Echtzeitsysteme

Der Begriff Echtzeit ist einer der am meisten strapazierten Begriffe der Informatik und wird in den verschiedensten Zusammenhängen benutzt: Echtzeitstrategiespiel, Videobearbeitung in Echtzeit, Echtzeitsteuerung, Echtzeitkommunikation, und viele mehr. Tatsächlich zeichnen sich Echtzeitsysteme nicht durch ihre Geschwindigkeit, sondern durch ihre Kopplung an die (echte) Realzeit aus. Ihr Ziel ist die rechtzeitige Bereitstellung von Funktionen und Ergebnissen, wie das nebenstehende Beispiel eines Airbags sehr anschaulich zeigt.

Inhalt der Vorlesung

Durch die Kopplung an die Realzeit, sind Echtzeitsysteme per Definition in die (reale) Umwelt eingebettet. Hier dienen sie typischerweise der Steuerung und Regelung von physikalischen Prozessen, wie beispielsweise dem Airbag eines Fahrzeugs. Die Entwicklung eines Echtzeitsystems schliesst typischerweise Experten aus verschiedenen Bereichen mit ein. Die Veranstaltung nähert sich der Thematik zwar aus der Sicht der Informatik, ist jedoch grundsätzlich interdisziplinär ausgelegt und richtet sich sowohl an Studierende der Informatik als auch an diejenigen anderer Studiengänge mit einem anwendungsorientierten Bezug wie beispielsweise Mechatronik, Elektrotechnik, I&K, CE, Maschinenbau und Medizintechnik (→ Voraussetzungen). Entsprechend weit spannt sich auch das Themengebiet Echtzeitsysteme auf. Abhängig von der Betrachtungsebene spricht man allgemein von eingebetteten Systemen oder, um den regelungstechnischen Anteil hervorzuheben, von Cyber-Physical Systems. Die Veranstaltung Echtzeitsysteme nimmt hierbei den Standpunkt der Systemsoftware (Echtzeitbetriebssystem) ein und erlaubt dadurch einen querschneidenden Einblick in die gesamte Welt der Echtzeitsystementwicklung. Die Vorlesung vermittelt dabei die notwendigen Grundkenntnisse, Techniken und Mechanismen für die Entwicklung von Echtzeit(betriebs)systemen und schafft damit eine gemeinsame Grundlage für alle Beteiligten. Ziel der Veranstaltung ist neben einem fundierten theoretischen Überblick auch die tiefgehende Vermittlung von praktischem Wissen und Fähigkeiten, welches als Basis für eine erfolgreiche industrielle bzw. wissenschaftliche Anwendung dienen können. Eine Übersicht über die Themen der Vorlesung findet sich hier beziehungsweise in der Modulbeschreibung. Terminplan und Vorlesungsfolien...

Inhalt der Übungen

In den begleitenden Übungen werden die in der Vorlesung vorgestellten Techniken bei der Entwicklung eines Echtzeitsystems praktisch umgesetzt. Hierfür setzen wir in diesem Semester das weitverbreitete Echtzeitbetriebssystem eCos ein. Die Entwicklung erfolgt dabei an einem STM32F429I-DISCOVERY Evaluationsboard. Explizite Vorkenntnisse in hardwarenaher Programmierung sind nicht erforderlich. In den Übungsaufgaben wird ein Oszilloskop als realistische Beispielanwendung entwickelt. Die in der Vorlesung vorgestellten Probleme und Lösungen können damit sehr gut aufgezeigt werden. So wird beispielsweise die Echtzeitfähigkeit der Signalverarbeitung durch Ausgabe des Signals auf dem Bildschirm gezeigt, und per FFT sichtbar gemacht. Im Verlauf der Übungen wird auch auf spezielle Werkzeuge für die Entwicklung und Analyse von Echtzeitsystemen eingegangen, wie sich auch in der Industrie Anwendung finden. Hierzu zählt beispielsweise die Ermittlung der maximalen Ausführungszeit (worst case execution time, WCET) mittels des beim Airbus A380 eingesetzten aiT Analysers. Das Ziel ist hierbei möglichst praxisorientiert und nahe an den industriellen Anforderungen Fähigkeiten zu vermitteln und einen fundierten Einblick zu erhalten. Die Übung wird in zwei Ausprägungen angeboten:

• Grundlegende Übungen [Ü_EZS] (2,5 ETCS)
• Erweiterte Übungen [EÜ_EZS] (5 ECTS)

Diese unterscheiden sich grundsätzlich nur in „Tiefe“ und Umfang der gestellten Übungsaufgaben. Die erweiterte Übung zielt hierbei auf die selbstständige Erarbeitung von Problemlösungen ab, welche über das reine Problemverständnis hinausgehen. Dies umfasst insbesondere auch entsprechende Programmaufgaben und setzt daher einen etwas sichereren Umgang mit der Programmiersprache C/C++ und allgemeine Werkzeug/Linux-Kenntnisse voraus. Weitere Informationen zu den Übungen...

Voraussetzungen

Die Veranstaltung ist inhaltlich weitgehend in sich abgeschlossen und für alle Studierenden der genannten Studienfächern mit einer Begeisterungsfähigkeit für praktische, systemnahe Informatik geeignet. Unabhängig davon sind grundlegenden Betriebssystemkenntnissen, systemnaher Programmierung von eingebetteten Systemen und ein gewisses Durchhaltevermögen äußerst hilfreich. Für die Bearbeitung der Übungsaufgaben sind entsprechend grundlegenden Programmierkenntnissen in C und/oder C++ notwendig. Hierfür ausreichend ist eine der folgenden Grundlagenveranstaltungen: Systemprogrammierung I/II, Softwaresysteme I, Systemnahe Programmierung in C beziehungsweise äquivalenter Veranstaltungen. Eine erfolgreiche Teilnahme ist für Nebenfächler auch auf der Basis der Grundlagen der Informatik (Programmiersprache: Java) möglich. Hierfür ist die Bereitschaft der eigenständigen (veranstaltungsbegleitenden) Aneignung grundlegender C/C++ Kenntnisse jedoch zwingend erforderlich. Entsprechende Unterlagen und Literaturempfehlungen werden von uns gerne bereitgestellt. Weiterhin sind grundlegende Erfahrungen im Umgang mit der Linux-Umgebung in den CIP-Pools beziehungsweise deren Aneignung erforderlich.

Fragebogen: Programmierkenntnisse

Zur Einordnung der eigenen C-Kenntnisse haben wir einen Aufgabenkatalog aus Systemnahe Programmierung in C zusammengestellt. Teilnehmer, die sowohl die meisten Fragen sicher beantworten als auch die Programmieraufgabe lösen können, sollten keine handwerklichen Probleme mit den Übungsaufgaben haben und können sich voll auf die zu vermittelnden Konzepte konzentrieren. Fällt die Beantwortung der Fragen schwer, sollten die fraglichen Programmierkonzepte und die Bedeutung der unbekannten Schlüsselwörter vor Belegung des Moduls nachrecherchiert werden, da diese nicht im Rahmen der Übung vermittelt werden können.

Dozenten und Betreuer

Terminübersicht (Semesterplan)

KW	Mo	Di	Mi	Do	Fr	Themen
17	25.04	26.04	27.04	28.04	29.04	Vorlesung 1: Organisation Vorlesung 1: Einleitung Übung 1: Organisation Übung 1: Hallo Welt
		Vorlesung 1	Übung 1
			Ausgabe A1
18	02.05	03.05	04.05	05.05	06.05	Vorlesung 2: Physikalisches Objekt - kontrollierendes Rechensystem Übung 2: Systemsoftwareentwicklung
		Vorlesung 2	Übung 2
19	09.05	10.05	11.05	12.05	13.05	Vorlesung 3: Struktureller Aufbau von Echtzeitanwendungen Übung 3: Antwortzeit
		Vorlesung 3	Übung 3
			Ausgabe A2
20	16.05	17.05	18.05	19.05	20.05	Vorlesung 4: Zeitliche Analyse von Echtzeitanwendungen Übung 4: WCET Analyse
	Fester Termin A1	Vorlesung 4	Übung 4
			Ausgabe A3
21	23.05	24.05	25.05	26.05	27.05	Vorlesung 5: Abarbeitung periodischer Echtzeitsysteme
	Fester Termin A2	Vorlesung 5		Christi Himmelfahrt
22	30.05	31.05	01.06	02.06	03.06	Vorlesung 6: Ereignisgesteuerte Ablaufplanung periodischer Echtzeitsysteme Übung 5: Simple Scope
		Vorlesung 6	Übung 5
			Ausgabe A4
23	06.06	07.06	08.06	09.06	10.06	Vorlesung 7: Zeitgesteuerte Ablaufplanung periodischer Echtzeitsysteme Übung 6: Cyclic Scope
	Pfingstmontag	Vorlesung 7	Übung 6
		Bergfrei	Ausgabe A5
24	13.06	14.06	15.06	16.06	17.06	Vorlesung 8: Grundlegende Abfertigung nicht-periodischer Echtzeitsysteme
	Fester Termin A3	Vorlesung 8		Fronleichnam
25	20.06	21.06	22.06	23.06	24.06	Vorlesung 9: Zustellerkonzepte und Übernahmeprüfung
	Fester Termin A4	Vorlesung 9
26	27.06	28.06	29.06	30.06	01.07	Vorlesung 10: Rangfolge Übung 7: Nicht-periodische Aufgaben, Zusteller, Extended Scope
		Vorlesung 10	Übung 7
			Ausgabe A6
27	04.07	05.07	06.07	07.07	08.07	Vorlesung 11: Zugriffskontrolle Übung 8: Zugriffskontrolle
	Fester Termin A5	Vorlesung 11	Übung 8
			Ausgabe A7
28	11.07	12.07	13.07	14.07	15.07	Vorlesung 12: Mehrkern Echtzeitsysteme Übung 9: System Science
		Vorlesung 12	Übung 9
29	18.07	19.07	20.07	21.07	22.07	Vorlesung 13: Rekapitulation Übung 10: Wiederholung
	Fester Termin A6	Vorlesung 13	Übung 10
30	25.07	26.07	27.07	28.07	29.07	Vorlesung 14: Zusammenfassung
	Fester Termin A7	Vorlesung 14

Stundenplan