Echtzeitsysteme (WS 2015/16)
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 ist daher interdisziplinär ausgelegt und richtet sich sowohl an Studierende der Informatik als auch an diejenigen anderer Studiengänge mit einem anwenungsorientierten Bezug wie beispielsweise Mechatronik, Elektrotechnik, Maschinenbau und Medizintechnik.
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. 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 im Rechnerraum des Lehrstuhls an einem Infineon TC1796, aus der in der Automobil-Industrie weit verbreiteten TriCore-Familie, und zum Teil im CIP-Pool 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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Dozenten und Betreuer
| Dr.-Ing. Peter Ulbrich | Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schröder-Preikschat | Dipl.-Ing. Florian Franzmann | Dipl.-Ing. Tobias Klaus | Florian Schmaus, M.Sc. | Peter Wägemann, M.Sc. | Florian Korschin |
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Terminübersicht (Wochenplanung)
| Mo | Di | Mi | Do | Fr | |||||||||||||||||||||||
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| 08:00 | |||||||||||||||||||||||||||
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| 09:00 | |||||||||||||||||||||||||||
| 10:00 | |||||||||||||||||||||||||||
| 11:00 | |||||||||||||||||||||||||||
| 12:00 | |||||||||||||||||||||||||||
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| 13:00 | |||||||||||||||||||||||||||
| 14:00 | |||||||||||||||||||||||||||
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| 15:00 | |||||||||||||||||||||||||||
| 16:00 |
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| 17:00 | |||||||||||||||||||||||||||
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 | 12.10 | 13.10 | 14.10 | 15.10 | 16.10 | Vorlesung 1: Organisation Vorlesung 1: Einleitung Übung 1: Organisation Übung 1: Hallo Welt 1 |
| Vorlesung 1 | Übung 1 | |||||
| 43 | 19.10 | 20.10 | 21.10 | 22.10 | 23.10 | Vorlesung 2: Physikalisches Objekt - kontrollierendes Rechensystem Übung 2: Hallo Welt 2 |
| Übung' 1 | Vorlesung 2 | Übung 2 | ||||
| 44 | 26.10 | 27.10 | 28.10 | 29.10 | 30.10 | Vorlesung 3: Struktureller Aufbau von Echtzeitanwendungen Übung 3: Antwortzeit |
| Übung' 2 | Vorlesung 3 | Übung 3 | ||||
| 45 | 02.11 | 03.11 | 04.11 | 05.11 | 06.11 | Vorlesung 4: Zeitliche Analyse von Echtzeitanwendungen |
| Übung' 3 | Vorlesung 4 | Übung 4 | ||||
| 46 | 09.11 | 10.11 | 11.11 | 12.11 | 13.11 | Vorlesung 5: Abarbeitung periodischer Echtzeitsysteme Übung 5: Anwendungsanalyse Übung 5: WCET Analyse |
| Übung' 4 | Vorlesung 5 | Übung 5 | ||||
| 47 | 16.11 | 17.11 | 18.11 | 19.11 | 20.11 | Vorlesung 6: Ereignisgesteuerte Ablaufplanung periodischer Echtzeitsysteme |
| Übung' 5 | Vorlesung 6 | Übung 6 | ||||
| 48 | 23.11 | 24.11 | 25.11 | 26.11 | 27.11 | Vorlesung 7: Zeitgesteuerte Ablaufplanung periodischer Echtzeitsysteme |
| Übung' 6 | Vorlesung 7 | Übung 7 | ||||
| 49 | 30.11 | 01.12 | 02.12 | 03.12 | 04.12 | Vorlesung 8: Grundlegende Abfertigung nicht-periodischer Echtzeitsysteme Übung 8: Simple Scope |
| Übung' 7 | Vorlesung 8 | Übung 8 | ||||
| 50 | 07.12 | 08.12 | 09.12 | 10.12 | 11.12 | Vorlesung 9: Zustellerkonzepte und Übernahmeprüfung Übung 9: Wiederholung; Nicht periodische Aufgaben |
| Übung' 8 | Vorlesung 9 | Übung 9 | ||||
| 51 | 14.12 | 15.12 | 16.12 | 17.12 | 18.12 | Vorlesung 10: Rangfolge Übung 10: Cyclic Scope |
| Übung' 9 | Vorlesung 10 | Übung 10 | ||||
| 52 | 21.12 | 22.12 | 23.12 | 24.12 | 25.12 | |
| Vorweihnachtszeit | ||||||
| 53 | 28.12 | 29.12 | 30.12 | 31.12 | 01.01 | |
| Weihnachten/Neujahr | ||||||
| 01 | 04.01 | 05.01 | 06.01 | 07.01 | 08.01 | |
| Vorlesungsfrei | ||||||
| 02 | 11.01 | 12.01 | 13.01 | 14.01 | 15.01 | Vorlesung 11: Zugriffskontrolle Übung 11: Extended Scope |
| Übung' 10 | Vorlesung 11 | Übung 11 | ||||
| 03 | 18.01 | 19.01 | 20.01 | 21.01 | 22.01 | Vorlesung 12: Zugriffskontrolle & Organisatorisches Übung 12: Zugriffskontrolle |
| Übung' 11 | Vorlesung 12 | Übung 12 | ||||
| 04 | 25.01 | 26.01 | 27.01 | 28.01 | 29.01 | Vorlesung 13: Mehrkern-Echtzeitsysteme Vorlesung 13: Zusammenfassung |
| Übung' 12 | Vorlesung 13 | Übung 13 | ||||
| 05 | 01.02 | 02.02 | 03.02 | 04.02 | 05.02 | Vorlesung 14: |
| Übung' 13 | 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.
