Ferner werden grundlegenden Techniken und Mechanismen vermittelt werden, die man im Betriebssystemumfeld verwendet, um Echtzeitsysteme und Echtzeitbetriebssysteme zu realisieren:
In den begleitenden Übungen werden die vorgestellten Techniken bei der Entwicklung eines kleinen Echtzeitsystems praktisch umgesetzt.
erläutern den Startvorgang eines Rechensystems am Beispiel eines IA32 PCs.
beschreiben die spezifischen Herausforderungen bei der Softwareentwicklung für "bare metal".
beschreiben den Ablauf einer Unterbrechungsbehandlung von der Hardware bis zur (System-)software.
skizzieren Besonderheiten und Strategien der Unterbrechungsbehandlung in Hardware für Mehrkernsystemen am Beispiel des IA32-APICs.
diskutieren die Aufgabenteilung zwischen Hardware und Systemsoftware bei der Unterbrechungsbearbeitung.
unterscheiden die verschiedenen Typen von Kontrollflüssen in einem Betriebssystem anhand des Ebenenmodells.
unterscheiden harte, mehrstufige, und weiche Verfahren zur Unterbrechungssynchronisation in Betriebssystemen und können diese implementieren.
klassifizieren konkrete Konkurrenzsituationen anhand des Ebenenmodels und leiten daraus geeignete Synchronisationsmaßnahmen ab.
schildern die IA32-Architektur und gängige PC-Technologie und deren Schnittstellen zur Systemsoftware.
erläutern grundlegende Bausteine für die Implementierung von Quasi-Parallelität (Fortsetzungen, Koroutinen, Fäden) und grenzen diese gegeneinander ab.
erläutern die Interaktionen zwischen Hardware, Übersetzer und Systemsoftware, die dabei zu beachten sind.
entwickeln den Koroutinenwechsel für einen gegebene Architektur.
erläutern die Implikationen von Quasi-Parallität auf das Ebenenmodell und die daraus abgeleiteten Synchronisationsmaßnahmen.
beschreiben die Implementierung von (verdrängendem) Scheduling in einem Betriebssystem.
analysieren das Zusammenspiel von Scheduling und Unterbrechungssynchronisation.
nennen Kriterien und Dimensionen des Schedulings von Betriebsmitteln, insbesondere der CPU.
erläutern die konkrete Umsetzung am Beispiel der Scheduler in Linux und Windows.
unterscheiden grundlegende Möglichkeiten der Koordinierung und Synchronisation von Fäden (aktives/passives Warten, nichtverdrängbare kritische Abschnitte).
entwickeln Mechanismen für die Synchronisation auf Fadenebene.
erklären die dabei zu beachtenden Synchronisationsprobleme (lost update, lost wakeup) und geeignete Gegenmaßnahmen.
interpretieren die Bedeutung von Gerätetreibern in der Betriebssystempraxis.
erläutern die Anforderungen an ein Treibermodell.
vergleichen die Umsetzung von Treibermodellen in Windows und Linux.
vergleichen grundlegende BS-Architekturen (Bibliothek, Monolith, Mikrokern, Exokern, Hypervisor) anhand fundamentaler Charakteristika (Robustheit, Performanz, Portierbarkeit) und Mechanismen.
schildern die grundlegenden Paradigmen zur Interprozesskommunikation in Betriebssystemen (speicherbasiert vs. nachrichtenbasiert).
erläutern die grundlegenden Primitiven dieser Verfahren.
skizzieren, wie unter Anwendung dieser Primitiven höhere Synchronisationskonstrukte implementiert werden (Monitore, Leser-/Schreiber-Sperre).
illustrieren die Dualität der Paradigmen.
erschließen sich typische Probleme (Nebenläufigkeit, Compilerverhalten, Debuggen ohne dedizierte Hilfsmittel) und Fehlerquellen bei der hardwarenahen Softwareentwicklung.
können in Kleingruppen kooperativ arbeiten.
können die ihre Entwurfs- und Implementierungsentscheidungen kompakt präsentieren und argumentativ vertreten.
reflektieren ihre Entscheidungen kritisch und leiten Alternativen ab.
können offen und konstruktiv mit Schwachpunkten und Irrwegen umgehen.
unterscheiden die verschiedenen Komponenten eines Echtzeitsystems.
bewerten die Verbindlichkeiten von Terminvorgaben (weich, fest, hart).
erläutern die Zusammensetzung des Laufzeitverhaltes einer Echtzeitanwendung.
klassifizieren die Berührungspunkte zwischen physikalischem Objekt und kontrollierendem Echtzeitsystem.
interpretieren die Zeitparameter des durch das Echtzeitrechensystem zu kontrollierenden Objekts.
nennen die Zeitparameter des zugrundeliegenden Rechensystems (Unterbrechungslatenz, Ausführungszeit, ...).
unterscheiden synchrone und asynchrone Programmunterbrechung (insbesondere Trap/Interrupt, Ausnahmebehandlung und Zustandssicherung).
skizzieren die Verwaltungsgemeinkosten des schlimmsten Falls.
entwickeln in der Programmiersprache C und wenden die GNU Werkzeugkette für den Infineon TriCore Microcontroller sowie den Lauterbach Debugger an.
erstellen Echtzeitanwendungen auf Basis der eCos OS-Schnittstelle
ordnen die Strukturelemente von Echtzeitanwendungen zu: Aufgabe, Arbeitsauftrag und Faden.
erläutern die Implikationen von zeitlichem Mehrfachbetrieb auf die Verwaltungsgemeinkosten.
unterscheiden die Umsetzungsalternativen zur Ablaufsteuerung und die Trennung der Belange in Einplanung (Strategie) und Einlastung (Mechanismus).
benennen die grundsätzliche Verfahren der Ablaufsteuerung (taktgesteuert, reihum, vorranggesteuert).
erklären die grundlegenden Zeitparameter einer Aufgabe (Auslösezeitpunkt, Termin, Antwortzeit, Latenz, Ausführungszeit, Schlupfzeit).
unterscheiden die Grundlagen der Planbarkeit (gültig vs. zulässig, Optimalität von Einplanungsalgorithmen).
beschreiben den Unterschied zwischen konstruktiver und analytischer Einhaltung von Terminen-.
vergleich die Möglichkeiten (statisch, dynamisch) der zeitliche Analyse von Echtzeitanwendungen.
erklären die Grundlagen und Beschränkungen von dynamischer (worst-case?) und statischer WCET-Analyse (makroskopisch und mikroskopisch).
illustrieren Lösungsverfahren zur Bestimmung des längsten Ausführungspfads (Timing Schema, IPET).
erstellen Zeitmessung mittels Zeitgeber / Oszilloskop und bestimmen den längsten Pfad durch Code-Review.
erproben werkzeuggestützte WCET-Analyse mittels des absint aiT Analysewerkzeugs.
beschreiben die Grundlagen der Abfertigung periodischer Echtzeitsysteme (Periode, Phase, Hyperperiode).
skizzieren das periodische Modell und dessen Folgen (Entwicklungskomfort vs. Analysierbarkeit).
erklären die ereignisgesteuerte Ausführung (feste und dynamische Priorität, Verdrängbarkeit) mittels ereignisorienterter Planer (Berechnungskomplexität, MLQ-Scheduler, O(1)-Scheduler).
unterscheiden die zeitgesteuerte Ausführung (Busy Loop, Ablaufplan)und die Abfertigung von Arbeitsaufträgen im Abfrage- bzw. Unterbrecherbetrieb.
wenden die Grundlagen der ereignisgesteuerten Ablaufplanung periodischer Echtzeitsysteme an.
unterscheiden Verfahren zur statischen (RM, DM) und dynamischen Prioritätsvergabe (EDF, LRT, LST).
nennen den Unterschied zwischen Anwendungs- und Systemebene (Mehrdeutigkeit von Prioritäten).
erläutern den Optimalitätsnachweis des RM-, DM- und EDF-Algorithmus und dessen Ausnahmen.
beschreiben grundlegende Verfahren zur Planbarkeitsanalyse (CPU-Auslastung, Antwortzeitanalyse).
implementieren komplexe Aufgabensysteme in eCos.
unterscheiden die Grundlagen der zeitgesteuerten Ablaufplanung periodischer Echtzeitsysteme.
erstellen regelmäßige, zyklische Ablaufpläne (cyclic executive model, Rahmen).
vergleich Methoden der manuellen und algorithmischen Ablaufplanung.
unterscheiden optimale von heuristischen Verfahren (List Scheduling, Branch & Bound).
diskutieren die Konsequenzen eines Betriebswechsels in Echtzeitsystemen.
erstellen takt- beziehungsweise ereignisgesteuerte Abläufe in eCos beziehungsweise tt-eCos.
klassifizieren die Grundlagen der Abfertigung nicht-periodischer Echtzeitsysteme (minimale Zwischenankunftszeit).
definieren die Verbindlichkeiten von nicht-periodischen Aufgaben (aperiodisch, sporadisch)
zeigen die sich ergebenden Restriktionen des periodischen Modells (Mischbetrieb, Prioritätswarteschlangen, Übernahmeprüfung) auf.
beschreiben die Basistechniken des Laufzeitsystems (Zusteller, Unterbrecherbetrieb, Hintergrundbetrieb).
quantifizieren die Eigenschaften und Auswirkungen auf den periodischen Teil des Echtzeitsystems.
formulieren die Grundlagen des Slack-Stealing.
beschreiben den Einsatz von bandweite-bewahrenden Zustellern.
unterscheiden aufschiebbare Zusteller und Sporadic Server (SpSL und POSIX).
wenden eine Übernahmeprüfung bei sporadischen Aufgaben mittels dichte- oder schlupfbasierten Akzeptanztests an.
arbeiten einen strukturierter Ablaufplan (Rahmen) aus und untersuchen den Einsatz von Slack-Stealing.
ermitteln gerichtete Abhängigkeiten und Rangfolgen in Echtzeitanwendungen (Abhängigkeits- und Aufgabengraph).
stellen Umsetzungsalternativen für Abhängigkeiten einander gegenüber (naiv, implizit, explizit).
beschreiben das Konzept der zeitlichen Domänen und physikalischer bzw. logischer Ereignisse.
übertragen Abhängigkeiten auf das Problem der Ablaufplanung (modifiziere Auslösezeitpunkt/Termin, Phasenversatz).
konzipieren Rangfolge und aperiodische Steuerung in eCos.
implementieren einen aperiodischer Moduswechsel mit Zustandsüberführung in eCos.
wenden die Grundlagen von Wettstreit um Betriebsmitteln, Konkurrenz und Konfliktsituationen (kritische Abschnitte, (un)kontrollierte Prioritätsumkehr) an.
beschreiben echtzeitfähige Synchronisationsprotokolle (NPCS, PI, PCP).
nennen die Vor- und Nachteile der Techniken (transitive Blockung, Verklemmungen).
hinterfragen die Vereinfachung des PCP durch stapelbezogene Grenzprioritäten.
bestimmen die Ablaufplanung unter Berücksichtigung von Blockierungszeiten und Selbstsuspendierung.
implementieren Zugriffskontrolle (NPCS, PI, PCP) in Echtzeitanwendungen mit eCos.
erläutern die Anforderungen an verteile Echtzeitsysteme (Komposition, Erweiterbarkeit, Komplexität, Ereignis- vs. Zustandsnachricht).
fassen die Grundlagen von Knoten, Netzwerkschnittstellen und Netzübergängen sowie die Konzepte der expliziten und impliziten Flusskontrolle zusammen.
erschließen sich typische Probleme (zeitliche Analyse, Beobachtbarkeit, Synchronisation, Rangfolge) und Fehlerquellen bei der Programmierung von Echtzeitanwendungen.