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Beckhoff-Realtime-Kernel Echtzeitverarbeitung – die Basis für PC-Control

Autor / Redakteur: Ramon Barth / Reinhard Kluger

Betriebssysteme von Microsoft muss man auf unterster Ebene für das deterministische Echtzeitverhalten erweitern. Basis hierfür sind die von Beckhoff entwickelten Realtime-Kernel für MS-DOS bzw. Windows. Der Microsoft-Technologiepartner Beckhoff ist frühzeitig in der Lage, die Funktionsfähigkeit neuer Betriebssysteme und deren Embedded-Varianten sowie die Multi-Core-Unterstützung für Echtzeitanwendungen zu gewährleisten.

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PC-based Control hat einen großen Vorteil: Es besteht die Möglichkeit, allgemeine informationstechnische Aufgaben und Funktionen, die in Echtzeit auszuführen sind, parallel zu verarbeiten. Echtzeitfähige Ausführung bedeutet, dass der zeitliche Beginn und das Ende einer Rechenoperation, bzw. einer Sequenz von Rechenoperationen, wiederholbar deterministisch sind. Um die Koexistenz dieser verschiedenen Welten zu ermöglichen, wird der Standard-PC für PC-Control um die Echtzeit erweitert.

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Allgemein verfügbare Betriebssysteme mit signifikanter Marktverbreitung sind nur bedingt echtzeitfähig, weil dies in den höheren Softwareschichten bzw. Anwendungsebenen eines PCs nicht gefordert ist. Allerdings muss das Bearbeiten von Hardwaresignalen und Interrupts auch bei Büro- und Heim-PCs schnell und deterministisch ablaufen, damit in schneller Abfolge auftretende, durch Hardware generierte, Ereignisse nicht verloren gehen. Deshalb wird auch bei allgemeinen PC-Betriebssystemen auf unterster Ebene besonderes Augenmerk auf deterministische Bearbeitung und kurze Antwortzeiten gelegt. Hier setzt eine Echtzeiterweiterung für ein allgemeines Betriebssystem an.

Der zentrale Ansatzpunkt für die zeitliche Aufteilung der PC-Rechenkapazität und der Steuerung der Echtzeitfunktionen von PC-Control ist der Timer-Interrupt. Die Quelle dieses zeitgesteuerten Interrupts ist abhängig von der Entwicklungsgeschichte der PC-Architektur, wobei der Zeitgeber (Timer), der unter MS-DOS den Echtzeitinterrupt ausgelöst hat, auch auf aktueller PC-Hardware immer noch verfügbar ist. Allerdings ist die Nutzung anderer Interruptquellen heutzutage effizienter.

Der Timer-Interrupt unterbricht nach einer konfigurierbaren Zeitdauer die aktuelle Befehlsbearbeitung der CPU und verzweigt über die Interrupt-Vektortabelle in den für den betreffenden Interrupt spezifischen Code. So kann gewährleistet werden, dass der Echtzeitcode zyklisch bearbeitet wird. Die präzise eingehaltene Zeitdauer zwischen zwei Interrupts ist die Basis für die Qualität der Echtzeitfunktionalität des PC-Control-Systems. Mit jedem Interrupt kann optional, über einen Scheduler, ein Kontextwechsel zwischen unterschiedlichen Bearbeitungssträngen (Tasks) durchgeführt werden.

PC-Control – Echtzeit unter MS-DOS

MS-DOS bzw. PC-DOS (im Weiteren als DOS bezeichnet) ist aus heutiger Sicht ein „Low Level“-Betriebssystem. DOS (Disk Operating System) verwaltet mit Hilfe des PC-BIOS hauptsächlich Hardware-Ressourcen des PCs, wie Massenspeicher und Schnittstellen zu angeschlossen Geräten. Als „Single Task“-Betriebssystem kann DOS immer nur ein Programm starten. Soll ein anderes Programm zum Ablauf gebracht werden, muss das aktuell bearbeitete zuerst beendet werden. Um dennoch Hintergrundfunktionen zu ermöglichen, steht mit TSR (Terminate Stay Resident) eine „Hintertür“ zur Verfügung, um nach dem Beenden des Programms kleine Hilfsprogramme im Speicher zu belassen. Diese TSR-Programme können durch Interrupts quasi zum Leben erweckt werden. Ein Beispiel hierfür sind PC-Fernsteuerprogramme, die per Modem den Zugriff auf einen DOS-basierten Rechner erlauben.

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