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 (zu finden im Campo).

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

	Mo	Di	Mi	Do	Fr
08:00
10:00		Rechnerübung WinCIP	Vorlesung 00.151-113
12:00	Rechnerübung WinCIP			Tafelübung Aquarium (0.031)
14:00
16:00

Terminübersicht (Semesterplan)

KW	Mo	Di	Mi	Do	Fr	Themen
42	13.10	14.10	15.10	16.10	17.10	Vorlesung 1: Organisation Vorlesung 1: Einleitung Übung 1: Organisation Übung 1: Hallo Welt
			Vorlesung 1	Übung 1
				Ausgabe A1
43	20.10	21.10	22.10	23.10	24.10	Vorlesung 2: Physikalisches Objekt - kontrollierendes Rechensystem Übung 2: Systemsoftwareentwicklung
			Vorlesung 2	Übung 2
44	27.10	28.10	29.10	30.10	31.10	Vorlesung 3: Struktureller Aufbau von Echtzeitanwendungen Übung 3: Antwortzeit
			Vorlesung 3	Übung 3
				Ausgabe A2
45	03.11	04.11	05.11	06.11	07.11	Vorlesung 4: Zeit-/Energieanalyse von Echtzeitanwendungen
			Vorlesung 4
			Fester Termin A1
46	10.11	11.11	12.11	13.11	14.11	Vorlesung 5: Abarbeitung periodischer Echtzeitsysteme Übung 4: WCET Analyse
			Vorlesung 5	Übung 4
				Ausgabe A3
47	17.11	18.11	19.11	20.11	21.11	Vorlesung 6: Ereignisgesteuerte Ablaufplanung periodischer Echtzeitsysteme Übung 5: Simple Scope
			Vorlesung 6	Übung 5
			Fester Termin A2	Ausgabe A4
48	24.11	25.11	26.11	27.11	28.11	Vorlesung 7: Zeitgesteuerte Ablaufplanung periodischer Echtzeitsysteme
			Vorlesung 7
49	01.12	02.12	03.12	04.12	05.12
	Ausfall	Ausfall	Ausfall	Ausfall	Ausfall
50	08.12	09.12	10.12	11.12	12.12	Vorlesung 8: Grundlegende Abfertigung nicht-periodischer Echtzeitsysteme Übung 6: Cyclic Scope
			Vorlesung 8	Übung 6
			Fester Termin A3	Ausgabe A5
51	15.12	16.12	17.12	18.12	19.12	Vorlesung 9: Zustellerkonzepte und Übernahmeprüfung Übung 7: Nicht-periodische Aufgaben, Zusteller
			Vorlesung 9	Übung 7
			Fester Termin A4
52	22.12	23.12	24.12	25.12	26.12
	Frei	Frei	Frei	Frei	Frei
01	29.12	30.12	31.12	01.01	02.01
	Frei	Frei	Frei	Frei	Frei
02	05.01	06.01	07.01	08.01	09.01
	Frei	Frei
03	12.01	13.01	14.01	15.01	16.01	Vorlesung 10: Rangfolge Übung 8: Intermittierende Systeme
			Vorlesung 10	Übung 8
			Fester Termin A5	Ausgabe A6
04	19.01	20.01	21.01	22.01	23.01	Vorlesung 11: Zugriffskontrolle Übung 9: Zugriffskontrolle
			Vorlesung 11	Übung 9
				Ausgabe A7
05	26.01	27.01	28.01	29.01	30.01	Vorlesung 12: Mehrkern-Echtzeitsysteme Übung 10: System Science
			Vorlesung 12	Übung 10
			Fester Termin A6
06	02.02	03.02	04.02	05.02	06.02	Vorlesung 13: Rekapitulation Vorlesung 13: Weiterführendes Übung 11: Forschungsthemen Übung 11: Nachlese
			Vorlesung 13	Übung 11
			Fester Termin A7