Echtzeit-Computing - Wikipedia

In der Informatik Echtzeit-Computing ( RTC ) oder Reactive Computing beschreibt Hardware- und Softwaresysteme, die einer "Echtzeitbeschränkung" unterliegen. B. von der Reaktion auf das Ereignis auf das System. ^[1] Echtzeitprogramme müssen eine Antwort innerhalb bestimmter Zeitvorgaben gewährleisten, die oft als "Fristen" bezeichnet werden. ^[2] Die Korrektheit dieser Systemtypen hängt von ihren zeitlichen Aspekten ab ihre funktionalen Aspekte. Echtzeit-Antworten werden oft in der Größenordnung von Millisekunden und manchmal auch Mikrosekunden verstanden. Ein System, das nicht als Echtzeitbetrieb spezifiziert ist, kann normalerweise keine Antwort innerhalb eines Zeitrahmens garantieren, obwohl 19459008 typische oder erwartete Antwortzeiten angegeben werden können.

Ein Echtzeitsystem wurde als eines beschrieben, das "eine Umgebung steuert, indem sie Daten empfängt, verarbeitet und die Ergebnisse ausreichend schnell zurückgibt, um die Umgebung zu diesem Zeitpunkt zu beeinflussen". ^[3] Der Begriff "Echtzeit" wird auch in der Simulation verwendet, um zu bedeuten, dass die Uhr der Simulation mit der gleichen Geschwindigkeit wie eine echte Uhr läuft, und in Prozesssteuerungs- und Unternehmenssystemen "ohne erhebliche Verzögerung".

Echtzeitsoftware kann eine oder mehrere der folgenden Optionen verwenden: synchrone Programmiersprachen, Echtzeitbetriebssysteme und Echtzeitnetzwerke, von denen jedes wesentliche Rahmenbedingungen für die Erstellung einer Echtzeitsoftwareanwendung bietet.

Systeme, die für viele missionskritische Anwendungen verwendet werden, müssen in Echtzeit sein, z. B. zur Steuerung von Fly-by-Wire-Flugzeugen oder Antiblockierbremsen an einem Fahrzeug, die eine maximale Verzögerung erzeugen müssen, das Bremsen jedoch zeitweilig stoppen, um ein Schleudern zu verhindern. ^[4] Echtzeitverarbeitung schlägt fehl, wenn sie nicht innerhalb einer bestimmten Frist in Bezug auf ein Ereignis abgeschlossen ist; Fristen müssen unabhängig von der Systemlast immer eingehalten werden.

Geschichte [ edit ]

Der Begriff Echtzeit leitet sich von seiner Verwendung in einer frühen Simulation ab, bei der ein realer Prozess mit einer Rate simuliert wird das entsprach dem des realen Prozesses (jetzt Echtzeitsimulation genannt, um Mehrdeutigkeiten zu vermeiden). Analoge Computer waren meistens in der Lage, viel schneller als in Echtzeit zu simulieren, eine Situation, die ebenso gefährlich sein könnte wie eine langsame Simulation, wenn sie nicht auch erkannt und berücksichtigt würde.

Minicomputer, besonders in den 1970er Jahren, als sie in dedizierte eingebettete Systeme wie DOG-Scanner eingebaut wurden, erhöhten den Bedarf an prioritätsgesteuerten Reaktionen mit niedriger Latenzzeit auf wichtige Interaktionen mit eingehenden Daten und damit auf Betriebssysteme wie RDOS (Data General RDOS) -Time Disk Operatings System) und RTOS mit Hintergrund- und Vordergrundplanung sowie RT-11 der Digital Equipment Corporation stammen aus dieser Zeit. Hintergrundplanung für den Vordergrund ermöglichte CPU-Zeit mit niedriger Priorität, wenn keine Vordergrundtask ausgeführt werden musste, und Threads / Tasks mit der höchsten Priorität absolute Priorität im Vordergrund gegeben. Echtzeitbetriebssysteme würden auch für zeitgebundene Mehrbenutzeraufgaben verwendet. Zum Beispiel könnte Data General Business Basic im Vordergrund oder Hintergrund von RDOG ausgeführt werden (und würde zusätzliche Elemente in den Planungsalgorithmus einführen, um ihn für Personen, die über dumme Terminals interagieren, geeigneter zu machen.

Sobald die MOS Technology 6502 (in Commodore 64 und Apple II verwendet) und später das Motorola 68000 (in Macintosh, Atari ST und Commodore Amiga) beliebt waren, konnte jeder seinen Heimcomputer als Computer verwenden Echtzeitsystem. Die Möglichkeit, andere Interrupts zu deaktivieren, die für hartcodierte Schleifen mit definiertem Timing zulässig sind, und die niedrige Interrupt-Latenzzeit ermöglichten die Implementierung eines Echtzeitbetriebssystems, wodurch die Benutzeroberfläche und die Festplattenlaufwerke eine niedrigere Priorität als der Echtzeit-Thread haben. Im Vergleich dazu erzeugt der programmierbare Interrupt-Controller der Intel-CPUs (8086..80586) eine sehr große Latenz, und das Windows-Betriebssystem ist weder ein Echtzeitbetriebssystem noch ermöglicht es einem Programm, die CPU vollständig zu übernehmen und zu nutzen eigener Scheduler, ohne native Maschinensprache zu verwenden und somit den gesamten unterbrechenden Windows-Code zu übertreffen. Es gibt jedoch mehrere Codierungsbibliotheken, die Echtzeitfunktionen in einer Hochsprache unter einer Vielzahl von Betriebssystemen bieten, beispielsweise Java Real Time. Das Motorola 68000 und die nachfolgenden Familienmitglieder (68010, 68020 usw.) wurden auch bei Herstellern industrieller Steuerungssysteme beliebt. In diesem Anwendungsbereich bietet die Echtzeitsteuerung echte Vorteile in Bezug auf die Prozessleistung und -sicherheit. ^{[] Zitat benötigt}

Kriterien für das Echtzeit-Rechnen ] edit ]

Ein System wird als in Echtzeit bezeichnet, wenn die totale Korrektheit einer Operation nicht nur von ihrer logischen Korrektheit abhängt, sondern auch von der Zeit, in der sie ausgeführt wird. ^[5] Echtzeitsysteme sowie deren Fristen werden nach der Nichteinhaltung einer Frist klassifiziert:

• Hart - Das Fehlen einer Frist ist ein Totalausfall des Systems.


• Firma - Unregelmäßige Terminüberschreitungen sind tolerierbar, können jedoch die Servicequalität des Systems beeinträchtigen. Der Nutzen eines Ergebnisses ist nach Ablauf der Frist null.


• Soft - der Nutzen eines Ergebnisses verschlechtert sich nach Ablauf der Frist und verschlechtert dadurch die Dienstgüte des Systems.

So ist das Ziel eines hart Das Echtzeitsystem soll sicherstellen, dass alle Fristen eingehalten werden. Bei Soft-Echtzeitsystemen wird jedoch das Ziel erreicht, eine bestimmte Teilmenge von Fristen einzuhalten, um einige anwendungsspezifische Kriterien zu optimieren. Die jeweiligen optimierten Kriterien hängen von der Anwendung ab. Einige typische Beispiele umfassen jedoch die Maximierung der Anzahl der eingehaltenen Termine, die Minimierung der Verspätung von Aufgaben und die Maximierung der Anzahl von Aufgaben mit hoher Priorität, die ihre Termine einhalten.

Harte Echtzeitsysteme werden verwendet, wenn auf ein Ereignis unbedingt innerhalb einer bestimmten Frist reagiert werden muss. Solche starken Garantien sind für Systeme erforderlich, für die eine Nichtreaktion innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls in gewisser Weise zu einem erheblichen Verlust führen würde, insbesondere die Umgebung physisch schädigen oder Menschenleben gefährden würde (obwohl die strikte Definition einfach darin besteht, dass das Versäumnis der Frist ein Versagen des Systems darstellt ). Beispielsweise ist ein Automotorsteuerungssystem ein hartes Echtzeitsystem, da ein verzögertes Signal einen Motorausfall oder eine Beschädigung verursachen kann. Andere Beispiele für eingebettete Echtzeit-Echtzeitsysteme umfassen medizinische Systeme wie Herzschrittmacher und industrielle Prozesssteuerungen. Harte Echtzeitsysteme werden in Embedded-Systemen normalerweise auf niedriger Ebene mit physischer Hardware interagiert. Frühe Videospielsysteme wie die Vektorgrafiken Atari 2600 und Cinematronics hatten aufgrund der Beschaffenheit der Grafik- und Timing-Hardware harte Echtzeitanforderungen.

Im Zusammenhang mit Multitasking-Systemen ist die Zeitplanungsrichtlinie normalerweise prioritätsgesteuert (preemptive Zeitplaner). Andere Planungsalgorithmen umfassen die früheste Frist zuerst, die, wenn man den Overhead des Kontextwechsels ignoriert, für Systemlasten von weniger als 100% ausreicht. ^[6] Neue Overlay-Planungssysteme, wie ein adaptiver Partitionsplaner, unterstützen die Verwaltung großer Systeme mit einem Gemisch von harten Echtzeit- und Nicht-Echtzeit-Anwendungen.

Soft-Echtzeitsysteme werden normalerweise verwendet, um Probleme des gleichzeitigen Zugriffs und die Notwendigkeit zu lösen, eine Reihe verbundener Systeme durch sich ändernde Situationen auf dem neuesten Stand zu halten. Ein Beispiel kann eine Software sein, die die Flugpläne für Verkehrsflugzeuge verwaltet und aktualisiert: Die Flugpläne müssen auf dem neuesten Stand gehalten werden, sie können jedoch mit einer Latenz von wenigen Sekunden arbeiten. Live-Audio-Video-Systeme sind normalerweise auch in Echtzeit weich. Verstöße gegen Einschränkungen führen zu einer Verschlechterung der Qualität, aber das System kann unter Verwendung von Methoden zur Vorhersage und Rekonfiguration der Arbeitslast weiterarbeiten und sich auch in Zukunft erholen. ^[7]

Echtzeit in der digitalen Signalverarbeitung [ edit

In einem Echtzeit-Digitalsignalverarbeitungsprozess (DSP-Prozess) können die analysierten (Eingang) und erzeugten (Ausgangs-) Abtastwerte kontinuierlich in der Zeit verarbeitet (oder erzeugt) werden, die für die Eingabe und Ausgabe des gleichen Satzes von Abtastwerten erforderlich ist. unabhängig von der Verarbeitungsverzögerung. ^[8] Dies bedeutet, dass die Verarbeitungsverzögerung auch dann begrenzt werden muss, wenn die Verarbeitung unbegrenzt fortgesetzt wird. Das bedeutet, dass die mittlere Bearbeitungszeit pro Probe einschließlich Overhead nicht größer als die Abtastperiode ist, die der Kehrwert der Abtastrate ist. Dies ist das Kriterium, ob die Samples in großen Segmenten zusammengefasst und als Blöcke verarbeitet oder einzeln verarbeitet werden und ob es lange, kurze oder nicht vorhandene Eingabe- und Ausgabepuffer gibt.

Betrachten Sie ein Audio-DSP-Beispiel. Wenn ein Prozess 2,01 Sekunden zum Analysieren, Synthetisieren oder Verarbeiten von 2,00 Sekunden Ton benötigt, ist dies keine Echtzeit. Wenn es jedoch 1,99 Sekunden dauert, kann oder kann daraus ein Echtzeit-DSP-Prozess werden.

Ein gewöhnliches Life-Analog steht in einer Reihe oder Schlange und wartet auf die Kasse in einem Lebensmittelgeschäft. Wenn die Linie ohne Bindung asymptotisch länger und länger wird, erfolgt der Checkout-Vorgang nicht in Echtzeit. Wenn die Länge der Linie begrenzt ist, werden Kunden im Durchschnitt so schnell "bearbeitet" und ausgegeben, wie sie eingegeben werden, und dieser Prozess ist in Echtzeit. Der Lebensmittelhändler kann sein Geschäft aufgeben oder muss zumindest das Geschäft verlieren, wenn er den Checkout-Prozess nicht in Echtzeit durchführen kann. Daher ist es von grundlegender Bedeutung, dass dieser Prozess in Echtzeit abläuft.

Ein Signalverarbeitungsalgorithmus, der nicht mit dem Fluss der Eingangsdaten mithalten kann und der Ausgang immer weiter hinter den Eingang fällt, ist nicht in Echtzeit. Wenn jedoch die Verzögerung der Ausgabe (relativ zur Eingabe) in Bezug auf einen Prozess begrenzt ist, der über eine unbegrenzte Zeit arbeitet, dann ist dieser Signalverarbeitungsalgorithmus Echtzeit, selbst wenn die Durchsatzverzögerung sehr lang sein kann.

Live vs. Echtzeit [ edit ]

Echtzeit-Signalverarbeitung ist notwendig, aber an und für sich nicht ausreichend für eine Live-Signalverarbeitung, wie z Live-Event-Unterstützung. Die Verarbeitung digitaler Audiosignale erfordert sowohl einen Echtzeitbetrieb als auch eine ausreichende Begrenzung der Durchsatzverzögerung, um für Darsteller, die Bühnenmonitore oder In-Ear-Monitore verwenden, erträglich zu sein und nicht als Lippensynchronisationsfehler durch das Publikum wahrnehmbar zu sein, das die Darsteller auch direkt beobachtet. Tolerierbare Grenzen der Latenz für Live-Echtzeitverarbeitung sind Gegenstand von Untersuchungen und Diskussionen, werden jedoch auf zwischen 6 und 20 Millisekunden geschätzt. ^[9]

Echtzeit-Verzögerungen bei der bidirektionalen Telekommunikation von weniger als 300 ms ("Roundtrip" oder zweimal die unidirektionale Verzögerung) werden als "akzeptabel" betrachtet, um unerwünschtes "Talkover" in Gesprächen zu vermeiden.

Echtzeit und Hochleistung [ edit ]

Echtzeit-Computing wird manchmal als Hochleistungs-Computing missverstanden, aber dies ist keine genaue Klassifizierung. ^[10] Beispielsweise kann ein riesiger Supercomputer, der eine wissenschaftliche Simulation ausführt, eine beeindruckende Leistung bieten, er führt jedoch keine Echtzeitberechnung durch. Umgekehrt sind, sobald die Hard- und Software für ein Antiblockiersystem auf die Einhaltung der erforderlichen Fristen ausgelegt ist, keine weiteren Leistungssteigerungen obligatorisch oder sogar nützlich. Wenn ein Netzwerkserver stark mit Netzwerkverkehr belastet ist, ist seine Antwortzeit möglicherweise langsamer, wird jedoch (in den meisten Fällen) immer noch erfolgreich sein, bevor das Zeitlimit überschritten wird. Daher wird ein solcher Netzwerkserver nicht als Echtzeitsystem betrachtet: Zeitliche Ausfälle (Verzögerungen, Zeitüberschreitungen usw.) sind normalerweise klein und unterteilt (in der Wirkung begrenzt), sind jedoch keine katastrophalen Ausfälle. In einem Echtzeitsystem wie dem FTSE 100-Index wird eine Verlangsamung über die Grenzen hinaus in seinem Anwendungskontext oft als katastrophal angesehen. Daher ist die wichtigste Anforderung an ein Echtzeitsystem Vorhersagbarkeit und nicht Leistung.

Einige Arten von Software, wie zum Beispiel viele Schachprogramme, können in beide Kategorien fallen. Zum Beispiel muss ein Schachprogramm, das für ein Turnier mit einer Uhr bestimmt ist, vor Ablauf einer bestimmten Frist einen Zug entscheiden oder das Spiel verlieren. Es handelt sich also um eine Echtzeitberechnung, jedoch um ein Schachprogramm, das unbegrenzt ausgeführt werden kann vor dem Umzug ist nicht. In beiden Fällen ist jedoch eine hohe Leistung erwünscht: Je mehr Arbeit ein Turnierschachprogramm in der vorgesehenen Zeit erledigen kann, desto besser sind seine Züge und je schneller ein uneingeschränktes Schachprogramm abläuft, desto eher kann es gelingen Bewegung. Dieses Beispiel verdeutlicht auch den wesentlichen Unterschied zwischen Echtzeitberechnungen und anderen Berechnungen: Wenn das Turnier-Schachprogramm in seiner zugewiesenen Zeit keine Entscheidung über seinen nächsten Zug trifft, verliert es das Spiel, dh es schlägt als Echtzeitberechnung fehl. Im anderen Szenario wird davon ausgegangen, dass das Einhalten der Frist nicht erforderlich ist. Hochleistung ist ein Indikator für den Verarbeitungsumfang, der in einer bestimmten Zeit ausgeführt wird, während Echtzeit die Fähigkeit ist, mit der Verarbeitung fertig zu werden, um in der verfügbaren Zeit einen nützlichen Output zu erzielen.

Nahe Echtzeit [ edit ]

Der Begriff "nahezu Echtzeit" oder "nahezu Echtzeit" (NRT) bezieht sich auf die Zeit Verzögerung durch automatisierte Datenverarbeitung oder Netzwerkübertragung zwischen dem Auftreten eines Ereignisses und der Verwendung der verarbeiteten Daten, z. B. für Anzeige- oder Rückmeldungs- und Kontrollzwecke. Zum Beispiel stellt eine Anzeige in Echtzeit in Echtzeit ein Ereignis oder eine Situation dar, wie sie zum aktuellen Zeitpunkt abzüglich der Bearbeitungszeit vorhanden war, und zwar nahezu als Zeitpunkt des Live-Ereignisses. ^[11]

Der Unterschied Zwischen den Begriffen "Nahe Echtzeit" und "Echtzeit" ist etwas neblig und muss für die vorliegende Situation definiert werden. Der Begriff impliziert, dass es keine signifikanten Verzögerungen gibt. ^[11] In vielen Fällen würde die als "Echtzeit" bezeichnete Verarbeitung genauer als "Nahe Echtzeit" bezeichnet werden.

Nahezu Echtzeit bezieht sich auch auf die verzögerte Echtzeitübertragung von Sprache und Video. Es ermöglicht die Wiedergabe von Videobildern in etwa in Echtzeit, ohne auf den Download einer gesamten großen Videodatei warten zu müssen. Inkompatible Datenbanken können in allgemeine Flat-Dateien exportiert / importiert werden, die die andere Datenbank nach Zeitplan importieren / exportieren kann, sodass sie gemeinsame Daten in "nahezu in Echtzeit" miteinander synchronisieren / freigeben können.

Die Unterscheidung zwischen "nahezu in Echtzeit" und "in Echtzeit" variiert, und die Verzögerung hängt von der Art und Geschwindigkeit der Übertragung ab. Die Verzögerung in der Nähe von Echtzeit liegt typischerweise in der Größenordnung von einigen Sekunden bis zu mehreren Minuten. ^{Zitat benötigt ]}

Entwurfsmethoden [ edit 19659011] Es gibt verschiedene Methoden, um den Entwurf von Echtzeitsystemen zu unterstützen. Ein Beispiel dafür ist MASCOT, eine alte, aber sehr erfolgreiche Methode, die die gleichzeitige Struktur des Systems darstellt. Andere Beispiele sind HOOD, Real-Time-UML, AADL, das Ravenscar-Profil und Real-Time-Java.

Siehe auch [ edit ]

Referenzen [ edit

1. std :: ctime
   


2. ^ ^ ] Ben-Ari, M., "Prinzipien der gleichzeitigen und verteilten Programmierung", Prentice Hall, 1990. ISBN 0-13-711821-X. Ch16, Seite 164
   


3. ^ Martin, James (1965). Programmierung von Echtzeitcomputersystemen . Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall Inc. p. 4. ISBN 978-0-13-730507-0.
   


4. ^ Krishna Kant (Mai 2010). Computer-based Industrial Control . PHI lernen. p. 356. ISBN 9788120339880 . 2015-01-17 .
   


5. ^ Shin, K.G .; Ramanathan, P. (Januar 1994). "Echtzeit-Computing: eine neue Disziplin der Informatik und des Ingenieurwesens" (PDF) . Verfahren der IEEE . 82 (1): 6–24. CiteSeerX 10.1.1.252.3947 . doi: 10.1109 / 5.259423. ISSN 0018-9219.
   


6. ^ C. Liu und J. Layland. Scheduling-Algorithmen für das Multiprogrammieren in einer harten Echtzeitumgebung. Journal of the ACM, 20 (1): 46-61, Jan. 1973. http://citeseer.ist.psu.edu/liu73scheduling.html.html19659073 ?^19659061? MENU19459067; Menychtas, Andreas; Kyriazis, Dimosthenis; Tserpes, Konstantinos (Juli 2009). "Echtzeit-Rekonfiguration zur Gewährleistung der QoS-Bereitstellung in Grid-Umgebungen". Computersysteme der zukünftigen Generation . 25 (7): 779–784. doi: 10.1016 / j.future.2008.11.001.
   


7. ^ S.M. Kuo, B.H. Lee und W. Tian, ​​"Digitale Signalverarbeitung in Echtzeit: Implementierungen und Anwendungen", Wiley, 2006. ISBN 0-470-01495-4. Abschnitt 1.3.4: Echtzeiteinschränkungen
   


8. ^ Kudrle, Sara; Proulx, Michel; Carrieres, Pascal; Lopez, Marco; et al. (Juli 2011). "Fingerprinting zur Lösung von A / V-Synchronisationsproblemen in Broadcast-Umgebungen". SMPTE Motion Imaging Journal . 120 (5): 36–46. doi: 10.5594 / j18059XY. Es wurden geeignete A / V-Synchronisationsgrenzwerte festgelegt, und der für Filme akzeptable Bereich beträgt +/- 22 ms. Der Bereich für Video beträgt laut ATSC bis zu 15 ms Vorlaufzeit und etwa 45 ms Nachlaufzeit
   


9. ^ John Stankovic (1988): "Missverständnisse über Echtzeit-Computing: ein ernstes Problem für Systeme der nächsten Generation ", Computer IEEE Computer Society, 21 (10), p. 11, doi: 10.1109 / 2.7053
   


10. ^ ^{a b} "Federal Standard 1037C: Glossary of Telecommunications Terms". Its.bldrdoc.gov . 2014-04-26 .
    

Weiterführende Literatur [ edit ]

• Alan Burns und Andy Wellings (2009), Echtzeitsysteme und Programmiersprachen (4. Ausg.), Addison-Wesley, ISBN 978-0-321-41745- 9


• Buttazzo, Giorgio (2011), Harte Echtzeit-Computersysteme: Vorhersagbare Scheduling-Algorithmen und -Anwendungen New York, NY: Springer . Liu, Jane WS (2000), Echtzeitsysteme Upper Saddle River, New Jersey: Prentice Hall .

Externe Links [

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