RTOS-Grundlagen und Anwendung: Mechanismen und deren Einsatz in Laufzeit-Architekturen für Embedded- und Echtzeitsysteme - Präsenz-Training

RTOS-Grundlagen und Anwendung: Mechanismen und deren Einsatz in Laufzeit-Architekturen für Embedded- und Echtzeitsysteme - Präsenz-Training

Inhalt

Allgemeine Einführung in Echtzeitbetriebssysteme

• Wichtige Grundbegriffe (Betriebssystem, Echtzeit, Task, Multitasking, Scheduler)
• Klassifikation von Embedded-Systemen
• Klassifikation von Betriebssystem-Arten
• Anforderungen an Betriebssystem, Hardware, Entwicklungstools
• Lizenzmodelle
• Betriebssystem-Abstraktionsschicht (OSAL Operating System Abstraction Layer)
• POSIX (pThread)
• Nutzen, Vorteile und Nachteile beim Betriebssystem-Einsatz
• Praxisbeispiel: Aufteilung einer Applikation in Tasks

Prozess-/Thread-/Task-Management

• Differenzierung zwischen Prozess, Task und Thread
• Taskzustände und Übergänge
• Taskeigenschaften und Mehrfachinstanziierung
• Spezifische Tasks
• Task-Kontext-Umschaltung und Hook-Routinen
• Designaspekte für Tasks
• Scheduler und deren Algorithmen (Endless Loop, Time-triggerd, Priority, Time-slice, Round-Robin, EDF Earliest Deadline First)
• Scheduler-Funktionalität und Designaspekte
• Die richtige Scheduler-Auswahl treffen
• Typische Anwendungen in Embedded-Software-Applikationen
• API (Application Programming Interface) Beispiele
• Übung: Sie programmieren eine Task, instanziieren diese zweimal mit unterschiedlichen Prioritätskombinationen und werten das Verhalten aus

Interrupt Management

• Interrupt-Bearbeitung mit und ohne Betriebssystem
• Interrupt-Latenzzeit und Interrupt-Blockierzeit
• Priorisierung
• Interrupt-Serviceroutinen
• Interrupt-Threads/Tasks
• Designhinweise
• API (Application Programming Interface) Beispiele
• Übung: Sie programmieren eine Interrupt-Service-Routine und eine Task, um einen AD-Wandler zu servicen

Time Management

• Systemtick und Konfiguration
• Delay-, Timeout-, Intervall-, Software-Watchdog-, Alarm-Timer
• Typische Anwendungen in Embedded-Software-Applikationen
• API (Application Programming Interface) Beispiele
• Übung: Sie programmieren eine Intervall-Timer-gesteuerte Taskausführung

Koordinationsmechanismen: Synchronisation

• Events, Signals: global, local, einzeln, als Gruppe, mit / ohne Parameter
• Semaphore, Promise und Future
• Typische Anwendungen in Embedded-Software-Applikationen
• API (Application Programming Interface) Beispiele
• Übung: Sie programmieren eine Synchronisation zwischen einer Interrupt-Service-Routine und einer Task

Koordinationsmechanismen: Ressourcen-Management

• Race Conditions
• Ressource: Definition, Granularität und Blockierzeiten
• Semaphore, Mutex, Critical Section, Condition Variable, Spinlock
• Problemsituationen: Deadlock und Priority Inversion
• Lösungen: Priority Inheritance, Priority Ceiling u.a.
• Reader/ Writer Patterns
• Typische Anwendungen in Embedded-Software-Applikationen
• API (Application Programming Interface) Beispiele
• Übung: Sie programmieren einen geschützten Zugriff von zwei Tasks auf eine gemeinsam genutzte Ressource

Kommunikationsmechanismen

• Nachrichtenkonzepte: System-lokal und System-übergreifend
• Shared-Memory, Mailbox, Queue, Message Buffer, Pipe, Message Based, Socket
• Typische Anwendungen in Embedded-Software-Applikationen
• API (Application Programming Interface) Beispiele
• Übung: Sie programmieren die Kommunikation zwischen einer Interrupt-Service-Routine und einer Task sowie zwischen zwei Tasks mit dem Mailbox-Konzept

Speichermanagement

• Speichersegmente (BSS, Stack, Heap)
• Stack-Überwachung
• Dynamisches Speichermanagement
• Pool-Allocation-Pattern: Speicherpools und Speicherblöcke
• MPU (Memory Protection Unit) und MMP (Memory Management Unit) Unterstützung
• Typische Anwendungen in Embedded-Software-Applikationen
• API (Application Programming Interface) Beispiel
• Risiken erkennen und Stolpersteine vermeiden

Input/Output Management

• Softwareschichten-Architektur
• Treiberkonzepte
• Beispiele mit serieller und Ethernet-Kommunikation
• Typische Anwendungen in Embedded-Software-Applikationen
• API (Application Programming Interface) Beispiel

Debugging auf der Ebene von Betriebssystem-Mechanismen

• Trace auf Betriebsmittelebene
• Vorstellung und Bewertung verschiedener Trace-Möglichkeiten und Darstellungsformen
• Vorführung mit Logik-Analyzer und professionellen Trace Tools (Percepio Tracealyzer und ARM Keil MDK)

Vorgehensweise beim Entwurf von Embedded- und Echtzeitsoftware

• Von der Idee zur fertigen Laufzeitarchitektur
• Laufzeitarchitektur-Pattern und deren Einsatz für konkrete Aufgabenstellungen
• Transformation einer bestehenden Software-Architektur ohne Betriebssystem auf eine mit Betriebssystem unter optimaler Ausnutzung der Betriebssystem-Mechanismen
• Vorstellung und Vergleich verschiedener Laufzeitarchitektur-Konzepte - mit, aber auch ohne Betriebssystem
• Vorhersagbarkeit und Berechenbarkeit der verschiedenen Laufzeitarchitektur-Konzepte
• Auswahlhilfen für das "richtige" Laufzeitarchitektur-Konzept
• Praxisbeispiel Messgeräte-Applikation
• Übung: Sie entwickeln auf Basis von ausformulierten Anforderungen und einer Software-Architektur eine dazu passende Laufzeitarchitektur für ein real existierendes Embedded-System

Multicore- und Multiprozessor-Aspekte

• Hardware- und Software-Architekturen
• Aufgabenverteilung
• Möglichkeiten des Betriebssystem-Einsatzes
• Virtualisierung und Hypervisor
• Interrupt- und Treiber-Konzepte
• Wichtige Designaspekte

Dokumentation und Kommunikation

• Die geeignete Darstellungsform einer Laufzeitarchitektur
• Auszüge aus der UML (Unified Modeling Language)
• Praxistipps
• Übung: Sie nutzen Notationen und Diagramme der UML zur Darstellung der Laufzeitarchitektur

Betriebssystem-Abstraktion (OSAL Operating System Abstraction Layer)

• Nutzendarstellung, Vor- und Nachteile
• Programmierung
• Praxisbeispiel mit FreeRTOSTM

Betriebssystem-Auswahlhilfen und aktuelle Produktübersicht

• Leitfaden zur Betriebssystem-Auswahl
• Praxistipps zum Vergleich von Betriebssystemen
• Aktuelle Produktübersicht für Embedded-Software
• Checkliste mit wichtigen Auswahlkriterien

Praktische Übungen

• In der durchgängigen Programmierübung nutzen Sie Betriebssystem-Mechanismen, um Schritt für Schritt eine Messgeräte-Applikation zu entwickeln.
• Zur Übungsdurchführung verwenden Sie das Arm Keil MDK (Microcontroller Development Kit) zusammen mit einer realen Hardware basierend auf einem Arm Cortex® Mikrocontroller.
• Als Echtzeit-Betriebssystem wählen Sie zwischen FreeRTOS™ oder dem CMSIS-RTOS Standard als Betriebssystem-Abstraktion.
• Sie entwickeln und dokumentieren eine Laufzeitarchitektur für eine komfortable Elektromotor-Steuerung und setzen dazu Betriebssystem-Mechanismen ein.
• Zur Übungsdurchführung nutzen Sie wahlweise den Enterprise Architect von Sparx Systems oder Papier und Bleistift.

MicroConsult Plus:

• Sie erhalten von uns Ihre Übungsverzeichnisse und Lösungsbeispiele für alle Übungsaufgaben.
• Sie erhalten zur Messgeräte-Applikation den Programmcode und ein UML-Modell sowie zur Elektromotor-Steuerung ebenfalls ein UML-Modell.
• Sie erhalten eine Tool- und Software-Komponentenübersicht inklusive einer aktuellen Betriebssystem-Übersicht.
• Sie erhalten zudem eine Checkliste mit Betriebssystem-Auswahlkriterien.
• Sie bekommen hilfreiche Notationsübersichten für UML (Unified Modeling Language) und SysML (Systems Modeling Language).