Verlässliche Echtzeitsysteme - Cheatsheet

Definition und Bedeutung von Zeitkritikalität

Definition:

Maß der Sensitivität eines Systems gegenüber zeitlicher Genauigkeit. Entscheidet, ob und wann eine Aufgabe abgeschlossen sein muss.

Details:

• Harte Zeitkritikalität: Verpasste Deadlines führen zu Systemfehlern
• Weiche Zeitkritikalität: Verpasste Deadlines beeinträchtigen nur die Systemleistung
• Analyse durch Worst-Case Execution Time (WCET)
• Verwendung in Echtzeitsystemen wie Steuerungseinheiten und sicherheitskritischen Anwendungen

Techniken zur Zeitmessung und -bewertung

Definition:

Techniken zur Zeitmessung und -bewertung in Verlässlichen Echtzeitsystemen: Methoden zur präzisen Erfassung und Analyse der Laufzeiten von Aufgaben sowie zur Überwachung der Deadline-Einhaltung.

Details:

• System-Timer und Clock-Ticks zur Periodisierung
• Hardware-Timer zur präzisen Zeitmessung
• Software-basierte Zeitmessung (z.B. Timestamp Counter, Time-of-Day Clock)
• Benchmarking und Profiler-Tools zur Laufzeitanalyse
• Verwendung von Worst-Case Execution Time (WCET) zur Worst-Case Bewertung
• Deadline-Monitore zur Überwachung der Zeiteinhaltung
• Techniken zur Synchronisation der Systemzeiten in verteilten Systemen

Architektur und Designprinzipien von Echtzeitbetriebssystemen

Definition:

Architektur und Designprinzipien von Echtzeitbetriebssystemen umfassen die strukturelle Anordnung und grundlegenden Entwurfsmethoden, um zeitkritische Aufgaben zuverlässig und effizient auszuführen.

Details:

• Echtzeitfähige Scheduler: Prioritätenbasierte Planung, Deadline-Monotonic, Rate-Monotonic, Earliest Deadline First (EDF)
• Task Synchronisation: Semaphore, Mutex, Message Queues
• Interruptbehandlung: Minimalste Latenzzeit sicherstellen
• Determinismus: Vorhersehbare Zeitverhalten, Worst-Case Execution Time (WCET)
• Ressourcenmanagement: Effiziente Speicherverwaltung, Prioritätssteuerung
• Modularität und Skalierbarkeit: Wiederverwendbare und erweiterbare Systemkomponenten
• Fehlertoleranz: Mechanismen zur Fehlererkennung und -behebung

Interrupt-Handling und synchronisierte Kommunikation

Definition:

Unterbrechungsbehandlung und synchronisierte Kommunikation in Echtzeitsystemen - schnelle Reaktion auf Ereignisse und zeitlich koordinierte Prozesse.

Details:

• Interrupts: Signal an CPU zur sofortigen Bearbeitung, unterbricht normalen Programmablauf.
• ISR (Interrupt Service Routine): Spezielle Routine zur Behandlung von Interrupts.
• Priorität: Höhere Prioritäts-Interrupts haben Vorrang vor niedrigeren.
• Synchronisierte Kommunikation: Absprache von Prozessen/Threads zur Vermeidung von Race Conditions und Deadlocks.
• Mechanismen: Mutex, Semaphore, Events und Nachrichtenwarteschlangen.
• Nochfolgeregelung: ISR sollte so kurz wie möglich sein, kritische Aufgaben zu einer Bottom-Half verlagern.
• Verlässlichkeit: Korrekte und rechtzeitige Verarbeitung für Systemstabilität und Echtzeitfähigkeit unerlässlich.

Präemptive vs. nicht-präemptive Scheduling

Definition:

Präemptives Scheduling erlaubt Unterbrechungen von Aufgaben durch den Scheduler, nicht-präemptives Scheduling nicht.

Details:

• Präemptiv: Tasks können jederzeit unterbrochen werden. Wichtig für Systeme mit hohen Echtzeitanforderungen.
• Nicht-präemptiv: Tasks laufen bis zur Fertigstellung. Einfacher zu implementieren, aber kann zu längeren Antwortzeiten führen.
• Verwendete Algorithmen: Round-Robin für präemptiv, First-Come-First-Served (FCFS) für nicht-präemptiv.
• Mathematisch: Bei präemptivem Scheduling kann Taskwechselzeit vernachlässigt werden, bei nicht-präemptivem maximal \textit{n} Zeiteinheiten.

Rate Monotonic und Earliest Deadline First Algorithmen

Definition:

Rate Monotonic (RM): Statisch priorisierender Algorithmus, der Task-Prioritäten basierend auf deren Perioden zuweist. Earliest Deadline First (EDF): Dynamischer Algorithmus, der Task-Prioritäten basierend auf den frühesten Deadlines zuweist.

Details:

• RM: kürzere Perioden haben höhere Priorität
• EDF: Tasks mit näherer Deadline haben höhere Priorität
• RM optimal für feste Prioritäten unter RTDM-Annahmen
• EDF optimal für dynamische Prioritäten im präemptiven System
• RM und EDF erfordern keine genaue Kenntnis der Task-Ausführungszeiten
• Beide Algorithmen verlangen deterministische Perioden und Deadlines

Einführung in Fehlertoleranz und Redundanz

Definition:

Fehlertoleranz ermöglicht Systemfortführung trotz Fehler. Redundanz: Mehrfache Systemkomponenten zur Fehlerkompensation.

Details:

• Fehlertypen: Hardware, Software, Mensch
• Redundanz: Zeit- (zeitliche) und Hardware- (räumliche) Redundanz
• Aktive Redundanz: Konsistenzprüfungen
• Passive Redundanz: Backup-Systeme
• MTTF (Mean Time to Failure): Durchschnittszeit bis zum Fehler
• MTTR (Mean Time to Repair): Durchschnittszeit zur Fehlerbehebung
• FT-Schichtenmodell: Maskierung, Erkennung, Lokalisierung, Recovery
• Formel Zuverlässigkeit R(t): \(R(t) = e^{- \frac{t}{\text{MTTF}}}\)

Fehlererkennung und -behebungstechniken

Definition:

Identifikation und Korrektur von Fehlern zur Sicherstellung der Zuverlässigkeit von Echtzeitsystemen.

Details:

• Fehlertypen: transient, permanent, und intermittierend.
• Fehlerdetektion: Paritätsprüfung, Prüfungsummen, Hamming-Code.
• Fehlerkorrektur: Redundanzprinzipien, Fehlerkorrekturcodes (ECC), Triple Modular Redundancy (TMR).
• Fehlertoleranz: Fehlermaskierung, Wiederanlaufmechanismen.
• Werkzeuge und Methoden: Hardwareüberwachung, Softwareüberwachung, Watchdog-Timer.
• Anwendungen: sicherheitskritische Systeme, Kommunikation, Datenübertragung.