieb = Betrieb eines Rechensystems, bei dem
Programme zur Verarbeitung anfallender Daten ständig
betriebsbereit sind derart, dass die Verarbeitungsergebnisse
innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne verfügbar sind (DIN
44300)
• Echtzeit in Betriebssystemen: Die Fähigkeit des
Betriebssystems innerhalb einer bestimmten, begrenzten
Antwortzeit einen bestimmten Dienst zu gewährleisten (POSIX
1003.1)
• Von Echtzeitsystemen (englisch real-time system) spricht man,
wenn ein System ein Ergebnis innerhalb eines vorher fest
definierten Zeitintervalles garantiert berechnet, also bevor eine
bestimmte Zeitschranke erreicht ist. Die Größe des Zeitintervalles
spielt dabei keine Rolle: Während bei einigen Aufgaben
(Motorsteuerung) eine Sekunde bereits zu lang sein kann, reichen
für andere Probleme Stunden oder sogar Tage. Ein Echtzeitsystem
muss also nicht nur ein Berechnungsergebnis mit dem richtigen
Wert, sondern dasselbe auch noch rechtzeitig liefern. Andernfalls
hat das System versagt. (WikiPedia)
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Zusammenfassung
• Ständige Ablaufbereitschaft von mehreren
Prozessen.
• Rechtzeitige Reaktion auf Ereignisse
innerhalb einer definierten Zeitspanne.
• Logische und zeitliche Randbedingungen
müssen erfüllt sein.
• Eine obere Schranke für Reaktions- und
Berechnungszeit muss vorhersagbar sein.
• Es gibt Mechanismen zum zeitlich
determinierten Management des Zugriffs auf
Ressourcen, die sich mehrere Prozesse teilen.
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Echtzeitrechensystemen
• Bildschirm-Dialogsysteme: Menschen geben Daten über
entsprechende Eingabemedien (Tastatur, Maus) in den Computer.
– Beispiele: Platzbuchungssysteme bei Luftfahrtgesellschaften,
Kontoführungssysteme bei Banken, Lagerhaltungssysteme, ...
– Antwortzeiten: wenige Sekunden.
• Automatisierungssysteme: Der Ablauf der Automatisierungsprogramme
richtet sich nach den Vorgängen im technischen Prozess.
– Beispiele: Kraftfahrzeugelektronik, Motorsteuerung, Robotik,
Anlagenautomatisierung, ...
– Antwortzeiten: Mikrosekunden (KFZ, Motor) bis Sekunden
(Anlagen).
• Multimodale Dialogsysteme: Multimodale Dialogsysteme
reagieren auf das Verhalten des Benutzers.
– Beispiele: VR-Cave, Fly-by-wire
– Antwortzeiten: Je nach Modalität (Sinneskanal) unter einer
Mikrosekunde (physische Eindrücke, Haptik, Force Feedback) bis
hin zu einigen Millisekunden (fließende optischer Eindrücke)
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Determiniertheit
• Ein System heißt determiniert, wenn sich für jeden
möglichen Zustand und für jede Menge an
Eingangsinformation eine eindeutige Menge von
Ausgabeinformation und ein eindeutiger nächster
Zustand bestimmen lassen.
• Voraussetzungen: Endliche Menge von
Systemzuständen
– Zeitliche Diskretisierung (Taktrate)
– Informationsdiskretisierung
• Zeitlich determinierte Systeme: Die Antwortzeit
für jede Menge von Ausgabeinformationen ist
bekannt.
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Rechtzeitigkeit
• Rechtzeitigkeit bezieht sich auf die zeitlichen Aspekte
der Interaktion mit dem technischen Prozess.
– Eingabedaten müssen rechtzeitig abgerufen
werden.
– Ausgabedaten müssen rechtzeitig verfügbar sein.
– Bedingungen werden zumeist von technischem
Prozess diktiert
• Absolutzeitbedingung:
– Bedingung bezieht sich auf die Uhrzeit
– Signal muss um 11.45 gegeben werden
• Relativzeitbedingung:
– Bedingung bezieht sich auf den Zeitpunkt eines
Ereignisses / Zustands
– Abschalten 10 Sekunden nach Überschreitung
eines Grenzwerts
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Zeitliche Bedingungen
• zu einem festen Zeitpunkt (at)
• in einem Zeitintervall (between)
Zeit
• bis zu einem spätesten Zeitpunkt (before,
deadline)
Zeit
• zu einem frühestem Zeitpunkt (after)
Zeit
Zeit
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Beispiele
Zu einem festem
Zeitpunkt
In einem
Zeitintervall
bis zu einem
spätesten
Zeitpunkt
zu einem
frühestem
Zeitpunkt
Relativzeitbedingung
Absolutzeitbedingung
Analyse von Stoffen
in der Chemie
Abtasten von
Regelgrößen
t i
=∆T*i+ε
Erfassen von
Datentelegrammen
Folgesteuerung bei
einem
Chargenprozess
Zündzeitpunkt Motor
Messwertüberwachung
auf
gleitende Grenzen
Erfassen von
Stückgutkennungen
Erfassung von
Signalen einer
Lichtschranke
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Voraussetzungen für
Rechtzeitigkeit
• Hinreichende Verarbeitungsgeschwindigkeit
• Zeitliche Vorhersagbarkeit
• Harte Echtzeitbedingungen (Hard Real-time)
– Schaden bei verletzer Zeitbedingung
• Feste Echtzeitbedingungen (Firm Real-time)
– Aktion kann bei verletzter Zeitbedingung
abgebrochen werden, e.g. „Verfallsdatum von
Positionsinformation“ in einem bewegten
System
• Weiche Echtzeitbedingungen (Soft Real-time)
– Zeitbedingung sind Richtwerte, e.g. Messen
einer Temperaturanzeige (+- 10%), „Ruckeln“
bei Videotelefonie
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Time Utility Function
• Wert einer Aktion in Abhängigkeit von der
Zeit
• Basis für Scheduling-Algorithmen
soft
firm
hard
Wert
Wert
Wert
Zeit
Zeit
Zeit
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Gleichzeitigkeit
Aufgabe
1
.
.
.
Prozessor
1
.
.
.
• Mehrere (n) Aufgaben sind
gleichzeitig durchzuführen.
• Lösungsansätze
– Parallelverarbeitung in
n Prozessoren.
– Quasi-Parallelverarbeitung
in m < n
Prozessoren
– Quasi-Parallelverarbeitung
mit einem
Prozessor.
• QP: Näherungsweise
Erfüllung möglich,
wenn die Vorgänge in
der Umwelt im
Vergleich zum Rechner
langsam ablaufen.
Aufgabe
n
Aufgabe
1
Aufgabe
n
Prozessor
n
Prozessor
1
Prozessor
m
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.
.
.
Aufgabe
1
.
.
.
Aufgabe
n
Echtzeit
Scheduler
Echtzeit
Scheduler
.
.
.
.
Prozessor .
1.
m < n

Verfügbarkeit
• Zusicherung der zeitlichen Eigenschaften über
lange Zeiträume (247)
– Keine Unterbrechung des Betriebs, z.B. für
Reorganisationsphasen (Datenbanken,
Speicherbereinigung)
• Lösungsansätze
– Reorganisationsfreie Algorithmen
• Deterministische dynamische
Speicherverwaltung wie in C++ realisiert
(new,delete)
– Reorganisation in kleinen Schritten
• Incremental Garbage Collection in Real-time
Java (PERC, JamaicaVM)
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Echtzeitprogrammierung
• Wie können Forderungen nach Rechtzeitigkeit,
Gleichzeitigkeit und Determiniertheit der
Programmabläufe in bestimmten Schranken erfüllt
werden?
• Synchrone Programmierung (Planung)
– Planung des zeitlichen Ablaufs vor der
Ausführung
– Beispiel: Terminkalender
– Zeitgesteuerte Echtzeitsysteme
• Asynchrone Programmierung (Organisation)
– Organisation des zeitlichen Ablaufs während
der Ausführung
– Beispiel: Wartezimmer beim Arzt
TU Dresden, – Ereignisgesteuerte 10.06.09 Urbas, PRLT (c) 2008-2009 Echtzeitsysteme Folie 14

Zeitgesteuerte Echtzeit
• Alle Aktivitäten werden zu bestimmten Zeitpunkten
angestoßen – die Zustandsgrößen des Prozesses
werden zu definierten Zeitpunkten ausgelesen, alle
Teilprogramme werden periodisch ausgeführt.
• Planung:
Die zyklisch auszuführenden Teilprogramme
werden mit einem Zeitraster synchronisiert
(daher der Name)
Das Zeitraster wird mit einer Echtzeituhr, einem
Uhrimpuls-Geber, gewonnen. Der in bestimmten
Zeitabständen generierte Uhrimpuls sorgt für den
Aufruf eines Teilprogramms.
Die Reihenfolge des Ablaufs der Teilprogramme
wird fest vorgegeben Fixed Time Schedule.
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Beispiel Fixed Time Schedule
(FTS)
• 3 Aufgaben (Tasks) mit
unterschiedlicher Zykluszeit
(aus Lauber & Göhner, S. 191-195)
– Task1: Alle 1 Schritte
– Task2: Alle 2 Schritte
– Task3: Alle 5 Schritte
Initialisierung
Periodische
Unterbrechung
t=0
t++
Task1
mod(t,2)==0
3
Task2
2.5
2
1.5
mod(t,5)==0
1
0.5
Task3
0
-0.5
-1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Ende
Unterbrechung
TU Dresden, 10.06.09 Urbas, PRLT (c) 2008-2009 Folie 16

Analyse
3
2.5
2
1.5
1
1T
2T
~5T
0.5
0
-0.5
-1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
• Rechtzeitigkeit (absolute Zeitbedingungen):
Periodenzeiten werden für Task1 und Task2 exakt
eingehalten, für Task3 nicht. Allgemein:
– FTS hält Periodenzeiten exakt ein, wenn
• Summe Ausführungszeiten < T
• Jede längere Periodenzeiten ist ganzzahliges
Vielfaches der nächst kürzeren Periodenzeit
• Rechtzeitigkeit (relative Zeitbedingungen):
Reaktionszeitverzögerung bezüglich relativer
Zeitbedingung (Ereignisse) im schlimmsten Fall
entsprechend Periodenzeit der Task
• Gleichzeitigkeit: Annähernd gleichzeitige
Ausführung der Teilaufgaben, Versatz bestimmbar
• Determiniertheit: zeitlich determiniert – zu jedem
Zeitpunkt ist bekannt, bis wann eine Reaktion auf den
aktuellen Zustand erfolgt
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Diskussion FTS
• Vorteile
– Festes, vorhersagbares Zeitverhalten
– Einfache Analyse und einfacher Test des
Verhaltens
– Sehr gut geeignet für zyklische Abläufe
– Bei richtiger Planung können Rechtzeitigkeit und
Gleichzeitigkeit garantiert werden wichtig für
sicherheitsrelevante Aufgaben
• Nachteile
– Geringe Flexibilität gegenüber Änderungen der
Aufgabenstellung
– Reaktionszeit auf aperiodische Ereignisse im worst
case entsprechend Periodendauer der Task
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Ereignisgesteuerte Echtzeit
• Planung des Ablaufs der Aktionen während der
Programmausführung durch Organisationsprogramm
(Echtzeitbetriebssystem)
• Aufgaben des Organisationsprogramms:
– Überwachen der Ereignisse, die eine Aktion durch
das System erfordern
– Informationen über einzuhaltende Zeitbedingungen
(Zeitschranken, Prioritäten) verwalten
– Ablaufreihenfolge derart ermitteln, dass
Zeitbedingungen nach Möglichkeit eingehalten werden
– Teilprogramme gemäß Ablaufreihenfolge aktivieren
• Flexiblere Struktur als FTS, die auch aperiodische,
asynchron zu einem Zeitgeber auftretende Ereignisse
behandeln kann „asynchrone Programmierung“
• Erfüllung der o.g Aufgaben: Echtzeitscheduling (Realtime
Scheduling)
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Scheduling Strategien
• Statisch – Dynamisch:
– Wann geschieht die Zuordnung der Tasks an den Prozessor?
• Preemptiv – Nicht-preemptiv:
– preemption = Vorkaufsrecht, können laufende Tasks verdrängt
werden?
• Statische Prioritäten, dynamische Prioritäten, Nicht prioritätsbasiert:
– Welche Informationen werden beim dynamischen Scheduling für
die Planung herangezogen?
Scheduling Verfahren
statisch
Dynamisches Scheduling
Nicht-preemptiv
preemptiv
Nicht-preemptiv
preemptiv
Statische
Dynamische Statische
Dynamische
Prioritäten
Prioritäten Prioritäten
Prioritäten
Nicht
Nicht
TU Dresden, 10.06.09 Urbas, Prioritätsbasiert
PRLT (c) 2008-2009 Prioritätsbasiert Folie 20

Einschub Rechenprozess (Task)
• „Ein Rechenprozess ist der zeitliche Vorgang
der Abarbeitung eines sequentiellen
Programms auf einem Rechner. Ein
Rechenprozess existiert nicht nur während
der Abarbeitung der Befehle sondern auch
während geplanter oder erzwungener
Wartezeiten. Er beginnt mit dem Eintrag in
eine Liste des Echtzeitbetriebssystems
(Organisationsprogramms) und endet mit
dem Löschen aus dieser Liste“ (Lauber &
Göhner 1999, S. 200).
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Zustände von Tasks
• Ruhend (dormant): ist
vorhanden aber nicht
ablaufbereit, da Voraussetzungen
(noch) nicht erfüllt
sind
• Ablaufwillig (runnable): ist
bereit, Voraussetzungen sind
erfüllt, lediglich Zuteilung des
Prozessors steht noch aus
• Laufend (running): wird auf
Prozessor ausgeführt
• Blockiert (suspended,
blocked): wartet auf das
Eintreffen eines Ereignisses
oder Freiwerden eines
Betriebsmittels
Einrichten
Entfernen
ruhend ablaufwillig laufend
blockiert
(Wörn & Brinkschulte 2005, S. 354)
TU Dresden, 10.06.09 Urbas, PRLT (c) 2008-2009 Folie 22

Zeitparameter von Tasks
• a i
Ankunftszeit (arrival
time)
• r i
Anforderungszeit
(request time)
• s i
Startzeit (start time)
• c i
Beendigungszeit
(completion time)
• d i
Zeitschranke (deadline)
• p i
Periode (period)
• e i
Ausführungszeit
(execution time)
• er i
Restausführungszeit
(remaining ex.)
• l i
Spielraum (laxity)
• j i
Reaktionszeit (reaction
time, release jitter)
(Wörn & Brinkschulte 2005, S. 354)
TU Dresden, 10.06.09 Urbas, PRLT (c) 2008-2009 Folie 23

Scheduling Verfahren
• FIFO-Scheduling (FIFO)
– Wer zuerst kommt, erhält zuerst den Prozessor
• Fixed-Priority-Non-Preemptive-Scheduling (FPN)
– Kommt eine Task mit höherer Priorität als die
gerade ausgeführte in den Zustand ablaufwillig,
erhält die Task mit der höheren Priorität den
Prozessor, wenn die laufende Task nicht mehr
ablaufwillig oder blockiert ist
• Fixed-Priority-Preemptive-Scheduling (FPP)
– Kommt eine Task mit höherer Priorität als die
gerade ausgeführte in den Zustand ablaufwillig,
wird die laufende unterbrochen und die Task mit
der höheren Priorität erhält den Prozessor sofort
zugeteilt
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Rate-Monotonic-Scheduling
• Priorität ~ 1 / p i
• Vorabüberprüfung der Einhaltung aller
Zeitschranken möglich, wenn für alle Tasks
gilt:
– preemptives Scheduling
– Periodendauer p i
konstant
– Zeitschranke d i
= p i
– Ausführungszeit e i
konstant und bekannt
– Tasks blockieren sich nicht gegenseitig
TU Dresden, 10.06.09 Urbas, PRLT (c) 2008-2009 Folie 25

Weitere bekannte Verfahren
• Earliest Deadline First (EDF)
– Bei der Ankunfts- und Abschlussereignissen
erhält der Task die höchste Priorität, der am
frühesten fertig sein muss
• Least Slacktime First (LSF)
– In regelmäßigen Abständen wird die
Restlaufzeit aller Tasks überprüft. Die Task mit
der geringsten Reserve bekommt die höchste
Priorität
• Bandwidth Preserving Server
• ...
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Zyklisches Aufgabenmodelll
jede Aufgabe (Job) Ji eines Programms Ti
besitzt:
Ausführungszeit ei
Periode Pi
relative Zeitschranke (Deadline) Di (oft gleich
Pi)
Phase Φi (erstes Auslösen der Aufgabe Ji,1)
Auslastung (Utilization) ui = ei / Pi
Gesamtauslastung U = Σ ui
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Merkmale EDF (1)
• EDF ist ein dynamisches, präemptives
Scheduling - Verfahren
• Zu jedem Entscheidungszeitpunkt:
– Diejenige Aufgabe J i
, die als erste
abgeschlossen sein muss, erhält den Prozessor
– (Rest)ausführungszeiten der Aufgaben werden
nicht betrachtet
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Entscheidungszeitpunkte
• Entscheidungszeitpunkte: Zeitpunkte, zu
denen über die Zuteilung von Jobs an den
Prozessor entschieden wird:
• das Bereitwerden neuer Aufgaben (z.B. zu
Beginn der Periode)
• das Beenden aktiver Aufgaben
• EDF garantiert die Einhaltung aller Fristen in
Echtzeitsystemen, wenn gilt:
U

EDF – Beispiel (1)
3 sporadische Aufgaben mit folgenden Parametern:
Ji
Φi
ei
Di
J1
0
8
18
J2
2
6
10
J3
4
2
17
“ “… Entscheidungszeitpunkt
J1
J2
J3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
20
J1(18)
J1(18)
J2(10)
TU Dresden, 10.06.09 Urbas, PRLT (c) 2008-2009 Folie 30

EDF – Beispiel (2)
Ji
Φi
ei
Di
J1
0
8
18
J2
2
6
10
J3
4
2
17
“ “… Entscheidungszeitpunkt
J1
J2
J3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
20
J1(18)
J1(18)
J2(10)
J1(18)
J2(10)
TU Dresden, 10.06.09 Urbas, PRLT (c) 2008-2009 Folie 31
J3(17)

EDF – Beispiel (3)
Ji
Φi
ei
Di
J1
0
8
18
J2
2
6
10
J3
4
2
17
“ “… Entscheidungszeitpunkt
J1
J2
J3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
20
J1(18)
J1(18)
J2(10)
J1(18)
J2(10)
TU Dresden, 10.06.09 Urbas, PRLT (c) 2008-2009 Folie 32
J3(17)
J1(18)
J3(17)

EDF – Beispiel (4)
Ji
Φi
ei
Di
J1
0
8
18
J2
2
6
10
J3
4
2
17
“ “… Entscheidungszeitpunkt
J1
J2
J3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
20
J1(18)
J1(18)
J2(10)
J1(18)
J2(10)
TU Dresden, 10.06.09 Urbas, PRLT (c) 2008-2009 Folie 33
J3(17)
J1(18)
J3(17)
J1(18)

Least Slack Time
• LST ist ein dynamisches, präemptives
Scheduling-Verfahren
• zum Entscheidungszeitpunkt:
– Aufgabe Ji , die sich am wenigsten
herauszögern lässt, erhält den Prozessor
• maßgebend: Schlupfzeit (Slacktime) einer
Aufgabe
• Schlupfzeit = Zeitpunkt der Deadline –
frühester Abschluss der Aufgabe
• frühester Abschluss =
Entscheidungszeitpunkt + verbleibende
Ausführungszeit
TU Dresden, 10.06.09 Urbas, PRLT (c) 2008-2009 Folie 34

LST – Einführung (2)
LST erkennt Fristverletzungen eher als EDF
nicht anwendbar wenn Ausführungszeiten der Aufgaben
nicht bekannt sind
LST garantiert die Einhaltung aller Fristen in
Echtzeitsystemen, wenn gilt: U

LST – Beispiel (1)
3 sporadische Aufgaben mit folgenden Parametern:
Ji
Φi
ei
Di
J1
0
8
18
J2
2
6
10
J3
4
2
17
“ “… Entscheidungszeitpunkt
J1
J2
J3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
20
J1(10)
J1(10)
J2(2)
TU Dresden, 10.06.09 Urbas, PRLT (c) 2008-2009 Folie 36

LST – Beispiel (2)
3 sporadische Aufgaben mit folgenden Parametern:
Ji
Φi
ei
Di
J1
0
8
18
J2
2
6
10
J3
4
2
17
“ “… Entscheidungszeitpunkt
J1
J2
J3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
20
J1(10)
J1(10)
J2(2)
J1(8)
J2(2)
TU Dresden, 10.06.09 Urbas, PRLT (c) 2008-2009 Folie 37
J3(11)

LST – Beispiel (3)
3 sporadische Aufgaben mit folgenden Parametern:
Ji
Φi
ei
Di
J1
0
8
18
J2
2
6
10
J3
4
2
17
“ “… Entscheidungszeitpunkt
J1
J2
J3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
20
J1(10)
J1(10)
J2(2)
J1(8)
J2(2)
TU Dresden, 10.06.09 Urbas, PRLT (c) 2008-2009 Folie 38
J3(11)
J1(4)
J3(7)

LST – Beispiel (4)
3 sporadische Aufgaben mit folgenden Parametern:
Ji
Φi
ei
Di
J1
0
8
18
J2
2
6
10
J3
4
2
17
“ “… Entscheidungszeitpunkt
J1
J2
J3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
20
J1(10)
J1(10)
J2(2)
J1(8)
J2(2)
TU Dresden, 10.06.09 Urbas, PRLT (c) 2008-2009 Folie 39
J3(11)
J1(4)
J3(7)
J3(1)

LST – Beispiel (5)
3 sporadische Aufgaben mit folgenden Parametern:
Ji
Φi
ei
Di
J1
0
8
18
J2
2
6
10
J3
4
2
17
“ “… Entscheidungszeitpunkt
J1
J2
J3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
20
J1(10)
J1(10)
J2(2)
J1(8)
J2(2)
TU Dresden, 10.06.09 Urbas, PRLT (c) 2008-2009 Folie 40
J3(11)
J1(4)
J3(7)
J3(1)

Schlussfolgerungen (1)
beide Verfahren arbeiten präemptiv auf
Einprozessorsystemen optimal
kann ein beliebiges Schedulingverfahren
eine ausführbare Schedule erzeugen,
können es EDF und LST auch
TU Dresden, 10.06.09 Urbas, PRLT (c) 2008-2009 Folie 41

Schlussfolgerungen (2)
Probleme durch:
endliche Zeiten beim Kontextwechsel
begrenzte Anzahl von Ausführungsebenen
Unterbrechungszeitpunkte nicht äquidistant im
realen System
Mehrprozessorsysteme
nicht präemptive Ausführung
TU Dresden, 10.06.09 Urbas, PRLT (c) 2008-2009 Folie 42

Diskussion zeitgesteuert vs.
ereignisgesteuert
• Zeitgesteuerte Echtzeit
– Vorteile:
• Gut geeignet für zyklische Abarbeitung
• Einfach zu analysieren und zu testen häufiges
Programmierparadigma für Speicherprogrammierbare Steuerung
– Nachteile:
• Aufwändige Implementierung der Behandlung asynchroner
Ereignisse
• Änderung der gesamten Programmstruktur bei Änderung der
Aufgabenstellung
• Ereignisgesteuerte Echtzeit
– Vorteile:
• Gut geeignet für die Abarbeitung von nicht vorhersagbaren
Ereignissen
• Hohe Flexibilität, einfache Erweiterbarkeit, da Organisation während
des Laufens
– Nachteile:
• Nicht deterministische zeitliche Abfolge von Teilprozessen für
sicherheitskritische Automatisierungsaufgaben nur bedingt geeignet
TU Dresden, 10.06.09 Urbas, PRLT (c) 2008-2009 Folie 43

Synchronisation von
nebenläufigen Prozessen

Synchronisation
• Problem: Abhängigkeiten zwischen Tasks durch
gemeinsam genutzte Betriebsmittel
– Daten: lesender/schreibender Zugriff
– Geräte: widersprüchliche Kommandos
– Programme: z.B. Gerätetreiber
• Lösungsansätze
– Sperrsynchronisation: wechselseitiger
Ausschluss (mutual Exclude, Mutex) – zu jedem
Zeitpunkt greift immer nur ein Task auf
Betriebsmittel zu
– Reihenfolgensynchronisation: Kooperation,
Reihenfolge der Zugriffe ist exakt definiert
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Semaphore
P
Zähler--
V
Zähler++
nein
Zähler

Zustände Beispiel 1
Programmablauf
? Initialisierung
T1 P(S1)
Sched:
T2 P(S1)
Sched:
T1 Nutzung
Sched:
T1 V(S1)
Sched:
T2 Nutzung
…
T2 V(S1)
Semaphore
S1 Taskqueue
? -> 1
1 -> 0
0 -> -1 T2
-1 T2
-1 -> 0 T2
0
0 -> 1
Prozesszustände
T1
T2
ablaufwillig ablaufwillig
laufend ablaufwillig
-> ablaufwillig laufend
ablaufwillig -> blockiert
laufend blockiert
laufend blockiert
laufend blockiert
laufend -> ablaufwillig
ablaufwillig laufend
ablaufwillig laufend
ablaufwillig laufend
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Verklemmung
• Deadlock (Blockierung, Deadly Embrace)
– Mehrere Tasks warten auf die Freigabe von
Betriebsmitteln, die sich gegenseitig
blockieren
– Ursachen: Mutexe werden nicht in der
gleichen Reihenfolge belegt, Mutexe werden
nicht freigegeben
– Abhilfe Monitor
• Livelocks (Starvation, Aushungern) Eine Task
wird durch „Konspiration“ anderer Tasks ständig
an der Ausführung gehindert
– Ursache: Prioritäreninversion
– Abhilfe: Prioritätenvererbung
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Mailbox/Fifo/Message Queue
• Aufbau:
– Nachrichten, die in Form einer verketteten Liste
– Ablegen von Daten von Prozessen
– Erhalt der Daten in Message Queue auch nach
Beendigung Erzeuger
– Priorisierung der Nachrichten (Priorität und
Nachricht) mgl.
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Mailbox/Fifo/Message Queue
• Operationen:
– Nachrichten einfügen (blockiert, wenn voll)
• Ablegen von Daten von Prozessen zur Kommunikation
• Erhalt der Daten in Message Queue auch nach
Beendigung Erzeuger
• Priorisierung der Nachrichten (Priorität und Nachricht)
mgl.
– Nachrichten abholen (blockiert, wenn leer)
• erste Nachricht abholen
• erste Nachricht bestimmter Priorität; erste Nachricht
die nicht bestimmte Priorität hat
– Statusabfragen
• Informationen, z.B. Größe
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Weitere Synchronisationsmittel
• RW-Locks – Mit RW-Locks (Read-Write-Locks)
– viele Lesen; nur einer Schreiben, z.B. bei
gemeinsamer Speicher
• Barrier
– Punkt als Barriere, die erst überwunden wird,
wenn eine bestimmte Menge an Threads an
Barriere angelangt; vgl. Überwinden einer
hohen Mauer
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Echtzeitbetriebssysteme
Produkt QNX POSIX.4 RT-Linux VxWorks OS-9 CMX Windows
CE
Hersteller QNX Posix GPL Wind River Microware CMS Microsoft
Software
Systems
Ltd.
Systems
Typ DS, EBS Standard für
EBS, BA
BA EBS EBS MEBS EBS
Zielsystem IA32 IA32, IA64,
PowerPC
IA32,
PowerPC,
ARM
IA32,
PowerPC,
680XX, div.
µC
IA32,
PoerPC,
680XX
div. µC
IA32,
PowerPC,
MIPS, ARM
Sprachen C, C++ C, C++, C, C++, Java C, C++, Java C, C++, Java C C, C++, Java
Java, Ada
Dateisystem
Unix, Unix Unix, Unix, Windows - Windows
Windows
Windows Windows
Netzwerk TCP/IP TCP/IP, TCP/IP, TCP/IP TCP/IP - TCP/IP
UDP UDP
Feldbus - - - CAN, CAN, - -
ProfiBus ProfiBus,
Interbus S
Scheduling FPP, FPN,
Timeslice,
FIFO
FPP, FPN,
Timeslice,
Benutzerdefiniert
FPP, FPN,
Timeslice
FPP, FPN,
Timeslice
FPP, FPN,
Timeslice
FPP, FPN,
Timeslice
FPP, FPN
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Literatur
• Echtzeitsysteme in der Automatisierungstechnik
– Lauber, R. & Göhner, P. (1999, 3.Aufl.)
Prozessautomatisierung 1. Berlin: Springer
– Wörn, H. & Brinkschulte, U. (2005)
Echtzeitsysteme. Berlin: Springer
• Programmierung von Echtzeitsystemen
– Barr, M. (1999) Programming Embedded Systems
in C and C++. Sebastopol: O'Reilly
– Douglass, B.P. (2003) Real-Time Design Patterns.
Robust Scalable Architecture for Real-Time
Systems. Boston: Addison Wesley.
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