Echtzeitsysteme (EZS) - Übung: Aufgabe 1 (WS 2008/09)

Einleitung

In vielen Aufgabenstellungen kommt es vor, dass gewisse Dinge in bestimmten Abständen periodisch ausgeführt werden müssen. Eine Gruppe solcher Aufgabenstellungen sind z.B. Regelungsprobleme. Mit Sensoren werden regelmäßig eine oder mehrere Größen (z.B. Druck, Temparatur,...) eines Systems gemessen, abhängig von der Abweichung von ihren Sollwerten wird über einen oder mehrere Aktoren versucht, diese Größen wieder auf ihre Sollwerte einzustellen.

Ein sehr bekanntes Beispiel für ein Regelungsproblem im Bereich der Echtzeitsysteme ist das sog. Inverse Pendel:

Auf einem Wagen ist ein bewegliches Pendel montiert. Ziel ist es, das Pendel in aufrechter Position zu halten. Dazu ist es notwendig, den Wagen in Abhängigkeit der Abweichung des Pendels von der Senkrechten nach rechts oder links zu beschleunigen. Diese Regelung geschieht, indem in regelmäßigen Abständen der Winkel gemessen wird, den das Pendel mit der Senkrechten einschließt, und anschließend ein Signal an einen Aktor (z.B. ein Motor) gesendet wird, der den Wagen entsprechend beschleunigt.

Für die Abbildung solcher regelmäßig stattfindenden Vorgänge auf ein mikrocontroller-gesteuertes System sind sog. ScheduleTables gut geeignet. Eine ScheduleTable ist nichts anderes als eine Tabelle, die auflistet, zu welcher Zeit bestimmte Aktivitäten ausgeführt werden sollen. Diese Tabelle wird vom Scheduler mit einer bestimmten Periode zyklisch abgearbeitet. Das folgende Beispiel zeigt eine solche Tabelle. Sie enthält insgesamt vier Einträge, die mit einer Periode von 8 ms zyklisch ausgeführt wird. Die Startzeiten der einzelnen Threads beziehen sich dabei auf den Beginn der Tabelle. Die Grafik veranschaulicht die Abfolge der verschiedenen Threads, wie sie zur Laufzeit entsteht.

Thread Startzeitpunkt T1 1000 µs T2 3000 µs T3 4000 µs T1 6000 µs

Was ist zu tun?

In dieser Aufgabe soll ein ScheduleTable-Scheduler implementiert werden. Hierfür sind die folgenden, rot eingerahmten Klassen zu implementieren:

Schedule_Table_Entry

Diese Klasse ist einfach das C++-äquivalent zum Tupel aus Thread und Startzeitpunkt.

Schedule_Table< SIZE > und Abstract_Schedule_Table

Die beiden Klassen Schedule_Table< SIZE > und Abstract_Schedule_Table entsprechen Tabellen, die die Startzeitpunkte der einzelnen Threads enthalten. Die Klasse Schedule_Table< SIZE > wird als C++-Template implementiert, weil es möglich sein soll, Tabellen verschiedener Größe zu erzeugen - ohne dynamische Speicherverwaltung ist dies nur über C++-Templates möglich. Die Template-Implementierung macht aber eine gesonderte abstrakte Schnittstelle notwendig, über die der Scheduler auf die Tabelle zugreifen kann. Diese Schnittstelle stellt die Klasse Abstract_Schedule_Table zur Verfügung.

Schedule_Table_Scheduler und Guarded_Schedule_Table_Scheduler

Die Klasse Schedule_Table_Scheduler stellt die eigentlich Implementierung des Schedulers dar, der den Timer ansteuert und die Tabelle der zu startenden Threads abarbeitet. Die Klasse Guarded_Schedule_Table_Scheduler stellt eine gegen Unterbrechungen geschützte Schnittstelle für den eigentlichen Scheduler zur Verfügung.

Thread

Eine scheduler-spezifische Implementierung eines Threads.

Hinweise

Im Laufe dieser Übungen werden verschiedene Varianten von EZStubs entwickelt, die weder vom Quelltext noch von der Semantik her kompatibel zueinander sind. Im Rahmen eines Versionsverwaltungssystems im allgemeinen und SVN im Speziellen gibt es nun verschiedene Möglichkeiten mit diesen Inkompatibilitäten umzugehen:

1. Man ignoriert diese Inkompatibilität und überschreibt die existierenden Implementierung mit der neuen Implementierung, alte, nicht mehr benötigte Quelltextdateien müssen evtl. entfernt werden (svn remove).
2. Man merkt sich den gegenwärtigen Stand der Entwicklung mit einem Tag (svn copy) und verfährt ansonsten wie oben.
3. Man legt einen Branch an und arbeitet auf diesem Branch weiter (svn copy + svn switch), dieser Branch kann das gesamte Repository oder nur betroffene Module enthalten, in unserem Fall wäre z.B. nur das Unterverzeichnis thread betroffen.

Um auch später noch auf die verschiedenen Varianten zugreifen zu können, verwenden wir in diesen Übungen die letzte angebotetene Variante, konkret heißt das:

1. cd ezstubs
2. Einen Branch anlegen: svn copy . https://www4.informatik.uni-erlangen.de:8088/i4ezs/<gruppe>/branches/time_triggered. Bevor ihr den Branch anlegt, solltet ihr darauf achten, dass eure aktuelle Arbeitskopie sauber ist, d.h. alle Dateien sollten aktuell sein und es sollten sich keine modifizierten Dateien mehr in eurer Arbeitskopie befinden.
3. auf den neu angelegten Branch wechseln: svn switch https://www4.informatik.uni-erlangen.de:8088/i4ezs/<gruppe>/branches/time_triggered
4. die Vorgabe in das Arbeitsverzeichnis entpacken und die neuen Dateien zum Repository hinzufügen (svn add)
5. die Änderungen an das Repository senden (svn commit)
6. Los geht's!