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Echtzeitbetriebssystem Ein englisch real time operating system kurz RTOS genannt ist ein Betriebssystem in der elektroni

Echtzeitbetriebssystem

Ein Echtzeitbetriebssystem (englisch real-time operating system, kurz RTOS genannt) ist ein Betriebssystem in der elektronischen Datenverarbeitung, das in der Lage ist, Echtzeit-Anforderungen der Anwendungen zu erfüllen. Dies bedeutet, dass Anfragen eines Anwendungsprogramms oder das Eintreffen von Signalen über Hardware-Schnittstellen innerhalb einer im Voraus bestimmbaren Frist (Timeout ) gesichert verarbeitet werden. Entscheidend ist hier nicht die Länge der Frist, sondern dass es überhaupt eine Frist gibt, deren Einhaltung zugesichert werden kann.

Das Erfordernis eines Echtzeitbetriebssystems ergibt sich immer dann, wenn Rechner mit der physikalischen Welt messend und/oder steuernd in Verbindung stehen. Das ist das qualitative Erfordernis eines Echtzeitbetriebssystems.

Die quantitative Anforderung an dessen Echtzeitverhalten ergibt sich aus dem Anwendungsfall selbst. So sind zum Beispiel bei einer Heizungssteuerung längere -Werte anwendbar als bei der Auslösung eines Airbags. Zusammen mit dem vorher Gesagten ergibt sich, dass nicht jedes Echtzeitbetriebssystem für jede Echtzeitanwendung geeignet ist.

Theoretische Überlegungen Bearbeiten

Da zur Definition keine bestimmten -Werte für die Betriebssystemaufrufe gefordert sind, sondern diese nur bestimmbar sein und festliegen müssen, ist theoretisch jedes Betriebssystem ein Echtzeitbetriebssystem, bei dem es eine obere Schranke für die Anzahl der Prozesse gibt und dessen Systemdienste ausschließlich aus LOOP-Programmen, also aus primitiv-rekursiven Funktionen bestehen. Die anwendbaren -Werte ließen sich dann errechnen. Allerdings sind die sich so ergebenden Werte für jede praktische Anwendung zu groß. Dies rechtfertigt den Begriff Echtzeitbetriebssystem als eigene Klasse von Betriebssystemen mit eigenen Anforderungen, bei dessen Erstellung die Echtzeit-Eigenschaft besonders berücksichtigt wird. Das sporadische und gemeinhin bekannte Verhalten von Desktop-Betriebssystemen für eine Weile „einzufrieren“ ist für RTOS nicht hinnehmbar.

Anforderungen an Echtzeitbetriebssysteme Bearbeiten

Präemptives Multitasking Bearbeiten

Ein Echtzeitbetriebssystem, das über Multitasking verfügt, muss zwingend mit präemptivem Multitasking arbeiten, da bei kooperativem Multitasking einem Prozess durch einen zweiten bis zum Erreichen des Timeouts die CPU entzogen werden könnte. Mit dieser Anforderung einher geht auch das Erfordernis einer Interrupt-Infrastruktur der CPU.

Vorhersagbares Zeitverhalten der Systemaufrufe Bearbeiten

Echtzeitbetriebssysteme müssen auch im ungünstigsten Fall die Einhaltung definierter Verarbeitungszeiten von Systemaufrufen garantieren. Dies betrifft vor allem das Scheduling und die Speicherverwaltung. Falls die Bearbeitung einer Anforderung zur Zuweisung von Speicher die Durchführung einer Garbage Collection provozieren kann, weil der Freispeicher erschöpft ist, dann verschlechtert sich das zusagbare Echtzeitverhalten dramatisch und mindestens auf die maximale Laufzeit einer Garbage Collection.

Vorhersagbare Reaktionszeiten auf Ereignisse Bearbeiten

Unter Ereignis ist jede von außen her rührende Zustandsänderung gemeint, die für eine Echtzeitanwendung von Bedeutung ist. Das kann das Eintreffen eines Datenpaketes, das Sichändern eines Bits an einem Port und Ähnliches sein. In einer realen Anwendung kann dies etwa die Verfügbarkeit neuer Messdaten, den Druck auf eine Taste oder das Überschreiten eines zulässigen Bereiches durch einen Messwert bedeuten. Ein Echtzeitbetriebssystem muss dann sicherstellen können, dass die hierzu erforderliche Reaktion, die zumeist in der Aktivierung einer zum Ereignis gehörenden Dienstroutine der Anwendung besteht, innerhalb einer im Voraus festliegenden Frist erfolgt.

Frühe Formen der Echtzeitverarbeitung Bearbeiten

In frühen Echtzeitanwendungen wurde die garantierte Antwortzeit auf Ereignisse vor allem durch unmittelbare Nutzung von Hardware-Interrupts durch das Anwendungsprogramm selbst realisiert. Dazu senkt oder hebt (je nach Logik) der Anforderer das Potential auf einem IRQ genannten Pin der CPU. Die CPU stoppt dann sofort die Arbeit am aktuell ausgeführten Programm, legt den aktuellen Programmzähler auf den CPU-Stack, entnimmt einer Interrupt-Vektor-Tabelle die Adresse der zugehörigen Interrupt-Service-Routine und springt diese an. Gleichzeitig wird der Interrupt maskiert, sodass er nicht direkt wieder ausgelöst werden kann. Die Interrupt-Service-Routine behandelt dann das Ereignis, demaskiert den Interrupt und beendet sich dann über einen meistens RETI (Return from Interrupt) genannten Befehl. Die CPU springt dann zurück an die Programmstelle, an der sie die Programmabarbeitung unterbrochen hatte.

Die Nutzung von Hardware-Interrupts seitens der Anwendung selbst wird durch ein Echtzeitbetriebssystem entbehrlich.

Anwendungsbereiche Bearbeiten

Echtzeitbetriebssysteme kommen immer dort zum Einsatz, wo das Überschreiten maximaler Antwortzeiten bei Antwort auf Ereignisse unmittelbare Schäden verursacht. Das sind insbesondere Maschinenbau, Steuerungstechnik und Robotik. Dort, speziell in Anwendungsbereichen, von denen Gefahr für Leib und Leben ausgeht, wie Medizintechnik und Fly-by-Wire, sind Echtzeitbetriebssysteme (beziehungsweise ein Echtzeitverhalten) unabdingbar.

Implementierungen Bearbeiten

Siehe auch Bearbeiten

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. ITWissen:RTOS (real time operating system). 12. Juli 2015, abgerufen am 14. September 2018.

Weblinks Bearbeiten

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Ein Echtzeitbetriebssystem englisch real time operating system kurz RTOS genannt ist ein Betriebssystem in der elektronischen Datenverarbeitung das in der Lage ist Echtzeit Anforderungen der Anwendungen zu erfullen 1 Dies bedeutet dass Anfragen eines Anwendungsprogramms oder das Eintreffen von Signalen uber Hardware Schnittstellen innerhalb einer im Voraus bestimmbaren Frist Timeout t max displaystyle t text max gesichert verarbeitet werden Entscheidend ist hier nicht die Lange der Frist sondern dass es uberhaupt eine Frist gibt deren Einhaltung zugesichert werden kann Das Erfordernis eines Echtzeitbetriebssystems ergibt sich immer dann wenn Rechner mit der physikalischen Welt messend und oder steuernd in Verbindung stehen Das ist das qualitative Erfordernis eines Echtzeitbetriebssystems Die quantitative Anforderung an dessen Echtzeitverhalten ergibt sich aus dem Anwendungsfall selbst So sind zum Beispiel bei einer Heizungssteuerung langere t max displaystyle t text max Werte anwendbar als bei der Auslosung eines Airbags Zusammen mit dem vorher Gesagten ergibt sich dass nicht jedes Echtzeitbetriebssystem fur jede Echtzeitanwendung geeignet ist Inhaltsverzeichnis 1 Theoretische Uberlegungen 2 Anforderungen an Echtzeitbetriebssysteme 2 1 Praemptives Multitasking 2 2 Vorhersagbares Zeitverhalten der Systemaufrufe 2 3 Vorhersagbare Reaktionszeiten auf Ereignisse 3 Fruhe Formen der Echtzeitverarbeitung 4 Anwendungsbereiche 5 Implementierungen 6 Siehe auch 7 Einzelnachweise 8 WeblinksTheoretische Uberlegungen BearbeitenDa zur Definition keine bestimmten t max displaystyle t text max nbsp Werte fur die Betriebssystemaufrufe gefordert sind sondern diese nur bestimmbar sein und festliegen mussen ist theoretisch jedes Betriebssystem ein Echtzeitbetriebssystem bei dem es eine obere Schranke fur die Anzahl der Prozesse gibt und dessen Systemdienste ausschliesslich aus LOOP Programmen also aus primitiv rekursiven Funktionen bestehen Die anwendbaren t max displaystyle t text max nbsp Werte liessen sich dann errechnen Allerdings sind die sich so ergebenden Werte fur jede praktische Anwendung zu gross Dies rechtfertigt den Begriff Echtzeitbetriebssystem als eigene Klasse von Betriebssystemen mit eigenen Anforderungen bei dessen Erstellung die Echtzeit Eigenschaft besonders berucksichtigt wird Das sporadische und gemeinhin bekannte Verhalten von Desktop Betriebssystemen fur eine Weile einzufrieren ist fur RTOS nicht hinnehmbar Anforderungen an Echtzeitbetriebssysteme BearbeitenPraemptives Multitasking Bearbeiten Ein Echtzeitbetriebssystem das uber Multitasking verfugt muss zwingend mit praemptivem Multitasking arbeiten da bei kooperativem Multitasking einem Prozess durch einen zweiten bis zum Erreichen des Timeouts die CPU entzogen werden konnte Mit dieser Anforderung einher geht auch das Erfordernis einer Interrupt Infrastruktur der CPU Vorhersagbares Zeitverhalten der Systemaufrufe Bearbeiten Echtzeitbetriebssysteme mussen auch im ungunstigsten Fall die Einhaltung definierter Verarbeitungszeiten von Systemaufrufen garantieren Dies betrifft vor allem das Scheduling und die Speicherverwaltung Falls die Bearbeitung einer Anforderung zur Zuweisung von Speicher die Durchfuhrung einer Garbage Collection provozieren kann weil der Freispeicher erschopft ist dann verschlechtert sich das zusagbare Echtzeitverhalten dramatisch und mindestens auf die maximale Laufzeit einer Garbage Collection Vorhersagbare Reaktionszeiten auf Ereignisse Bearbeiten Unter Ereignis ist jede von aussen her ruhrende Zustandsanderung gemeint die fur eine Echtzeitanwendung von Bedeutung ist Das kann das Eintreffen eines Datenpaketes das Sichandern eines Bits an einem Port und Ahnliches sein In einer realen Anwendung kann dies etwa die Verfugbarkeit neuer Messdaten den Druck auf eine Taste oder das Uberschreiten eines zulassigen Bereiches durch einen Messwert bedeuten Ein Echtzeitbetriebssystem muss dann sicherstellen konnen dass die hierzu erforderliche Reaktion die zumeist in der Aktivierung einer zum Ereignis gehorenden Dienstroutine der Anwendung besteht innerhalb einer im Voraus festliegenden Frist erfolgt Fruhe Formen der Echtzeitverarbeitung BearbeitenIn fruhen Echtzeitanwendungen wurde die garantierte Antwortzeit auf Ereignisse vor allem durch unmittelbare Nutzung von Hardware Interrupts durch das Anwendungsprogramm selbst realisiert Dazu senkt oder hebt je nach Logik der Anforderer das Potential auf einem IRQ genannten Pin der CPU Die CPU stoppt dann sofort die Arbeit am aktuell ausgefuhrten Programm legt den aktuellen Programmzahler auf den CPU Stack entnimmt einer Interrupt Vektor Tabelle die Adresse der zugehorigen Interrupt Service Routine und springt diese an Gleichzeitig wird der Interrupt maskiert sodass er nicht direkt wieder ausgelost werden kann Die Interrupt Service Routine behandelt dann das Ereignis demaskiert den Interrupt und beendet sich dann uber einen meistens RETI Return from Interrupt genannten Befehl Die CPU springt dann zuruck an die Programmstelle an der sie die Programmabarbeitung unterbrochen hatte Die Nutzung von Hardware Interrupts seitens der Anwendung selbst wird durch ein Echtzeitbetriebssystem entbehrlich Anwendungsbereiche BearbeitenEchtzeitbetriebssysteme kommen immer dort zum Einsatz wo das Uberschreiten maximaler Antwortzeiten bei Antwort auf Ereignisse unmittelbare Schaden verursacht Das sind insbesondere Maschinenbau Steuerungstechnik und Robotik Dort speziell in Anwendungsbereichen von denen Gefahr fur Leib und Leben ausgeht wie Medizintechnik und Fly by Wire sind Echtzeitbetriebssysteme beziehungsweise ein Echtzeitverhalten unabdingbar Implementierungen BearbeitenADwin ChibiOS ChorusOS DRYOS eCos embOS FreeRTOS Integrity iRMX LynxOS MicroC OS II Nucleus NuttX OS 9 PDOS PEARL Operating System PikeOS QNX Real Time Executive RTE RTEMS RIOT Betriebssystem Rodos Betriebssystem RSX 11 RT 11 RTAI RTLinux RTOS 32 RTOS UH RTX Real Time eXtensions fur Windows T Engine ThreadX Transaction Processing Facility TRON TTP OS VxWorks Windows CE Zephyr Betriebssystem Siehe auch BearbeitenEchtzeitsystemEinzelnachweise Bearbeiten ITWissen RTOS real time operating system 12 Juli 2015 abgerufen am 14 September 2018 Weblinks BearbeitenReal Time Linux Foundation Inc Sammlung von verschiedenen Linux Echtzeitbetriebssystemen englisch Eine Liste von kommerziellen Echtzeitbetriebssystemen englisch Englische Wikipedia Seite mit einer Tabelle von EZBSen Selbstoptimierendes Echtzeitbetriebssystem fur verteilte selbstoptimierende Systeme PDF 150 kB Foliensatz der auf NASA Satelliten eingesetzten Echtzeitbetriebssystemen NASA Alan Cudmore November 2007 englisch Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Echtzeitbetriebssystem amp oldid 232509783