Prozeßmanagement – Erzeugung Betriebssysteme und Echtzeitsysteme • Es gibt braucht ein Echtzeitsystem zwangsläufig ein Betriebssystem? 3
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EMES: Eigenschaften mobiler und eingebetteter Systeme001011110100100111010010101011000101111010010011101001010101100010111101001001110100101010110001011110100100111010010101011000101111010010011101001010101100010111101001001110100101010110001011110100100111010010101011000101111010010011101001010101Embedded- und
RT-Betriebssysteme
Dr. Felix Salfner, Dr. Siegmar Sommer
Wintersemester 2010/2011
001011110100100111010010101011000101111010010011101001010101100010111101001001110100101010110001011110100100111010010101011000101111010010011101001010101100010111101001001110100101010110001011110100100111010010101011000101111010010011101001010101Aufgaben eines Betriebssystems I
Prozemanagement
{Erzeugung, Unterbrechung, Wiederaufnahme und Beendigung von System- und Nutzerprozessen, Prozesynchronisation, Prozekom- munikation, Deadlock-BehandlungDateimanagement (le management)
{Erzeugung und Vernichtung von Dateien und Verzeichnissen, M oglichkeiten zur Manipulation von Dateien, BackupSpeichermanagement
{Wer nutzt welchen Teil des Speichers, welcher Proze kommt in den Speicher, Speicherreservierung, Management des virtuellenSpeichers
E/A-Management
{Puerungssystem, Bereitstellung einer allgemeinen E/A-Schnittstelle, Behandlung bestimmter Ger
ate1EMES: Eigenschaften mobiler und eingebetteter Systemec
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Schutzfunktionen (protection)
{Management des Zugangs zum Rechner und dessen Ressourcen (accounting), Schutz der Prozesse vor den Aktivit aten andererKommunikation
{Austausch von Informationen mit anderen Systemen (networking),Management entfernter Ressourcen
Kommandoausfuhrung
{Schnittstelle zwischen Nutzer und System, Kommandoshell, Gra- phische E/A, ...2EMES: Eigenschaften mobiler und eingebetteter Systemec
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Es gibt Echtzeitbetriebssysteme (z.B. vxWorks, LynxOS, QNX, rtLi- nux, PURE und weitere), aber . . . . . . braucht ein Echtzeitsystem zwangslaug ein Betriebssystem?3EMES: Eigenschaften mobiler und eingebetteter Systemec
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Es gibt Echtzeitbetriebssysteme (z.B. vxWorks, LynxOS, QNX, rtLi- nux, PURE und weitere), aber . . . . . . braucht ein Echtzeitsystem zwangslaug ein Betriebssystem? {Nein, dennAbarbeitung eines einzigen Programmes ist einfach
Abarbeitung einiger weniger (1,2. . . 5) ist einfachEs existieren Echtzeitsysteme ohne Betriebssystem
{Aber: Steigende Anzahl von Programmen und erforderlicher grundlegen- der Funktionalit at macht Aufwand immer groer Betriebssystem bietet die grundlegenden Funktionen fur alle An- wendungen an und vereinfacht diese damit4EMES: Eigenschaften mobiler und eingebetteter Systemec
ROK Anforderungen sind andere als bei normalen Betriebssystemen {Statt Fairness wird vorhersagbares Verhalten benotigt - schnell und deterministisch auf Ereignisse reagieren {Statt hohem Durchsatz wird garantierter Durchsatz benotigt {Entwickler fur Echtzeitverhalten der Applikation verantwortlich {Grundsatzliche Ansatze: Minimale Interrupt-Latenz, minimale Zeit f ur Kontextwechsel {Adaptierbarkeit auf spezielle Probleme ist bedeutsam Wiederverwendung von Ideen und Konzepten nur begrenzt moglich Hier: Betrachtung der grundlegenden Funktionen in Bezug auf dieAnwendung bei Echtzeitsystemen
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Echtzeit-Betriebssystems
Prozemanagement bzw. Taskmanagement
Speichermanagement
Interrupt-Behandlung
Behandlung von Programmausnahmen
Prozesynchronisation
Zeit-Management
CPU Scheduling
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ROKTasks haben zusatzliche Eigenschaften
{(Vorgegebene) Prioritaten {Deadlines (hart, weich, IRIS) {Periodizitat: periodisch, aperiodisch, sporadisch {Perioden bzw. minimal interarrival Zeiten {nichtunterbrechbar/unterbrechbar Taskverwaltung wie \ublich":7EMES: Eigenschaften mobiler und eingebetteter Systemec ROKWie in Nicht-Echtzeitbetriebssystemen, aber:
Bekannte und begrenzte Verzogerungen fur Interrupt-BehandlungZiel: Kurze Interrupt-Behandlungsroutinen
Interrupts sind mit Tasks assoziiert | Interrupt aktiviert Task8EMES: Eigenschaften mobiler und eingebetteter Systemec
ROKStandard-Methoden:
{Block-basiert {Paging/ SwappingKein virtueller Speicher fur harte Echtzeit-Tasks
{alle Speicherseiten der Task im Speicher \locken" {Memory-Pinning9EMES: Eigenschaften mobiler und eingebetteter Systemec
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Ausnahmesituationen (Speicher voll, Deadlock, Timeouts) mussen behandelt werdenUnterschiedliche Ebenen
{Fehler auf Systemebene, z.B. Deadlock {Fehler auf Taskebene, z.B. TimeoutStandard-Techniken:
{Systemrufe mit Fehlercode (mu vom Programmierer aber auch benutzt werden) {Watchdog Alle Szenarios mussen abgedeckt werden (kompliziert!) {Auslassen eines moglichen Falles kann zur Katastrophe fuhren!10EMES: Eigenschaften mobiler und eingebetteter Systemec
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Uberwachung des Ablaufes durch unabhangige InstanzHardware-Watchdog
{Spezielle Hardwareuberwacht System und reagiert auf erkannteFehler, z.B. Ausbleiben von Alive-Signalen
{Nur fur wenige Einsatzfalle benutzbar, teilweise hoher Aufwand {Kann auch bei Komplettabsturzen der Software reagierenSoftware-Watchdog
{Task mit hoher Prioritat parallel zu anderen Tasks Uberwacht Systembedingungen (z.B. Timeouts, Invarianten, Wer- tebereiche) {Lost Aktionen bei Verletzung aus {Kann nicht reagieren, wenn das OS abgesturzt ist11EMES: Eigenschaften mobiler und eingebetteter Systemec
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Ubliche Techniken
{Semaphore {Gemeinsame Variablen {Gemeinsame Puer {Mailboxen {Message Passing {Signale \Bekannte" Probleme: {Gefahr von Deadlocks | ausgiebig in entsprechenden Algorithmen behandelt Aber: Neue Probleme, die es in Nicht-RTOS nicht gibt {Prioritateninvertierung durch Blockade infolge der Nutzung vonRessourcen
{Losung: Priority Inheritance und Priority Ceiling12EMES: Eigenschaften mobiler und eingebetteter Systemec
ROKTimer-Ticks repr
asentieren den Ablauf der Echtzeit im SystemUblicherweise Ticks von 1..50 ms
Ublicherweise Erzeugung mit einer Hardware, die pro Tick einenTimer-Interrupt ausl
ostInterrupt-Behandlung zahlt Systemzeit hoch
Ticks konnen (manchmal) in der Lange an die Parameter der Anwen- dungen angepat werden Alle Zeiten im System sind Vielfaches des Timerticks Au osung und Bitbreite des Timers mussen beachtet werden | z.B.32 Bit Timer mit 1 ms Au
osung lauft nach 50 Tagenuber13EMES: Eigenschaften mobiler und eingebetteter Systemec
ROKUberfuhrung von Tasks aus READY nach RUNNING
Aufbau eines Schedules unter Benutzung von Schedulingverfahren {EDF {RMADetails: Vorlesunguber Scheduling
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15EMES: Eigenschaften mobiler und eingebetteter Systemec
ROKEin Echtzeitbetriebssystem soll garantieren:
Bekannte Ausfuhrungszeiten fur Systemrufe
Begrenzte Blockadezeiten fur Zugri auf gemeinsame RessourcenBegrenzte Delays fur Interrupt-Behandlung
Bekannte Ausfuhrungszeit fur Kontext-Switch
Einhaltung aller Deadlines (fur schedulbaren Taskset)Globale Zeit fur alle Tasks
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Ein fester Zeitplan wird vor der Laufzeit konstruiert, der zur Laufzeit nur noch abgearbeitet wirdHohes A-priori-Wissen
Sehr geringer Laufzeitaufwand
Keine Synchronisation notig, da vorher berechnet
Scheduling beschrankt sich auf Abarbeitung des Zeitplanes Reaktionen sind nur auf eingeplante Ereignisse moglich Umgebungsdaten werden im Polling gelesen (Abfrage allenZeitein- heiten laut Zeitplan)Hohe Auslastung erzielbar
Flexibilitat gegenuberAnderungen gering
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Tasks \erscheinen" periodisch, aperiodisch oder sporadisch (losen dabei meist einen Interrupt aus)Scheduler fugt sie in READY-Queue ein
Scheduler entscheidet dynamischuber Reihenfolge der Abarbeitung und implementiert SchedulingverfahrenPraxis:
Oft Mischung beider Techniken
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Multitasking
Prioritatenbasiertes-Scheduling
Anwendungen m
ussen entsprechend entwickelt werden!Schnelle Reaktionen auf externe Interrupts
Mechanismen fur Prozekommunikation und -synchronisationKleiner Kernel (bis zu Mikrokernel)
Schneller Kontextswitch
Echtzeituhr als interne Zeitreferenz
19EMES: Eigenschaften mobiler und eingebetteter Systemec
ROKMinimaler Code im privilegierten Kernmodus
{Speicherverwaltung {CPU-Verwaltung {Interprozesskommunikation {Trennung von Mechanismen (Kern) und Policies (User-Mode) Alles andere als 'Server': Treiber, Protokolle, Dateisysteme, ...Scheduler und Timer aus Ezienz haug auch im Kern
20EMES: Eigenschaften mobiler und eingebetteter Systemec
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Prioritatenbasierte Kernel fur eingebettete Applikationen {OSE, VxWorks, VRTX32,pSOS, LynxOS RT-Erweiterungen zu existierenden Nicht-RTOS durch Memory-Locking, Scheduling-Server, o.
a. {rtLinux, Real-Time Windows NT, Real-Time MachForschungs-RT-Kerne
{MARS, SpringLaufzeitsysteme fur RT-Programmiersprachen
{Ada, Erlang21EMES: Eigenschaften mobiler und eingebetteter Systemec
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Konformitat zu Standards (POSIX-RealTime-API)
Modularitat und Skalierbarkeit
{Kleiner Kern {Kongurierbares OS {Von ROM-Systemen bis zu groen verteilten SystemenGeschwindigkeit und Ezienz
{Niedriger Overhead {Nachrichten senden ohne Kontext-Switch {Geringe Zeiten fur Kontext-Switch, Interrupt Latency Hochoptimierter Code fur nichtpreemptive Teile von Systemrufen Geteilte Interrupt-Behandlung (kleiner Teil fur nichtpreemptive Rou- tinen und unmittelbare Behandlung, Ausf uhrung der verbleibenenArbeit mit entsprechenden Priorit
atslevel)22EMES: Eigenschaften mobiler und eingebetteter Systemec
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OpenGroup - Portable Open System Interface + X
{POSIX 1 - Grundlegende Systemaufrufe (fork, read, write, ...) {POSIX 1.c - Thread-Erweiterungen (pthreadcreate, ...)POSIX 1.b - Echtzeiterweiterungen
{Oene Spezikation -http://tinyurl.com/yaayjro {Prioritatsbasiertes Scheduling, Echtzeitsignale, Semaphoren, Nach- richtenkommunikation, gemeinsamer Speicher, Sperren von Spei- cher, Asynchrones I/O, Timer In Teilen (rtLinux) oder vollstandig (LynxOS) vom Echtzeitbetriebs- system implementiert23EMES: Eigenschaften mobiler und eingebetteter Systemec
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Scheduling
{Wenigstens 32 Prioritatenebenen {Unterstutzung fur Round-Robin, FIFO und nutzergesteuerteAnde- rung von Priorit aten Priority Inheritance, manchmal Priority Ceiling (beides abschaltbar)Timer: Au
osung bis zu Nanosekunden (nicht immer sinnvoll, weilTimer-Interrupt bis zu einer Mikrosekunde dauert)
Memory Management
{Protection (u.U. kongurierbar auf mehreren Ebenen) {Kein Paging (bzw. abschaltbar)Netzwerk: Unterstutzung fur TCP/IP, Streams,...
24EMES: Eigenschaften mobiler und eingebetteter Systemec
ROK Echter Mikrokernel, bietet Thread- und Echtzeit-Services Resource Manager bieten weitere Services an (u.a. auch Prozessbe- handlung, da Kern nur Threads kennt ohne Speicherschutz) Optionale Teile konnen zur Laufzeit ein- und ausgeschlossen werden System kann bis zu 12K klein sein (Groe des Mikrokernels) Message-passing OS (Nachrichten mit Prioritaten sind Mittel derKommunikation zwischen allen Threads)
Andere Kommunikation (z.B. POSIX-Message-Queues) werden au- erhalb des Kerns auf QNX Message-Passing abgebildet Vorhandensein atomarer Funktionen fur Addition, Subtraktion, Bitset- zen, Bitl oschen und Bitkomplement25EMES: Eigenschaften mobiler und eingebetteter Systemec
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ROK001011110100100111010010101011000101111010010011101001010101100010111101001001110100101010110001011110100100111010010101011000101111010010011101001010101100010111101001001110100101010110001011110100100111010010101011000101111010010011101001010101QNX Interrupt Handling
Garantierte Latenzzeiten fur hochpriore Interrupts00101111010010011101001010101100010111101001001110100101010110001011110100100111010010101011000101111010010011101001010101100010111101001001110100101010110001011110100100111010010101011000101111010010011101001010101100010111101001001110100101010127EMES: Eigenschaften mobiler und eingebetteter Systemec
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