Betriebssystem-integrierte experimentelle Leistungsbewertung verteilter Echtzeitsysteme

Peter Kohlhepp
1989
Kurzfassung In dieser Arbeit wird eine neue Methode und die zugehörige Systemarchitektur zur experimentellen Leistungsbewertung verteilter Echtzeitsysteme entwickelt. Sie beruht auf einer virtuellen Zeitführung, die direkt als Erweiterung der Ablaufsemantik der verteilten Zielmaschinen für die zu entwickelnden Echtzeitsysteme integriert wird, bestehend aus Echtzeit-BS-Kern-Schnittstellen, Zielsprachen, und der unterliegenden Rechner-, EI A-Geräte-und Rechnernetz-Hardware. Solche
more » ... che Echtzeitanwendungen können ganz oder in Teilen als reale, d.h. in ihrem realen Zeitverhalten bewertete Testobjekte mit beliebigen prozeßorientierten Simulationsmodellen kooperieren (Echtteilesimulation in Nicht-Echtzeit-Umgebung). Das Leistungsverhalten eines realen Testobjekts in simulierter Experimentumgebung ist übertragbar auf eine im Kommunikationsverhalten identische Echtzeitumgebung. Einschränkende Annahmen über die konkreten Kommunikations-und Synchronisationsmechanismen, Sprachen, Rechnerbetriebsmittel und Zuteilungsregeln der Zielmaschinen werden dabei nicht benötigt. Die Simulation ist allgemeingültig, d.h. die Modelle umfassen die Zeigler'schen discrete event-Netze als SpezialfalL Die Hauptanwendung dieses Konzeptes liegt im hierarchischen EntwUI·f und der schrittweisen Verfeinerung von Prozeßführungssystemen (PFS) und ihrer Leistungsbewertung anhand der globalen Regelgrößen eines simulierten technischen Prozesses, wobei die Implementierung, Wartung und Anpassung im betrieblichen Einsatz nahtlos mit abgedeckt werden. Neue Lösungsansätze eröffnen sich auch für das Problem, verteilte Echtzeitsysteme interferenzarm und interaktiv zu testen. Das Konzept der Echtteilesimulation in Nicht-Echtzeit-Umgebung wird zuerst systemtheoretisch definiert, dann auf Rechensysteme und deren BS-und Anwender-SW als reale Testobjekte angewandt. Ein Monoprozessor-Echtzeit-BS-Kern wird zu einem hybriden BS-Kern für Echtzeitausführungund prozeßorientierte Simulation erweitert. Schwerpunkte sind die Erweiterung des Prozeßkonzeptes (R-, S-und W-Prozesse), der abstrakte Datentyp der Virtuellen Uhr, die Prozessorzuteilungsregeln, die Organisation der passiven Betriebsmittel und die E/A-Gerätesteuerung. Ferner werden neue Verfahren zur zeitlichen Synchronisation mehrerer solcher über Rechnernetz gekoppelter Monoprozessorsysteme entwickelt, die sowohl zeitdiskrete Simulationsmodelle als auch reale Testobjekte enthalten können. Die Synchronisationsalgorithmen sind transparent für die höheren ES-Schichten und die Anwendungsprogrammierung. Auf die Architektur verteilter Modellierungs-und Zielsysteme und auf spezielle Modellkomponenten wird in Beispielen eingegangen. Abstract INTEGRATED PERFORMANCE SIMULATION OF DISTRIBUTED EMBEDDED SYSTEMS This thesis presents a new methodology and system architecture for the experimental performance evaluation of distributed real time applications. A general set of rules is introduced extending the operational semantics from real time to virtual time for any given target machine, consisting of real time nucleus, network, and peripheral interfaces, implementation languages and processor hardware. Real time applications including their target machines are thus executable simulation models by themselves, obviating the need for separate simulation languages/systems. The basic capabilities of conventional simulation languages -e.g. the simulation of Zeigler's discrete event networksare preserved. Moreover, individual model components are progressiveley replaced by components operating in real time, such that their functional and timing behaviour in virtual-time environment is always transferrable to the corresponding real-time environment. The main application is the hierarchical refinement and performance evaluation ofprocess control systems in closed-loop Operation with simulated plants. All stages from functional simulation to conformance testing, maintenance and updating· on the target system are covered. New techniques for interactive, yet interference-free debugging of distributed hard real time systems are rendered possible. Seite . Einleitung 1.1 Charakterisierung von Echtzeitsystemen Die vorliegende Arbeit ;;teilt einen neuen methodischen Ansatz und eine Systemarchitektur zur experimentellen, entwicklungsbegleitenden Leistungsbewertung verteilter Prozeßführungssysteme (PFSe) vor, also Rechensystemen zum Überwachen, Steuern und Regeln technischer Prozesse (TPe). Das dramatisch verbesserte Preis-Leistungs-Verhältnisses der Mikrorechner-Hardware, und die l<'ortschrilte der Sensor-und Kommunikationstechnik /F AE 84/ haben in den letzten Jahren zu immer anspruch;;volleren Prozef3lenkungsaufgaben geführt, in denen eine Vielzahl von Entscheidungsebenen -von der direkten Steuerungsebene bis zur Betriebsoptimierung, -planung und Prozeßdiagnose-integriert sind und die heute in der Regel dezentral, hierarchisch und/oder redundant aufgebaut sind. Während noch vor 10-15 Jahren Prozeßrechnerprogrammierung durch die Speicher-und Laufzeitoptimierung überschaubarer, prozeßnaher Regelalgorithmen dominiert wurde, haben in zunehmendem Maße Gesichtspunkte wie die Beherrschung der SW-Komplexität, Programmkorrektheit, Ökonomie der SW-Entwicklung, Flexibilität, Portabilität, Ausfalltoleranz etc. an Bedeutung gewonnen. Die Programmiertechniken und SW -Strukturen von PFSen haben sich denen allgemeiner verteilter DV-Systeme (z.B. Informationssysleme, Bürokommunikation) immer mehr ang·enähert. Die dynamischen und zeitlichen Abläufe in PFSen wurden dadurch schwerer durchschau bar, ohne daß die echtzeitspezifischen Anforderungen durch die HW-Fortschritte entschärft worden ;;ind. Nach DIN 44330 /DlN 78/ bedeutet Echtzeitbetrieb "der Betrieb eines Rechensystems, bei dem Programme zur Verarbeitung anfallender Daten ständig betriebsbereit sind, derart, daß die Verarbeitungsergebnisse innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne verfügbar sind. Die Daten können, je nach Anwendungsfall, nach einer zufälligen Verteilung oder zu vorbestimmten Zeitpunkten anfallen."
doi:10.5445/ir/241789 fatcat:i4qvvxdzgjbwfeddsf5h2edyo4