Echtzeitsysteme 2 - Verlässliche Echtzeitsysteme - Cheatsheet

Definition und Merkmale von Echtzeitsystemen

Definition:

Echtzeitsysteme sind Computersysteme, die innerhalb einer definierten Zeitspanne reagieren müssen. Dies ist kritisch für Anwendungen, bei denen Timing entscheidend ist.

Details:

• Determinismus: Vorhersagbares Verhalten und feste Antwortzeiten
• Schnelle Reaktionszeit: Häufig sehr kurze Antwortzeiten im Millisekunden- oder Mikrosekundenbereich
• Zuverlässigkeit: Hohe Verfügbarkeit und Fehlertoleranz
• Einhaltung von Deadlines: Strikte Fristeinhaltung, sowohl harte als auch weiche Echtzeitanforderungen
• Ressourcenkontrolle: Effiziente Nutzung und Management von Systemressourcen

Hart- vs. Weichzeit-Echtzeitsysteme

Definition:

Hartzeitsysteme müssen alle zeitlichen Bedingungen strikt einhalten, während Weichzeitsysteme zeitliche Bedingungen nicht strikt einhalten müssen.

Details:

• Hartzeitsysteme: Versagen führt zu Systemfehlern.
• Weichzeitsysteme: Versagen führt zu Qualitätsminderung, aber nicht zu Systemfehlern.
• Beispiele: Hartzeitsystem - Flugsteuerung; Weichzeitsystem - Multimedia-Anwendung.
• Formale Definition: Eine Echtzeitanforderung gilt als hart wenn ihr Übertreten fatale Konsequenzen hat, andernfalls ist sie weich.

Grundlagen des Echtzeit-Schedulings

Definition:

Planung von Aufgaben in Echtzeitsystemen, so dass alle Echtzeitanforderungen erfüllt werden.

Details:

• Unterscheidung von harten, weichen und festen Echtzeitsystemen
• Wichtigste Scheduling-Algorithmen: Rate Monotonic (RM), Earliest Deadline First (EDF)
• Feasibility-Tests: Ensuring that all tasks meet their deadlines
• Nutzung von Prioritäten für das Scheduling
• Rückenzeit-Analyse zur Überprüfung der Systemauslastung
• Berücksichtigung von Preemption und Kontextwechselkosten

Deterministisches Scheduling vs. Probabilistisches Scheduling

Definition:

Vergleich von Scheduling-Strategien in Echtzeitsystemen: deterministisches (vorhersehbares) Scheduling und probabilistisches (statistisches) Scheduling.

Details:

• Deterministisches Scheduling: Feste Zeitpläne, garantiertes Timing-Verhalten.
• Probabilistisches Scheduling: Wahrscheinlichkeitsverteilung für Zeitpläne, kein garantiertes Timing-Verhalten.
• Deterministisch: Nutzung von Algorithmen wie EDF (Earliest Deadline First) und RMS (Rate Monotonic Scheduling).
• Probabilistisch: Nutzung statistischer Modelle, Berücksichtigung von Wahrscheinlichkeiten für Warteschlangenlängen und Antwortzeiten.
• Vorteile: Deterministisch garantiert Planungserfüllung, probabilistisch flexibel bei Unsicherheiten.
• Nachteile: Deterministisch weniger flexibel, probabilistisch weniger vorhersehbar.
• Anwendung: Deterministisch in sicherheitskritischen Systemen, probabilistisch in adaptiven und anspruchsvollen Umgebungen.

Kommunikationsprotokolle für Echtzeitsysteme

Definition:

Kommunikationsprotokolle koordinieren Datenübertragung in Echtzeitsystemen, garantieren Zeitdeterminismus und Zuverlässigkeit.

Details:

• Zeitdeterminismus: Protokolle wie CAN, TTP, FlexRay, etc. gewährleisten zeitgerechte Datenübertragung.
• Zuverlässigkeit: Protokolle enthalten Mechanismen zur Fehlererkennung und -behebung.
• Latenz: Minimierung der Übertragungsverzögerung für Echtzeitanforderungen.
• Synchronisation: Zeitstempel und Synchronisierungsprozesse zur Gewährleistung der zeitlichen Korrelation der Nachrichten.
• Puffer-Management: Strategien zur Vermeidung von Über- und Unterläufen in Datenpuffern.

Redundante Systeme und Komponenten

Definition:

Einsatz zusätzlicher Ressourcen zur Erhöhung der Verlässlichkeit und Fehlertoleranz von Echtzeitsystemen.

Details:

• Ziel: Erhöhung der Systemzuverlässigkeit und Minimierung von Ausfallzeiten.
• Arten der Redundanz: Hardware, Software, Informationsredundanz (z.B. Paritätsbits).
• Wichtige Konzepte: Fehlertoleranz, Fehlermaskierung, Error Recovery.
• Techniken: Voting-Mechanismen, Backup-Systeme, Fehlererkennungs- und -korrekturverfahren.
• Beispiel: Triple Modular Redundancy (TMR) zur Fehlermaskierung mit Mehrheitsvotum.
• Kritische Komponenten: Redundanzmanagement, Konsistenzsicherstellung.

Worst-Case-Execution-Time (WCET) Analyse

Definition:

Worst-Case-Execution-Time (WCET) Analyse: Bestimmung der maximalen Zeit, die ein System zur Ausführung eines Programms benötigt.

Details:

• Ziel: Zeitliche Verlässlichkeit in Echtzeitsystemen gewährleisten
• Berechnung mittels statischer Analyse, Messungen oder einer Kombination
• Relevant für hard- und soft-und Echtzeitsysteme
• Verwendung von formalen Methoden und Timing-Analyse-Tools
• Unterscheidung zwischen Worst-Case und Average-Case
• Einhaltung von Timing-Anforderungen in sicherheitskritischen Anwendungen

Formale Verifikationsmethoden

Definition:

Techniken zur mathematischen Verifizierung von Hardware- und Software-Systemen.

Details:

• Ziel: Korrektheit und Zuverlässigkeit von Echtzeitsystemen sicherstellen.
• Zwei Hauptansätze: Modellprüfung und Theorembeweis.
• Modellprüfung: System wird als Zustandsmodell dargestellt, Überprüfung erfolgt durch systematische Zustandsraumdurchsuchung.
• Theorembeweis: Nutzung von mathematischen Beweisen zur Überprüfung der Systemeigenschaften.
• Wichtige Werkzeuge: SPIN, UPPAAL, HOL, PVS.
• Herausforderungen: State Space Explosion, hohe Komplexität der Beweise.