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BA Stuttgart, Studiengang Elektrotechnik, 5. HJ, Vorlesung: Realzeitsysteme 18.11.2008

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7) Vorstellung eines Realzeitbetriebssystems

Inhaltsverzeichnis

• Betriebssysteme

• Definition Realzeitbetriebssystem

• Grundlagen des Datenzugriffs auf die E/A Komponenten

• Vorstellung verschiedener RTOS

• VxWorks

• Echtzeitsystem Werkzeugmaschinensteuerungen

• Echtzeitsystem Robotersteuerungen

Roland Sanftmann, Fabian Zohm


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• Bei kleineren Anwendungen (Tachometer) kommt man meistens ohne einem Betriebssystem aus.

• Neben einer Digitalanzeige und einfachen Messfühlern ist keine

Ein-/Ausweise notwendig.• Die Aufgabe wird durch wenige Unterbrechungsprozesse und ein

Hautprogramm gelöst.• Ab einer gewissen Größe der Aufgabenstellung wird der Einsatz von

Betriebssysteme unabdingbar.

Einleitung für Betriebssystem


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Definition Betriebss

Definition eines Betriebssystems nach DIN 44300• Betriebssysteme sind die Programme eines digitalen Rechensystems, die

zusammen mit den Eigenschaften der Rechenanlage die Grundlage der möglichen Betriebsarten des digitalen Rechensystems bilden und insbesondere die Abwicklung von Programmen steuern und überwachen

Definition Betriebsmittel• Objekte, die die Rechenprozesse während des Ablaufs benötigen und auf

deren Zuteilung warten müssen.• Geräteeinheiten

– Prozessoren – Speicher– Peripheriegeräte wie Drucker

• Systemprogramme

Definitionen Betriebssystem


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• Häufig Mitlieferung vom Hersteller des Rechners• Effizientes Betriebssystem setzt genaue Kenntnis der Hardwarestruktur

voraus.• Größe :

– mehrere Kilo-Bytes bei Mikrorechnern– mehrere Mega-Bytes bei Großrechnern

• Integration von klassischen Betriebssystembestandteilen in Form von Halbleiterchips

Eigenschaften eines Betriebssystems


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• Dem Benutzter die Fähigkeiten des Rechensystems zugänglich machen– Dies ist nur durch Abstraktion und Generalisierung wegen der jeweiligen

unterschiedlichen Architekturen möglich – Zusammenfassung des Prozessors, des Hauptspeichers zu den

Betriebsmitteln– Das Betriebssystem kennt die Funktion eines Betriebsmittels und ist in der

Lage damit umzugehen.• Zuteilung der vorhandenen Betriebsmittel zu den konkurrierenden

Rechenprozessen – Scheduling

Aufgabenfelder Betriebssysteme


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• Es wird von einem Betriebssystem erwartet, dass es eine Plattform für eine vielseitig einsetzbare Arbeitsumgebung ist. Teil einer Arbeitsumgebung können sein

– Programmentwicklungsumgebung, bestehend aus Compilern, Editoren und Testwerkzeugen

– Graphische Oberflächen– Kommunikationsdienste im Rechnernetz– Datenbanken und Archivierungsdienste

• Erleichterung der Bedienung und Programmierung des Rechners und der angeschlossenen Geräte

– Form eines Treibers

Aufgabenfelder Betriebssysteme


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Definition eines Realzeitbetriebssystems nach DIN 44 300• RTOS (real time operationg system)• Ein Computersystem gilt als echtzeitfähig, wenn es innerhalb einer benenn-

und garantierbaren Zeit auf zufällige, externe Ereignisse reagieren kann.• Im industriellen Steuerungsumfeld sind Reaktionszeiten im

Mikrosekundenbereich ein unbedingtes muss. Typische Werte 5-60 Mikrosekunden.

Unterschied zu Betriebssystemen• Für Echtzeitbetriebssysteme spielt die Einhaltung von Zeitbedingungen eine

große Rolle.• Die Vorhersagbarkeit des Systemverhaltens ist elementar wichtig.

Definition Realzeitbetriebssystem


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• Sicherstellung der Unterbrechungsfähigkeit (Interruptverwaltung)• Sichere Verwaltung der Rechenprozesse und des Systemspeichers

(Taskverwaltung)• Definierte Reaktion auf Fehlerzustände (Fehlerverwaltung - und Behandlung)• Bereitstellung der Ressourcen zur Taskkommunikation und Synchronisation• Bereitstellung von Ressourcen zur Steuerung zeitlicher Abläufe• Organisation des Ablaufs der Rechenprozesse• Organisation der Speicherverwaltung • Organisation der Ein- und Ausgabe

Zusammenfassung der Aufgaben:• Verwaltung von Rechenprozessen und Betriebsmitteln unter Erfüllung

der Forderung nach Rechtzeitigkeit, Genauigkeit und Effizienz.

Aufgaben eines RTOS


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ems

Ein Echtzeitsystem besteht aus:• einem Rechnerteil (Hardware)• einem Echtzeitbetriebssystem mit den für die Anwendung angepassten

Bestandteilen, • einer Applikationssoftware

Ein Echtzeitbetriebssystem besteht aus:• Das RTOS besitzt einen Mikrokern

- Das ist ein effizienter Scheduler mit präzise definierten Schnittstellen• Das RTOS bilden eine Schale um den Mikrokern, die von

Applikationsprogrammen nicht durchdrungen wird• Der Mikrokern beinhaltet die Systemuhr, den Scheduler und die

Semaphorenverwaltung• Der Kern steuert die Rechenprozesse des Rechensystems und realisiert das

Ablaufen der Rechenprozesse.

Aufbau eines Echtzeitsystems


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ems

Die Merkmale eines harten Echtzeitsystems sind:• Unter keinen Umständen Verzögerungen zulassen• Ergebnisse sind nutzlos wenn sie zu spät erfolgten• Katastrophale Störungen wenn die Deadlines nicht eingehalten werden• Unendlich hohe Kosten für verpasste Deadlines

Die Beispiele für harte Echtzeitsystems sind:• Steuerung eines Kernreaktors • Antiblockiersystem• Überwachungssysteme auf einer Intensivstation• Digitalsteuerung im Airbus Flugzeug

Hartes Echtzeitsystem


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ems

Die Merkmale eines weichen Echtzeitsystems sind:• Niedrige Kosten beim verspäteten Eintreffen der Ergebnisse• Akzeptierung einer geringeren Performance bei einer Verspätung

Die Beispiele für weiche Echtzeitsystems sind:• Werkzeugrevolver• Digitale Telefonanlage• Steuerung unkritischer chemischer Prozesse• Verkaufsautomat

Weiches Echtzeitsystem


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Grundlagen des Datenzugriffs auf die E/A Komponente:

• Definition Device-Controller– Der Device-Controller ist die elektronische Komponente der E/A Geräte.

(Gerätesteuerung).– Die Aufgaben sind die Konvertierung des seriellen Bitstroms in

Datenblöcke, sowie das Durchführen einer Fehlerkorrektur und das Verfügbarmachen der Daten für die CPU.

• Kommunikation der CPU mit dem Device-Controller– Jeder Controller hat einige Steuerungsregister in welche die CPU Befehle

mit Parametern schreiben kann.– Zusätzlich haben viele Geräte einen Datenpuffer, der vom Betriebssystem

geschrieben oder gelesen werden kann.

Grundlagen des Datenzugriffs


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Grundlagen Zugriff auf die Geräte:• Polling

- Nach dem Absetzen eines Befehls an das Gerät wird der Status ständig abgefragt

• Interrupts

- Werden von Geräten verwendet um das Ende eines Vorgangs anzuzeigen

- Die CPU wird unterbrochen und beginnt etwas Neues, abhängig vom

auslösendem Gerät wird ein Interrupt-Handler aufgerufen und ausgeführt.

- Später macht die CPU an der alten Stelle weiter

Polling / Interrupts


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Grundlagen Zugriff auf die Geräte:• Direct Memory Access DMA

– I/O kann mittels DMA deutlich beschleunigt werden, da die CPU weniger belastet wird

– Prinzip: Vergabe einer Aufgabe an den DMA-Controller. Die CPU kann in der Zwischenzeit andere Dinge erledigen.

– Ablauf eines DMA-Transfers

Direct Memory Access


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ems

1. Ist das RTOS überhaupt notwendig? • Ein RTOS sollte nur bei Multitaskingsystemen eingesetzt werden • Es muss genügend Arbeitsspeicher zur Verfügung stehen. Dies ist beim Entwurf

zu beachten

2. Das Betriebssystemvehalten muss bekannt sein • Die Interrupt Verzögerungszeit (Zeit zwischen Interrupt und Tasklaufzeit)• Zeitdauer für jeden Systemaufruf• Die maximale Zeit, die das Betriebssystem und der Treiber benötigen um einen

Interrupt zu verarbeiten

Fazit : • Es ist kein RTOS auf dem Markt verfügbar, das für jede Applikation die otpimale

Lösung bietet.• Aus der Projektspezifikation für die Applikation ein Anforderungskatalog

erstellen.• Am Schluss gelangt man zu einer RTOS dessen Eigenschaft am besten für die

spezielle Applikation sind.

Kriterien zur Auswahl eines RTOS


Seite 16FPP, FPNFPP, FPN,

Timeslice,FPP, FPN, Timeslice,

FPP, FPN, Timeslice,

FPP, FPN, Timeslice,

FPP,FPN, Timeslicem, Benutzerdef.

FPP, FPN, Timeslice, FIFO

Scheduling

--CAN, Profibus,

Interbus S

CAN, Profibus

---Feldbus

TCP/IP-TCP/IPTCP/IPTCP/IP, UDP

TCP/IP, UDPTCP/IPNetzwerk

Windows-X-WinX-WinX-WinX-WinX-WinGUI

Windows-WindowsUnix, Windows

Unix, Windows

UnixUnix, Windows

Datei-system

C, C++, JavaCC, C++, Java

C, C++, Java

C, C++, Java

C, C++, Java, Ada

C, C++Sprachen

IA32, PowerPC, MIPS, ARM

Diverse Mikro-controller

IA32, PowerPC, 680XX

IA32, PowerPC, 680XX, div. Mirko-controller

IA32, PowerPC, ARM

IA32, IA64, PowerPC

IA32Zielsystem

EBSMEBSEBSEBSBAStandard für EBS, BA

DS, EBSTyp

MicrosoftCMX Systems

MicrowareWind RiverGPL (GNU Public License)

PosixQNX Software Systemes Ldt.

Hersteller

Windows CE

CMXOS-9VxWorksRT-LinuxPOSX.4QNXProdukt


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Beschreibung:• QNX basiert auf der Idee, den Großteil des Systems in Form kleiner

"Aufgaben" (Tasks) auch bekannt als Server, laufen zu lassen.• Dabei läuft jeder Task bzw. Prozess in einem eigenen, geschützten

Speicherbereich - egal ob es sich dabei um eine Applikation oder um einen Treiber handelt.

• Dies erleichtert Entwicklern die Fehlersuche: Versucht Prozess A versehentlich Daten oder Code von Prozess B zu überschreiben, merkt der QNX-Mikrokern dies sofort und gibt eine entsprechende Meldung aus.

• Im Falle QNX erlaubt der Mikrokern dem Nutzer (Entwickler), jegliche von ihm nicht benötigte Funktionalität (z. B. Audio, Grafik aber auch beliebige andere Systemteile) wegzulassen.

• Das System ist sehr klein und gilt als sehr schnell.• sehr fortschrittlich, speziell für den Entwickler, da das Betriebssystem an die

Bedürfnisse skalierbar ist.

Vorstellung von QNX


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7) Vorstellung eines RealzeitbetriebssystemsQNX-Architektur

Das

ist

der

Des

kto

p v

on Q

NX

Der Browser namens Voyager von QNX

Der Editor namens PED von QNX

Der File-manager namens PFM von QNX


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Werkzeugmaschine

• Der Begriff Werkzeugmaschine bezeichnet alle Maschinen, die zur Bearbeitung von Werkstücken mit Werkzeugen dienen.

• Zur Formgebung des Werkstücks erzeugt die Werkzeugmaschine eine Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück.

Universal- Werkzeugmaschine

(fräsen, bohren, drehen, stossen

und gravieren)

Historische Wälzfräsmaschine

(zur Zahnradherstellung)


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Werkzeugmaschinensteuerungen

Eine elektronische Methode zur Steuerung und Regelung von Werkzeugmaschinen ist

eine Werkzeugmaschinensteuerung.

• NC – Numerical Control → Werden direkt durch NC-Befehle gesteuert

• CNC – Computer Numerical Control → Die Steuerung erfolgt über einen Computer

Siemens Sinumerik

Diese CNC kann als eine Steuerung für

unterschiedliche Werkzeugmaschinen der

Technologien Fräsen, Drehen, Schleifen,

Nibbeln, Stanzen, Handling, Blechumformung,

Zahnradbearbeitung etc. eingesetzt werden.


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EchtzeitsystemWerkzeugmaschinensteuerungen

Eine NC/CNC realisiert eine Steuerung, bei der Art und Reihenfolge bestimmter

Fertigungsschritte für ein Werkstück in einem Programm festlegt.

→ Zur Steuerung ist deshalb ein Echtzeitsystem nötig.

- Es müssen viele Tasks zeitrichtig und parallel ausgeführt werden.

- Weiter muss überwacht werden, dass Achsen, einzelner Maschinen, nicht über

vordefinierte Grenzen hinaus bewegt werden.

CNC-Steuerungen haben zeitliche Auflösungen der Bewegungsregelung von

125 µs = 0,000125s


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Softwarereferenzmodell einer NC

ServosteuerungAntrieb 1 … Antrieb n

Filesystem, Teilprogramme

Taskverwaltung

Tasksteuerung

Speicher-verwaltung

Netzwerke TCP/IP

Echtzeit-betriebssystem

Editor

Programmier-system

Bedienoberfläche

Visualisierung

LAN-Kommunikation

MMKMensch-

Maschine-Kommunikation

NC-Datenmanagment

Lokaler SpeicherInterpreterVorbereitungInterpolationTransformation

Kanal 1

Lageregler

.

.

.Kanal n

NCKNumerische Kersteuerung

SPS

Maschinenlogik

Betriebsarten

Schaltbefehle

Prozess – E / A

Aktoren, Sensoren

Gerätetreiber


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NC - Systemprogramm

Pro

gram

mie

rung

Vis

ualis

ieru

ng

Bed

ieno

berf

läch

e

Kom

mun

ikat

ion

Inte

rpre

ter

SP

S

Vor

bere

itung

Inte

rpol

atio

n

Lage

rege

lung

Graphik Bibliothek

- GUI- Windows Oberfläche

Echtzeit-datenbank

z.B. für NC-Programme,Geometrie und Prozessdaten

...

Echtzeitbetriebssystem- Taskverwaltung, Intertaskkommunikation, Synchronisation, Scheduling, Speicherverwaltung- Filesystem für NC-Datenmanagment- Gerätetreiber: Interrupt, OMA, SCSI,…

NC-Sterungshardwareplattform- PC-Technologie: PCI-Bus,…- VME-Bus Automatisierungssystem- Embedded System: Mikrocontroller,...


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Robotersteuerung

• Ein Industrieroboter ist eine universelle, programmierbare Maschine zur Handhabung, Montage oder Bearbeitung von Werkstücken. Diese Roboter sind für den Einsatz im industriellen Umfeld konzipiert.

• Jeder Industrieroboter hat eine Steuerung, die die Bewegungsabläufe regelt.

KUKA - IndustrieroboterVorne ein 6-Achs-Knickarmroboter, dahinter ein 4-Achs-Palettier-Roboter.


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Robotersteuerung

• Für die Koordination der einzelnen Achsen zuständig.

• Hauptaufgabe, dass der Greiferflansch sich mit der gewünschten Genauigkeit und Geschwind- igkeit entlang der geforderte Bahn bewegt.

• Für die Verarbeitung der Sensorsignale am Greifer (Eingänge) und für die Greiferaktoren (Ausgänge) verantwortlich.

• Der gesamte applikationsspezifische Funktionsablauf der Roboterzelle muss verarbeitet werden (Ablauf zusammen mit den Förderbändern, etc).


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Softwarereferenzmodell für eine RC

Roboter, ext. Achsen

Dateisystem

Task Manager

Task Kommunikation

SpeicherManager

Netzwerke

Betriebssystem

Aktoren, Sensoren

Gerätetreiber

Editor

Compiler

Interpreter

Sprachsystem

Bedienoberfläche

Befehlshandling

Benutzer

Benutzer-schnittstelle

Planung

Interpolation, Transformation

Bewegungs-steuerung

Interpolation, Transformation

Technologiesteuerung

SPS

Sensor-daten

Cond.Handl.

Zyklische E/A


Seite 29

Roboter-Softwarearchitektur

Kommunikationsschnittstelle

Windows NT

Scheduler

Echtzeitkern

Kom

mun

ikat

ions

schn

ittst

elle

Programm-entwicklungs-

tools

Grafische Benutzer-

schnittstelle

Steuerungs-programm-

ierung

Roboter-simulation

Hilfen

Sprach-system

Interpreter

Bewegungs-steuerung

TechnologieE/A, Interrupt

Sensordaten-verarbeitung

Feldbusse


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Quellen

Internethttp://www4.informatik.uni-erlangen.de/Lehre/WS03/V_PA/Skript/stp1-pa-ws03-kapitel5.pdf

(Seiten 1-20 und 33-35)

http://www.itm.uni-luebeck.de/teaching/ws0607/bs/BS-WS0607-Kap06-BS-IO.pdf?lang=de

http://www.michael-prokop.at/computer/qnx.html

http://www.palettierroboter.com/index.html

http://www.wikipedia.org/

Bücher• Echtzeitsysteme von Heinz Wörn, Uwe Brinkschulte (Springer Verlag Berlin Heidelberg 2005)• Echtzeitsysteme „Grundlagen und Techniken“ von Dieter Zöbel, Wolfgang Albrecht

(Thomson Publishing GmbH 1995)

Date post:	05-Apr-2015
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