Echtzeitsysteme - Cheatsheet

Definition von Echtzeitbetriebssystemen

Definition:

Echtzeitbetriebssystem (RTOS): Betriebssystem, das zeitlich deterministisches Verhalten für Echtzeitanwendungen garantiert.

Details:

• Aufgabenpriorisierung: RTOS verwaltet mehrere Tasks und ordnet Prioritäten zu, um Echtzeitanforderungen zu erfüllen.
• Task-Scheduling: Anwenden von Scheduling-Algorithmen (z.B. RM, EDF), um rechtzeitige Ausführung sicherzustellen.
• Interrupt-Handling: Effiziente Verarbeitung von Hardware-Interrupts um Latenz zu minimieren.
• Determinismus: Vorhersehbare Antwortzeiten, wichtig für zeitkritische Anwendungen.
• Geringe Latenz: Minimale Verzögerung bei der Ausführung von Aufgaben.
• Parallele Ausführung: Unterstützung für Multitasking und gleichzeitige Prozesse.
• Speicherverwaltung: Isolierung und Verwaltung von Speicherressourcen für stabile Systemleistung.

Unterschiede zwischen Hard- und Soft-Realzeit

Definition:

Unterschied zwischen Hard- und Soft-Realzeit besteht darin, dass Hard-Realzeit strikte Anforderungen an die Ausführungszeiten hat, während Soft-Realzeit flexibelere Zeitvorgaben toleriert.

Details:

• Hard-Realzeit: Fehlende Einhaltung der Zeitvorgaben führt zu Systemfehlern.
• Soft-Realzeit: Fehlende Einhaltung der Zeitvorgaben führt zu Degradation der Leistung, aber kein vollständiges Versagen.
• Zeitgrenzen Hard-Realzeit: Strikt und unveränderlich
• Zeitgrenzen Soft-Realzeit: Flexibel und variabel

Planung und Scheduling-Algorithmen

Definition:

Planung und Scheduling-Algorithmen in Echtzeitsystemen steuern die Ausführung von Aufgaben, um Fristen einzuhalten.

Details:

• Deterministische vs. nicht-deterministische Algorithmen
• Echtzeitbetriebssysteme verwenden harte und weiche Echtzeitscheduling-Strategien
• Häufige Algorithmen: RMS (Rate Monotonic Scheduling), EDF (Earliest Deadline First)
• Prioritätszuweisung und Kontextwechsel sind entscheidend
• Nutzung von Zeitdiagrammen zur Visualisierung

Protokolle und Standards der zeitgesteuerten Kommunikation

Definition:

Protokolle und Standards zur Sicherstellung der zeitlichen Deterministik in der Kommunikation zwischen Echtzeitsystemen.

Details:

• Ziel: Minimierung der Latenz und Sicherstellung der fristgerechten Datenübertragung
• TTP (Time-Triggered Protocol): Zeitscheiben-basiert, synchronisierte Kommunikationszyklen
• IEEE 1588 PTP (Precision Time Protocol): Hochpräzise Zeitsynchronisation
• CAN (Controller Area Network) mit Time-Triggered CAN (TTCAN): Erweiterung des CAN-Busses um Zeitsteuerungseigenschaften
• FlexRay: Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsprotokoll für Fahrzeugnetzwerke, Zeit- und Ereignis-gesteuert
• Determinismus: Feste Übertragungszeiten, keine Kollisionen dank Zeitschlitzen
• Verwendung in Automobilindustrie, Luftfahrt, Industrieautomation

Implementierung von Kommunikationssystemen in Echtzeitumgebungen

Definition:

Implementierung von Kommunikationssystemen in Echtzeitumgebungen

Details:

• Echtzeitanforderungen: niedrige Latenz, deterministisches Verhalten
• Protokolle: CAN, TTP, FlexRay für deterministische Kommunikation
• Architekturen: zentrale vs. verteilte Systeme
• Pufferstrategien: FIFO, Prioritätswarteschlangen
• QoS-Anforderungen: Bandbreite, Verzögerung, Jitter
• Synchronisation: Zeitstempel, globale Uhr
• Fehlerbehandlung: Redundanz, Fehlererkennung und -korrektur
• Datenkonsistenz: Atomare Broadcasts, Update-Protokolle
• Tools: FPGA, RTOS für Implementierung
• Beispiele: Automotive-Systeme, industrielle Automatisierung

Synchronisation von Threads

Definition:

Threads in einem Echtzeitsystem synchronisieren, um Konsistenz und korrekte Ausführung zu gewährleisten.

Details:

• Mutex: Verhindert gleichzeitigen Zugriff auf gemeinsame Ressourcen. Syntax: \texttt{pthread\textunderscore mutex\textunderscore lock()}
• Semaphor: Steuerung des Zugriffs basierend auf Zählerwert. Syntax: \texttt{sem\textunderscore wait()}
• Monitor: Hohes Abstraktionsniveau, Kombination von Mutex und Bedingungsvariablen.
• Deadlock: Vermeiden durch präventive Maßnahmen wie Deadlock-Erkennung, Zeitüberschreitung.

Prioritäten-basierte Scheduling-Algorithmen

Definition:

Prioritäten-basierte Scheduling-Algorithmen verwenden Prioritäten von Aufgaben für die Reihenfolge der Ausführung.

Details:

• Jede Aufgabe hat eine festgelegte Priorität.
• Höhere Priorität → schnellere Ausführung.
• Beispiele: Fixed-Priority Scheduling (FPS), Earliest Deadline First (EDF).
• Berechnung von Prioritäten z.B. mit Rate-Monotonic Algorithmus (RMA).
• Garantie der Echtzeitbedingungen durch Prioritätenzuweisung.
• Problem: Prioritätsinversion – niedrig priorisierte Aufgabe blockiert höhere Prioritäten.
• Verwendung von Protokollen wie Priority Inheritance zur Lösung von Prioritätsinversion.

Verteilte Echtzeitsysteme

Definition:

Echtzeitsysteme, die geografisch verteilt sind und miteinander kommunizieren, oft über Netzwerke.

Details:

• Synchronisation von Uhren notwendig
• Kommunikationsverzögerungen beachten
• Verteiltes Scheduling notwendig
• Fehlertoleranz und Redundanz wesentliche Aspekte
• Beispiele: Sensornetze, Automatisierungsnetze