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Echtzeit: Grundlagen von Echtzeitsystemen

| Autor / Redakteur: Prof. Dr. Christian Siemers * / Sebastian Gerstl

Echtzeit bedeutet schnellste Reaktivität in kürzester definierter Zeitspanne: Bei Echtzeitsystemen kommt es auf schlanke. hochpräzise Abläufe an. Dabei wird unter anderem zwischen "harter" und "weicher" Echtzeit unterschieden.
Echtzeit bedeutet schnellste Reaktivität in kürzester definierter Zeitspanne: Bei Echtzeitsystemen kommt es auf schlanke. hochpräzise Abläufe an. Dabei wird unter anderem zwischen "harter" und "weicher" Echtzeit unterschieden. (Bild: gemeinfrei / CC0)

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Unter Echtzeit versteht man die Anforderung an ein Rechensystem, innerhalb einer kürzesten definierten Zeitspanne korrekt zu reagieren. Weitere wichtige Konzepte sind "harte" und "weiche" Echtzeit sowie Ereignissteuerung und Zeitsteuerung.

Echtzeitsysteme sind Systeme, die korrekte Reaktionen innerhalb einer möglichst kleinen definierten Zeitspanne produzieren müssen. Falls die Reaktionen das Zeitlimit überschreiten, führt dies zu Leistungseinbußen, Fehlfunktionen und/oder sogar Gefährdungen für Menschen und Material.

Die DIN 44300 des Deutschen Instituts für Normung beschreibt den Begriff Echtzeit wie folgt:

Unter Echtzeit (real time) versteht man den Betrieb eines Rechensystems, bei dem Programme zur Verarbeitung anfallender Daten ständig betriebsbereit sind, derart, dass die Verarbeitungsergebnisse innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne verfügbar sind. Die Daten können je nach Anwendungsfall nach einer zeitlich zufälligen Verteilung oder zu vorherbestimmten Zeitpunkten anfallen.

Demgegenüber wird im Oxford Dictionary of Computing das Echtzeitsystem wie folgt beschrieben:

Ein Echtzeitsystem (real-time system) ist ein System, bei dem der Zeitpunkt, zu dem Ausgaben vorliegen, bedeutend ist. Das liegt für gewöhnlich daran, dass die Eingabe mit einigen Änderungen der physikalischen Welt korrespondiert und die Ausgabe sich auf diese Änderungen beziehen muss. Die Verzögerung zwischen der Zeit der Eingabe und der Zeit der Ausgabe muss ausreichend klein für eine akzeptable ”Rechtzeitigkeit“ (timeliness) sein.

Je nach Anforderungen wird in der Praxis zwischen "harten" und "weichen" Echtzeitsystemen unterschieden. Diese Unterscheidung wird ausschließlich über die Art der Folgen einer Verletzung der Zeitschranken getroffen.

Ein Echtzeitsystem wird als hartes Echtzeitsystem (hard real-time system) bezeichnet, wenn das Überschreiten der Zeitlimits bei der Reaktion erhebliche Folgen haben kann. Zu diesen Folgen zählen die Gefährdung von Menschen, die Beschädigung von Maschinen, also Auswirkungen auf Gesundheit und Unversehrtheit der Umgebung. Typische Beispiele hierfür sind einige Steuerungssysteme im Flugzeug oder im Auto, z.B. bei der Verbrennungsmaschine.

Eine Verletzung der Ausführungszeiten in einem weichen Echtzeitsystem (soft real-time system) führt ausschließlich zu einer Verminderung der Qualität, nicht jedoch zu einer Beschädigung oder Gefährdung. Beispiele hierfür sind Multimediasysteme, bei denen das gelegentlich Abweichen von einer Abspielrate von 25 Bildern/sek. zu einem Ruckeln o.ä. führt.

Als Anmerkung sei hier beigefügt, dass fast immer nur die oberen Zeitschranken aufgeführt werden. Dies hat seine Ursache darin, dass die Einhaltung einer oberen Zeitschranke im Zweifelsfall einen erheblichen Konstruktionsaufwand erfordert, während eine untere Schranke, d.h. eine Mindestzeit, vor der nicht reagiert werden darf, konstruktiv unbedenklich ist.

Ein Beispiel für ein System, bei dem beide Werte wichtig sind, ist die Steuerung des Zündzeitpunkts bei der Verbrennungsmaschine: Dieser darf nur in einem eng begrenzten Zündintervall kommen.

Ereignissteuerung oder Zeitsteuerung?

Es stellt sich nun unmittelbar die Frage, wie die harten Echtzeitsysteme denn konzipiert sein können. Hier kann konkret zwischen zwei verschiedenen Konzeptionen unterschieden werden, die in der Praxis natürlich auch gemischt auftreten: Ereignisgesteuerte (event triggered) und zeitgesteuerte (time triggered) Systeme.

Ereignisgesteuerte Systeme werden durch Unterbrechungen gesteuert: Liegt an einem Sensor ein Ereignis (was das ist, muss natürlich definiert sein) vor, dann kann er eine Unterbrechungsanforderung (interrupt request) an den Prozessor senden und damit auf seinen Bedienungswunsch aufmerksam machen.

Eine asynchrone Unterbrechung (Asynchronous Interrupt Request, IRQ) ist ein durch das Prozessor-externe Umfeld generiertes Signal, das einen Zustand anzeigt und/oder eine Behandlung durch den Prozessor anfordert. Dieses Signal ist nicht mit dem Programmlauf synchronisiert. Die Behandlung der Unterbrechung erfolgt im Rahmen der Interrupt Service Routine.

Bei zeitgesteuerten Systemen erfolgt keine Reaktion auf Eingabeereignisse, die Unterbrechungen werden lediglich durch einen, ggf. mehrere periodische Zeitgeber (Timer) ausgelöst. Sensoren werden dann vom Steuergerät aktiv abgefragt. Dieses Verfahren hat den großen Vorteil, dass das Verhalten sämtlicher Systemaktivitäten zur Compilezeit vollständig planbar. Dies ist gerade für den Einsatz in Echtzeitsystemen ein erheblicher Vorteil, da á priori überprüft werden kann, ob Echtzeitanforderungen eingehalten werden.

Der Vorgänger des zeitgesteuerten Designs wurde Polling genannt. Hierunter wird das ständige (quasi-zyklische), im Programm verankerte Abfragen von Prozess-zuständen oder Werten verstanden, während das zeitgesteuerte Verfahren nicht ständig (also durch den Programmlauf bestimmte), sondern zu festgelegten Zeiten abfragt. Man beachte hierbei die Unterscheidung zwischen realer Zeit und Programmlaufzeit.

Das Design dieser Zeitsteuerung muss allerdings sehr präzise durchgeführt werden, um die Ereignisse zeitlich korrekt aufzunehmen und zu verarbeiten. Ggf. müssen auch Zwischenpufferungen (z.B. bei einer schnellen Datenfolge) eingefügt werden. Um den zeitlichen Ablauf und seine Bedingungen quantifizieren zu können, seien folgende Zeiten definiert:

Die Latenzzeit (Latency Time) ist diejenige vom Auftreten eines Ereignisses bis zum Start der Behandlungsroutine. Diese Zeit kann auf den Einzelfall bezogen werden, sie kann auch als allgemeine Angabe (Minimum, Maximum, Durchschnittswert mit Streuung) gewählt werden.

Die Ausführungszeit (Service Time) ist die Zeit zur reinen Berechnung einer Reaktion auf ein externes Ereignis. In einem deterministischen System kann diese Zeit bei gegebener Rechengeschwindigkeit prinzipiell vorherbestimmt werden.

Die Reaktionszeit (Reaction Time) ist diejenige Zeit, die vom Anlegen eines Satzes von Eingangsgrößen an ein System bis zum Erscheinen eines entsprechenden Satzes von Ausgangsgrößen benötigt wird. Die Reaktionszeit setzt sich aus der Summe der Latenzzeit und der Ausführungszeit zusammen, falls die Service Routine nicht selbst noch unterbrochen wird.

Die Frist (Dead Line) kennzeichnet den Zeitpunkt, zu dem die entsprechende Reaktion am Prozess spätestens zur Wirkung kommen muss. Diese Fristen stellen eine der wesentlichen Randbedingungen des Umgebungsprozesses dar.

Dies bedeutet also, dass zu jedem zu den Echtzeitkriterien zählenden Ereignis eine Frist definiert sein muss, innerhalb derer die Reaktion vorliegen muss. Folglich ist nicht die Schnelligkeit entscheidend, es ist Determinismus im Zeitsinn gefragt.

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