Echtzeitsysteme (WS 2017/18)
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.
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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 anwenungsorientierten 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.
Inhalt der Übung
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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 zum Teil an einem STM32F411VET6 Evaluationsboard, und zum Teil mit Hilfe eines Simulators. Vorkenntnisse in hardwarenaher Programmierung sind nicht erforderlich. In den Übungsaufgaben wird ein Oszilloskop als realistische Beispielanwendungen 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:
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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 können 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 nachrecherchiert werden, da diese nicht im Rahmen der Übung vermittelt werden können.
Dozenten und Betreuer
| Dr.-Ing. Peter Ulbrich | Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schröder-Preikschat | Florian Schmaus, M.Sc. | Peter Wägemann, M.Sc. | Julian Wolf |
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Terminübersicht (Wochenplanung)
| Mo | Di | Mi | Do | Fr | |||||||||||||||||||||||
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| 08:00 | |||||||||||||||||||||||||||
| 09:00 | |||||||||||||||||||||||||||
| 10:00 | |||||||||||||||||||||||||||
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| 11:00 | |||||||||||||||||||||||||||
| 12:00 |
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| 13:00 | |||||||||||||||||||||||||||
| 14:00 |
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| 17:00 | |||||||||||||||||||||||||||
| 18:00 |
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| 19:00 | |||||||||||||||||||||||||||
Überschneidung: Fr von 14:15 bis 15:45
Terminübersicht (Semesterplan)
Ablauf von Vorlesung und Übungsaufgaben im Überblick: Die Abgabe der Aufgaben findet im Rahmen der regulären Übung statt und erfolgt durch Demonstration eurer Lösung am Rechner.
| KW | Mo | Di | Mi | Do | Fr | Themen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 42 | 16.10 | 17.10 | 18.10 | 19.10 | 20.10 | Vorlesung 1: Organisation Vorlesung 1: Einleitung Übung 1: Organisation Übung 1: Hallo Welt 1 Ausgabe A1: Hallo Welt |
| Vorlesung 1 | Übung 1 | Übung 1 | ||||
| Ausgabe A1 | ||||||
| 43 | 23.10 | 24.10 | 25.10 | 26.10 | 27.10 | Vorlesung 2: Physikalisches Objekt - kontrollierendes Rechensystem Übung 2: Hallo Welt 2 |
| Vorlesung 2 | Übung 2 | Übung 2 | ||||
| 44 | 30.10 | 31.10 | 01.11 | 02.11 | 03.11 | |
| Vorlesungsfrei | ||||||
| 45 | 06.11 | 07.11 | 08.11 | 09.11 | 10.11 | Vorlesung 3: Struktureller Aufbau von Echtzeitanwendungen Übung 3: Antwortzeit Ausgabe A2: Antwortzeit |
| Vorlesung 3 | Übung 3 | Übung 3 | ||||
| Ausgabe A2 | Abgabe A1 | |||||
| 46 | 13.11 | 14.11 | 15.11 | 16.11 | 17.11 | Vorlesung 4: Zeitliche Analyse von Echtzeitanwendungen Übung 4: WCET Analyse Ausgabe A3: Ausführungszeit |
| Vorlesung 4 | Übung 4 | Übung 4 | ||||
| Ausgabe A3 | ||||||
| 47 | 20.11 | 21.11 | 22.11 | 23.11 | 24.11 | Vorlesung 5: Abarbeitung periodischer Echtzeitsysteme Übung 5: System Science; Wiederholung |
| Vorlesung 5 | Übung 5 | Übung 5 | ||||
| Abgabe A2 | ||||||
| 48 | 27.11 | 28.11 | 29.11 | 30.11 | 01.12 | Vorlesung 6: Ereignisgesteuerte Ablaufplanung periodischer Echtzeitsysteme Übung 6: Simple Scope Ausgabe A4: Simple Scope |
| Vorlesung 6 | Übung 6 | Übung 6 | ||||
| Ausgabe A4 | ||||||
| 49 | 04.12 | 05.12 | 06.12 | 07.12 | 08.12 | Vorlesung 7: Zeitgesteuerte Ablaufplanung periodischer Echtzeitsysteme Übung 7: Cyclic Scope Ausgabe A5: Cyclic Scope |
| Vorlesung 7 | Übung 7 | Übung 7 | ||||
| Ausgabe A5 | Abgabe A3 | |||||
| 50 | 11.12 | 12.12 | 13.12 | 14.12 | 15.12 | Vorlesung 8: Grundlegende Abfertigung nicht-periodischer Echtzeitsysteme Übung 8: Nicht-periodische Aufgaben |
| Vorlesung 8 | Übung 8 | Übung 8 | ||||
| Abgabe A4 | ||||||
| 51 | 18.12 | 19.12 | 20.12 | 21.12 | 22.12 | Vorlesung 9: Zustellerkonzepte und Übernahmeprüfung Ausgabe A6: Extended Scope |
| Vorlesung 9 | ||||||
| Ausgabe A6 | ||||||
| 52 | 25.12 | 26.12 | 27.12 | 28.12 | 29.12 | |
| Weihnachten/Neujahr | ||||||
| 01 | 01.01 | 02.01 | 03.01 | 04.01 | 05.01 | |
| Vorlesungsfrei | ||||||
| 02 | 08.01 | 09.01 | 10.01 | 11.01 | 12.01 | Vorlesung 10: Rangfolge Übung 9: Zusteller, Extended Scope Ausgabe A7: Zugriffskontrolle |
| Vorlesung 10 | Übung 9 | Übung 9 | ||||
| Ausgabe A7 | Abgabe A5 | |||||
| 03 | 15.01 | 16.01 | 17.01 | 18.01 | 19.01 | Vorlesung 11: Zugriffskontrolle Übung 10: Zugriffskontrolle |
| Vorlesung 11 | Übung 10 | Übung 10 | ||||
| 04 | 22.01 | 23.01 | 24.01 | 25.01 | 26.01 | Übung 11: Vorlesungswiederholung |
| Vorlesung 12 | Übung 11 | Übung 11 | ||||
| Abgabe A6 | ||||||
| 05 | 29.01 | 30.01 | 31.01 | 01.02 | 02.02 | Vorlesung 13: Mehrkern Echtzeitsysteme |
| Vorlesung 13 | Übung 12 | Übung 12 | ||||
| Abgabe A7 | ||||||
| 06 | 05.02 | 06.02 | 07.02 | 08.02 | 09.02 | Vorlesung 14: Zusammenfassung mit Kaffeeklatsch |
| Vorlesung 14 | ||||||
Prüfung
In der Veranstaltung kann u.a. in folgenden Modulen verwendet werden:
- Bachelor/Master: Modul Echtzeitsysteme mit 5 oder 7.5 ECTS in Abhängigkeit von der belegten Übung.
- Kombinationsmodule mit 7.5, 10 oder 15 ECTS in Abhängigkeit vom Studiengang.
Die Prüfung erfolgt mündlich. Für weitere Informationen zur Prüfung konsultieren Sie bitte Ihre Prüfungsordnung oder das Prüfungsamt.
