Echtzeitsysteme mit erweiterten Übungen - Cheatsheet

Definition und Charakteristika von Echtzeitsystemen

Definition:

Systeme, die darauf ausgelegt sind, auf Eingaben innerhalb einer bestimmten Zeitspanne (Echtzeit) zu reagieren, und bei denen die Zeit der Reaktion genauso wichtig ist wie das korrekte Verhalten.

Details:

• Zeitbestimmte Reaktionen: Muss innerhalb einer definierten Frist reagieren
• Zuverlässigkeit: Hohe Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit
• Determinismus: Vorhersehbares Verhalten
• Harte Echtzeitsysteme: Fehlende Reaktion führt zu katastrophalen Konsequenzen
• Weiche Echtzeitsysteme: Fehlende Reaktion führt zu Leistungseinbußen, aber nicht zu katastrophalen Folgen
• Formale Deadline: Reaktionszeit muss mathematisch beschreibbar sein
• Beispiel: Flugsteuerungssysteme, Fahrzeugsteuerungen, medizinische Geräte
• d(T): Zeitzwischen Ankunft eines Reizes und dessen Verarbeitung

Zeit- und Ereignismodellierung in Echtzeitsystemen

Definition:

Modellierung von Zeit und Ereignissen in Echtzeitsystemen; Ziel: präzise zeitliche Abläufe u. Abhängigkeiten spezifizieren

Details:

• Formel: Zeitbeziehungen: \(t_{start}, t_{end}, \tau\); Ereignisbeziehungen: \[E_i, E_j, \text{Zeitabstand:} \tau\]
• Zeitspezifikationen: absolute u. relative Zeitangaben
• Ereignismodellierung: diskrete Ereignisse, Zustandswechsel
• Verwendung: Echtzeitbetriebssysteme, Zeitsteuerung
• Werkzeuge: UML-Diagramme, Petri-Netze

Grundlagen der Echtzeitplanung

Definition:

Grundlagen der Echtzeitplanung umfassen Strategien und Verfahren zur Einhaltung von Zeitvorgaben in Echtzeitsystemen.

Details:

• Harte vs. weiche Echtzeitsysteme
• Planbarkeit: System muss Termine garantieren können
• Scheduling-Algorithmen: z.B. RM (Rate-Monotonic), EDF (Earliest Deadline First)
• Zeitliche Parameter: Task-Perioden (T_i), Deadlines (D_i), Ausführungszeiten (C_i)
• Utilization-Formel: U = \frac{\text{Summe aller } C_i}{\text{Summe aller } T_i}
• Prioritäten und Präemption

Deadlines und Zeitbeschränkungen

Definition:

Deadlines und Zeitbeschränkungen dienen zur Sicherstellung der rechtzeitigen Fertigstellung von Aufgaben in Echtzeitsystemen.

Details:

• Harte Deadline: Unbedingte Einhaltung erforderlich, sonst Systemversagen.
• Weiche Deadline: Leichte Überschreitung tolerierbar, führt zu Leistungseinbußen.
• Sporadische Aufgabe: Auftritt unregelmäßig, erfordert zeitlich beschränkte Bearbeitung.
• Periodische Aufgabe: Regelmäßig wiederkehrend, Zykluszeit festgelegt.
• Deadline-Miss: Nichteinhaltung der festgesetzten Deadline.
• Fristverzicht (Deadline Miss): Zeitüberschreitung wird akzeptiert.

Speicherverwaltung in Echtzeitbetriebssystemen

Definition:

Speicherverwaltung in Echtzeitbetriebssystemen bezieht sich auf das Management von Speicherressourcen unter strikten Zeitvorgaben, um deterministische und schnelle Zugriffe zu gewährleisten.

Details:

• Statische Speichervergabe: Speicher wird zur Compile-Zeit oder Initialisierungszeit festgelegt.
• Dynamische Speichervergabe: Speicher wird zur Laufzeit je nach Bedarf zugewiesen.
• Paging und Segmentierung: Methoden zur Speicherorganisation, um Fragmentierung zu vermeiden.
• Speicherbindung: Vermeidung von Speicherüberbuchung durch Priorisierung und Kontrolle.
• Garbage Collection: Oft eingeschränkt oder angepasst, um Echtzeitbedingungen zu erfüllen.
• Nutzung von Hardware-Mechanismen: TLBs (Translation Lookaside Buffers) und MMUs (Memory Management Units) zur Beschleunigung von Speicherzugriffen.
• Worst-Case Execution Time (WCET): Kritisch für die Bewertung des Zeitverhaltens von Speicherzugriffen.

Synchronisation mit Locks, Semaphoren und Monitoren

Definition:

Vermeidung von Race Conditions in Mehrprozessorsystemen durch Synchronisation von Threads.

Details:

• Locks: Exklusive Zugriffe auf gemeinsam genutzte Ressourcen durch Sperrmechanismen. Verwendung von lock.acquire() und lock.release().
• Semaphore: Steuerung des Zugriffs auf eine Ressource durch Zählen von erlaubten Zugriffen. Verwendung von sem.wait() und sem.signal().
• Monitore: Höhere Abstraktion für Synchronisation, bietet mutual exclusion und Condition Variables. Ressourcenmanagement durch eingebettete Synchronisationsmethoden.

Vermeidung von Deadlocks

Definition:

Methoden zur Vermeidung von Deadlocks in Echtzeitsystemen.

Details:

• Deadlocks entstehen durch gegenseitige Blockierungen von Prozessen.
• Vier notwendige Bedingungen: Mutual Exclusion, Hold and Wait, No Preemption, Circular Wait.
• Strategien zur Vermeidung:
• Ressourcenzuweisungen verhindern, die zu einem Deadlock führen können.
• Bankier-Algorithmus: Vermeidet unsichere Zustände durch Ressourcenallokationsgraphen.
• Verwendung von Timeouts für Ressourcenanforderungen.
• Kopplung von Deadlock-Vermeidungsmaßnahmen mit Scheduling-Strategien.

Model Checking und formale Methoden

Definition:

Verifikation von Systemen durch mathematische Modelle zur Sicherstellung von Korrektheit bezüglich spezifizierter Eigenschaften.

Details:

• Formale Spezifikationen oft in temporaler Logik wie LTL oder CTL
• Model Checking Algorithmen durchsuchen Zustandsräume systematisch
• Automatische Verifikation gegen gegebene Eigenschaften
• Werkzeuge: SPIN, NuSMV, PRISM
• Anwendung in Echtzeitsystemen zur Validierung von Timing-Anforderungen