DE10000571A1

DE10000571A1 - Verfahren zur Erweiterung eines nicht-echtzeitfähigen Betriebssystems mit einem echtzeitfähigen Programm, basierend auf 2 unabhängigen Zeitgebern

Info

Publication number: DE10000571A1
Application number: DE2000100571
Authority: DE
Inventors: Juergen Rall
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-01-10
Filing date: 2000-01-10
Publication date: 2001-07-19

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Erweiterung eines nicht-echtzeitfähigen Betriebssystems mit einem echtzeitfähigen Programm, basierend auf 2 unabhängigen Zeitgebern. DOLLAR A Echtzeitfähige Betriebssysteme kennzeichnen sich durch ein deterministisches Zeitverhalten bzgl. der Ausführungszeiten und den Reaktionszeiten. Nicht-echtzeitfähige Betriebssysteme besitzen kein oder nur ein schwach ausgeprägtes deterministisches Zeitverhalten, jedoch gute Visualisierungsmöglichkeiten und Entwicklungsstandards. Eine Kombination der Eigenschaften ist sinnvoll, insbesondere wenn das Betriebssystem für Steuerungsaufgaben in der Automations- oder Messtechnik eingesetzt werden soll. DOLLAR A Das Verfahren beruht auf der Trennung des bestehenden nicht-echtzeitfähigen Betriebssystems von seiner hoch-prioren System-Takt-Quelle und dessen Anbindung an eine zweite, nieder-priore Takt-Quelle (z. B. interne PC-Echtzeit-Uhr, externe Takt-Quelle). Die freigewordene hoch-priore System-Takt-Quelle wird nun für das echtzeitfähige Programm eingesetzt. Das nicht-echtzeitfähige Betriebssystem ist bei diesem Verfahren von dem echtzeitfähigen Programm asynchron entkoppelt und die Takt-Quellen voneinander unabhängig.

Description

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Erweiterung eines nicht-echtzeitfähigen Betriebssystems mit einem echtzeitfähigen Programm, basierend auf 2 unabhängigen Zeitgebern.

Echtzeitfähige Betriebssysteme kennzeichnen sich durch ein deterministisches Zeitverhalten bzgl. der Ausführungszeiten (z. B. zeitgenaues aktivieren von Signalen) und den Reaktionszeiten (Latenzzeiten, z. B. vom Eintreffen eines Sensorsignals bis zur programmtechnischen Abarbeitung). Darüberhinaus besitzen echtzeitfähige Multitasking-Betriebssysteme ein deterministisches Zeitverhalten ihrer Programm-Umlaufzeit (Task-Umschaltzeit).

Nicht-Echtzeitfähige Betriebssysteme besitzen kein, oder nur ein schwach ausgeprägtes deterministisches Zeitverhalten. Die Programm-Umlaufzeit, als auch Latenzzeiten können stark variieren, bis zum völligen Stillstand. Sie zeichnen sich jedoch in der Regel durch gute Visualisierungsmöglichkeiten aus und ermöglichen eine standardisierte Bedienerführung, sowie den Einsatz von standardisierten Entwicklungswerkzeugen.

Eine Kombination der Eigenschaften ist daher sinnvoll, insbesondere wenn das Betriebssystem für Steuerungsaufgaben in der Automations- oder Messtechnik eingesetzt werden soll.

Problemstellung

Die Programm-Umlaufzeit bei einer PC-basierenden Plattform wird durch den System-Interrupt (IRQ0) vorgegeben, welcher vom systemeigenen Zeitgeber erzeugt wird. Nicht-echtzeitfähige Multitasking- Betriebssysteme verwalten die Umlaufzeit der einzelnen Programme prioritätsgesteuert, welches hoch-priore Programme gegenüber nieder-prioren bevorzugt. Im schlechtesten Fall wird daher ein nieder-priores Programm vom Prozessor nicht mehr behandelt. Ein deterministisches Verhalten kann hierbei nur dem höchst-prioren Programm, bzw. dem Verwaltungsalgorithmus des Betriebssystems selbst zugeschrieben werden.

Bekannte Verfahren zur Implementation von echtzeitfähigen Programmen in nicht-echtzeitfähige Betriebssysteme rufen daher das echtzeitfähige Programm direkt nach dem Eintreffen des System- Interrupts auf (noch vor dem Aufruf des Verwaltungsalgorithmus des nicht-echtzeitfähigen Betriebssystems), um ein deterministisches Zeitverhalten zu gewährleisten. Ein, in das echtzeitfähige Programm zusätzlicher integrierter, Verteilungsalgorithmus ruft hierbei sequentiel sowohl die eigentlichen Betriebssystem-Verwaltung, als auch das echtzeitfähige Programm auf. Durch die sequentielle Abarbeitung des System-Interrupts bleiben die Prioritäten für das nicht-echtzeitfähige Betriebssystem und für das echtzeitfähige Programm identisch. Dies kann zur Folge haben, daß das Betriebssystem den deterministischen Ablauf blockieren kann.

Lösungsansatz

Der erfindungsgemäße Lösungsansatz beruht dabei auf der software-technischen Trennung des bestehenden nicht-echzeitfähigen Betriebssystem von seiner hoch-prioren System-Takt-Quelle und dessen Anbindung an eine zweite, nieder-prioren Takt-Quelle (als 2. Takt-Quelle kommen hierbei sowohl die interne Echtzeit-Uhr, als auch eine externe Takt-Quelle in Frage). Die somit freigewordene hoch-priore System-Takt-Quelle wird nun für das echtzeitfähigen Programm eingesetzt. Das nicht- echtzeitfähige Betriebsystem ist bei diesem Verfahren von dem echzeitfähigen Programm asynchron entkoppelt. Die Takt-Quellen sind bei diesem Verfahren voneinander unabhängig.

Mit diesem Verfahren können für das echtzeitfähige Programm geringere Umlaufzeiten erreicht werden, da im Gegensatz zu anderen echtzeitfähigen Betriebssystem-Erweiterungen kein zusätzlicher Verwaltungsalgorithmus innerhalb des Echtzeit-Programms benötigt wird. Hierbei können typische Umlaufzeiten des echtzeitfähigen Programms unterhalb 10 us (Mikro Sekunden) erreicht werden. Die Umlaufzeiten des echtzeitfähigen Programms sind dabei abhängig von den Leistungsmerkmalen der Hardware-Plattform frei einstellbar.

Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens besteht durch die unterschiedlichen Hardware-Interrupt- Prioritäten der beiden Takt-Quellen. Die hochprioren System-Verwaltungs-Funktionen des Betriebssystem können nun selbst durch den höchst-prioren Hardware-Interrupt (Takt-Quelle für das echtzeitfähige Programm) unterbrochen und somit das deterministische Zeitverhalten des echtzeitfähigen Programms aufrechterhalten werden.

Einsatz des Verfahrens in PC-basierenden Plattformen

Das Verfahren eignet sich besonders für PC-basierende Plattformen. Bei PC-basierenden Platformen dient standardmäßig der interne System-Interrupt (IRQ0, höchstpriore Hardware-Interrupt) als System- Takt-Quelle für das exsistierenden nicht-echtzeitfähigen Betriebssystems. Das nicht-echtzeitfähige Betriebssystem wird nun von diesem Interrupt entkoppelt und einem neuen nieder-prioren Hardware- Interrupt zugeordnet. Hierbei kommen insbesonde die Interrupts IRQ3, IRQ4 (serielle Schnittstellen- Interrupts) oder der Interrupt IRQ8 (Echtzeit-Timer kaskadiert auf IRQ2) in Frage. Werden die Interrupts IRQ3 oder IRQ4 als System-Takt-Quelle für das nicht-echtzeitfähige Betriebssystem genutzt so kann dies durch einen externen Taktgeber an der seriellen Schnittstelle erfolgen. Wird hingegen der Interrupt IRQ8 als System-Takt-Quelle genutzt, kann auf einen externen Taktgeber verzichtet werden, jedoch muß ein Verwaltungsalgorithmus für die bestehende IRQ8 Interrupt-Behandlung vorgesehen werden. Das echzeitfähige Programm wird nun an den freien System-Interrupt (IRQ0) angehäng und kann asynchron zum nicht-echtzeitfähigen Betriebssystem ablaufen.

Ablauf der System-Initialisierung

Das echzeitfähige Programm wird zur Laufzeit des nicht-echtzeitfähigen Betriebssystems installiert. Hierbei wird folgende Reihenfolge eingehalten:
(Siehe Fig. 1 Betriebssystem vor Installation der Echtzeiterweiterung)

a) Deaktivieren sämtlicher Hardware-Interrupts
b) Umsetzung des nicht-echzeitfähigen Betriebssystems auf den nieder-prioren Interrupt (2. Takt- Geber)
c) Ankopplung des echtzeitfähigen Subsystems an den vorherigen hoch-prioren Interrupt (System- Takt-Geber)
d) Einstellung der Zeitbasis für den hoch-prioren Interrupt-Takt
e) Einstellung der Zeitbasis für den nieder-prioren Interrupt-Takt (falls programmierbar)
f) Aktivieren sämtlicher Hardware-Interrupts

(Siehe

Fig.

2 Betriebssystem nach Installation der Echtzeiterweiterung)

Claims

1. Verfahren zur Erweiterung eines nicht-echtzeitfähigen Betriebssystems mit einem echtzeitfähigen Programm, dadurch gekennzeichnet, daß das bestehenden nicht-echzeitfähigen Betriebssystem software-technisch von seiner hoch-prioren System-Takt-Quelle getrennt wird und einer zweiten, nieder-prioren System-Takt-Quelle zugeordnet wird. Die somit freigewordene hoch-priore System- Takt-Quelle wird nun für das echtzeitfähigen Programm eingesetzt.

2. Verfahren gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als 2. Takt-Quelle für das nicht- echtzeitfähige Programm sowohl die interne Echtzeit-Uhr-Steuerung, als auch eine externe Takt- Quelle in Frage kommt.

3. Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, das die Takt-Quellen voneinander unabhängig sind.

4. Verfahren gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Programm-Umlaufzeit des echtzeitfähigen Programms, abhängig von den Leistungsmerkmalen der verwendeten Hardware- Plattform frei einstellbar ist.

5. Vorrichtung zur Erzeugung einer externen Takt-Quelle, gemäß Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, das Interrupts über die serielle Schnittstelle ausgelöst werden können.