Verlässliche Echtzeitsysteme - Cheatsheet

Modularität und Skalierbarkeit von Echtzeitsystemen

Definition:

Prinzips der Aufteilung eines Echtzeitsystems in austauschbare und erweiterbare Module zur verbesserten Anpassbarkeit und Leistungsfähigkeit.

Details:

• Vermeidung monolithischer Architekturen
• Ermöglicht einfachere Wartung und Erweiterung
• Skalierbarkeit durch parallele Verarbeitung und Lastverteilung
• Verwendung von definierten Schnittstellen zur Interaktion der Module
• \texttt{Speedup} und \texttt{Scalabilitätsfaktor} als Bewertungskriterien
• Erfordert gründliche Analyse der Abhängigkeiten zwischen Modulen
• Bespiele: RTOS mit modularen Treibern und Services
• Sicherstellung der Echtzeitfähigkeit bei wachsender Komplexität

Deterministische Kommunikationsprotokolle

Definition:

Kommunikationsprotokolle mit vorhersehbarem Verhalten und garantierten Kommunikationszeiten

Details:

• Vorhersagbare Latenz und Durchsatz
• Keine Kollisionen im Netzwerkverkehr
• Beispiele: TDMA, TTP, FlexRay
• Verwendet in sicherheitskritischen und zeitkritischen Anwendungen
• Formel zur Berechnung der Zykluszeit: \[ Z = \frac{T}{N} \], wobei T die Gesamtzeit und N die Anzahl der Zeitschlitze ist

Fehlertoleranz- und Erholungsmethoden

Definition:

Techniken zur Sicherstellung der Systemzuverlässigkeit trotz Fehler, sowie zur Wiederherstellung des normalen Betriebs nach einem Fehler.

Details:

• Fehlertoleranz: Fähigkeit, nach Auftreten eines Fehlers weiterzuarbeiten
• Redundanz: Mehrere Systeme/Komponenten als Backup
• Diversität: Unterschiedliche Ansätze/Algorithmen zur Fehlervermeidung
• Checkpointing: Regelmäßige Zustandsaufzeichnungen
• Rollback Recovery: Systemzustand auf letzten fehlerfreien Checkpoint zurücksetzen
• Replikation: Systeme/Prozesse mehrfach ausführen
• Mehrheitsentscheid: Ergebnisse mehrerer Replikate vergleichen (z.B. bei Voting-Systemen)

Multitasking und Scheduling-Algorithmen

Definition:

Verwaltung mehrerer Aufgaben durch ein Betriebssystem, um Prozessorzeit effizient zu nutzen.

Details:

• Multitasking: Gleichzeitige Ausführung mehrerer Aufgaben durch schnelle Umschaltung.
• Scheduling-Algorithmen: Bestimmen, welche Aufgabe wann ausgeführt wird.
• Wichtige Algorithmen:
  • First-Come, First-Served (FCFS): Einfach, Aufgaben in Ankunftsreihenfolge.
  • Shortest Job Next (SJN): Minimiert Wartezeit, kürzeste Aufgabe zuerst.
  • Round Robin (RR): Zeitfenster, gleichmäßige Verteilung.
  • Priority Scheduling: Aufgaben nach Prioritäten, höhere Priorität zuerst.
  • Earliest Deadline First (EDF): Dynamisch, nächste Deadline zuerst.
• Zentrale Konzepte: Kontextwechsel, Durchsatz, Latenz, Fairness.

Echtzeit-Ethernet und Time-Sensitive Networking (TSN)

Definition:

Ermöglicht deterministische Kommunikation über Ethernet, wichtig für industrielle Automatisierung und verlässliche Echtzeitsysteme.

Details:

• TSN ist eine Sammlung von Standards für Echtzeitkommunikation im Ethernet.
• Wesentliche Eigenschaften: Latenz, Zuverlässigkeit, Jitter-Kontrolle.
• IEEE 802.1 Task Group entwickelt TSN-Standards.
• Wichtige Konzepte: Zeitsynchronisation (\texttt{IEEE 802.1AS}), Traffic Shaping (\texttt{IEEE 802.1Qav, Qbv}), Frame Preemption (\texttt{IEEE 802.1Qbu}).
• Verwendung in Bereichen wie Automotive, Industrie 4.0, Telekommunikation.
• Ermöglicht gleichzeitige Übertragung von Echtzeitdaten und herkömmlichem Datenverkehr.
• Erfordert spezielle Hardware und Software für Implementierung.

Unterbrechungs- und Ereignismanagement

Definition:

Management von Unterbrechungen und Ereignissen in Echtzeitsystemen zur Gewährleistung zeitgerechter Reaktionen.

Details:

• Interrupt (Unterbrechung): Signal, das die normale Ausführung eines Programms unterbricht.
• ISR (Interrupt Service Routine): Spezieller Code zur Verarbeitung von Unterbrechungen.
• Maskierbare und nicht-maskierbare Interrupts (NMI)
• Echtzeituhr (RTC): Erzeugt periodische Interrupts für zeitliche Steuerungen.
• Ereignis: Zustand oder Änderung in der Umgebung, der eine Reaktion erfordert.
• Ereignissteuerung: Mechanismus, um auf Ereignisse zeitgerecht zu reagieren.
• Prioritäten: Interrupts können unterschiedlich priorisiert sein.

Verifikation und Validierung

Definition:

Verifikation: Überprüfung, ob ein System den spezifizierten Anforderungen entspricht. Validierung: Überprüfung, ob ein System den tatsächlichen Benutzeranforderungen entspricht. In Echtzeitsystemen besonders kritisch.

Details:

• Verifikation: Statische Methode (u.a. Inspektionen, Reviews, formale Verifikation)
• Validierung: Dynamische Methode (u.a. Tests, Simulationen, Prototypen)
• Ziel: Fehler früh im Entwicklungsprozess erkennen und beheben
• Wichtig für die Zuverlässigkeit und Sicherheit in Echtzeitsystemen
• Beispiele: Model Checking, Zustandsautomaten, Theorembeweise

Energieeffizienz und Performance-Optimierung

Definition:

Optimierung des Energieverbrauchs und der Performance von Echtzeitsystemen, um Ressourcen effizient zu nutzen und festgelegte Echtzeitanforderungen zu erfüllen.

Details:

• Trade-off zwischen Energieverbrauch und Systemleistung
• Techniken wie DVFS (Dynamic Voltage and Frequency Scaling) und DPM (Dynamic Power Management) zur Energiesteuerung
• Analyse und Erstellung von Energiemodellen zur Vorhersage und Optimierung des Energieverbrauchs
• Anwendung von Scheduling-Algorithmen zur Balance zwischen Energieeffizienz und Echtzeitanforderungen
• Messung von Energieverbrauch und Performance über Monitoring-Tools
• Verwendung von Energiesparmodi und -strategien für Hardwarekomponenten