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2019 | Book

Einleitung Read chapter Read first chapter

Entwicklung von Echtzeitsystemen

Einführung in die Entwicklung zuverlässiger softwarebasierter Funktionen unter Echtzeitbedingungen

Author: Dr. Hubert B. Keller

Publisher: Springer Fachmedien Wiesbaden

Part of: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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About this book

Ein hilfreicher Wegweiser zur Entwicklung von Echtzeitsystemen

Dieses Buch führt Sie umfassend in die Entwicklung zuverlässiger softwarebasierter Echtzeitsysteme ein. Dazu beleuchtet der Autor Hubert B. Keller alle Entwicklungsaspekte dieser Systeme, nämlich:

· Die wichtige Rolle von Automatisierungssoftware

· Software-Engineering

· Safety- und Security-Aspekte

· Scheduling

· Implementierung

Eignen Sie sich mit diesem Werk konstruktive Ansätze an und erfahren Sie, welche Anforderungen eine erfolgreiche Implementierung an Realzeitsysteme in der Automatisierung stellt. Zudem erhalten Sie mit diesem Buch eine konkrete Anleitung zu einer inkrementellen Vorgehensweise, um mögliche Fehler, Kosten und Risiken bei der Entwicklung von Echtzeitsystemen zu minimieren.

Die integrative Darstellung und Bewertung der notwendigen Randbedingungen und die Methoden zur Realisierung von softwarebasierten Funktionen unter Echtzeitbedingungen machen dieses Buch zu einer wertvollen Ergänzung in der Berufspraxis.

So konzipieren und entwickeln Sie zuverlässige Systeme

Zu Beginn erläutert der Autor die Grundlagen. Erfahren Sie in diesem Buch, welche Motivation hinter der Entwicklung von Echtzeitsystemen steht, wie der aktuelle Entwicklungsstand aussieht und welche Rolle Programmiersprachen und die Wertschöpfung durch Software in Unternehmen spielen. In den folgenden Kapiteln stehen u. a. diese weiterführenden Aspekte im Vordergrund:

· Herstellungsprozesse für Software

· Analyse und Bewertung von Konzepten zur Ereignisbehandlung unter Echtzeitbedingungen

· Prozesskonzept und Scheduling als Basis für zuverlässige Echtzeitsysteme

· Programmierung von Echtzeitsystemen mit hoher Zuverlässigkeit

· Integrative Betrachtung von technischer Sicherheit und Informationssicherheit

· Beispielhafte Umsetzung der Entwicklungsmethodik

Abschließend gibt Ihnen der Autor konkrete Empfehlungen für die Entwicklung einer zuverlässigen Automatisierungssoftware. Zu empfehlen ist das Buch „Entwicklung von Echtzeitsystemen“ speziell für:

a) Ingenieure

b) Informatiker

c) Entwickler

Durch die behandelten Inhalte eignet sich das Buch sowohl für Studium als für das Selbststudium.

Table of Contents

Frontmatter
1. Einleitung
Zusammenfassung
Der Leser soll mit diesem Buch in die Lage versetzt werden, die Anforderungen zuverlässiger Software unter Echtzeitbedingungen zu verstehen, eine definierte Vorgehensweise festzulegen, die Echtzeitvorgaben mathematisch zu beweisen und umzusetzen, die Funktionen konstruktiv in Software zu implementieren und schon im Entwurf die Security-Anforderungen zusammen mit sicherheitskritischen Anforderungen integriert zu berücksichtigen. Zwei Beispiele runden die methodische Darstellung anschaulich ab. Damit wird er in die Lage versetzt, die zukünftig steigenden Anforderungen an softwarebasierte Funktionen ingenieurmäßig zu beherrschen.
Hubert B. Keller
2. Herstellungsprozesse für Software
Zusammenfassung
Unter Berücksichtigung der bisher dargelegten Aspekte werden die möglichen Vorgehensmodelle und -prozesse sowie Methoden bzw. Konzepte zur Herstellung von Softwaresystemen im Allgemeinen und für Echtzeitanforderungen in Kap. 2 in den Grundzügen beschrieben. Die Unified Modeling Language ([UML1999, UML2002]) ist in Verbindung mit dem Rational Unified Process [Rup1998] eine Methode zur iterativen und inkrementellen Entwicklung qualitativ hochwertiger Software.
Hubert B. Keller
3. Analyse und Bewertung von Konzepten zur Ereignisbehandlung unter Echtzeitbedingungen
Zusammenfassung
Eigenschaften, Konzepte und Methoden von Echtzeitsystemen werden in Kap. 3 detailliert analysiert. Insbesondere die Reaktion auf gleichzeitig eintreffende Ereignisse und das garantiert rechtzeitige Reagieren unter hohen Zuverlässigkeitsanforderungen wird untersucht. Ziel ist ein Reaktionskonzept mit hoher Zuverlässigkeit und beweisbarem zeitlichen Verhalten. Insbesondere die notwendige Einplanung von Ereignisbehandlungen unter Berücksichtigung der Konsistenz von gemeinsamen Daten für ein kooperatives Verhalten wird erläutert.
Hubert B. Keller
4. Prozesskonzept als Basis für Echtzeit und Zuverlässigkeit
Zusammenfassung
Das zentrale Konzept der prozessorientierten Ausführung und Verwaltung von softwarebasierten Funktionen unter Echtzeitbedingungen wird in Kap. 4 detailliert analysiert und bewertet. Die Einführung der virtuellen CPU (vCPU) ist die Basis für die Betrachtung der prioritätsbasierten preemptiven Ausführung von Rechenprozessen. Darauf aufbauend werden die für Echtzeitbedingungen geeigneten Schedulingverfahren behandelt und bewertet. Hier wird das in der Literatur für Automatisierungstechnik und Echtzeitsysteme nicht eingeführte Response Time Analyseverfahren detailliert erläutert. Für kooperierende Rechenprozesse mit gemeinsamen Daten wird das deadlockfreie Zugriffsprotokoll „Priority Ceiling Protocol“ mit begrenzter Blockadezeit höher prioren Prozessen dargestellt und begründet.
Hubert B. Keller
5. Programmierung von Echtzeitsystemen mit hoher Zuverlässigkeit
Zusammenfassung
Es folgt in Kap. 5 die Betrachtung der Voraussetzungen für eine Programmiersprache zur zuverlässigen Implementierung mithilfe adäquater Sprachelemente für Echtzeitanforderungen. Hierbei geht es um die verlässliche Realisierung von Algorithmen, die Modularisierung unter dem Aspekt des „information hiding“, die typstrenge Behandlung von Variablen, Referenzen und objektorientierten Strukturen. Der Einsatz von Sprachmitteln zur Definition nebenläufiger Strukturen und deren Kommunikation unter zeitlichen Randbedingungen sind weitere Aspekte. Die Behandlung von synchronen Ausnahmen wie die Division durch Null usw. ist durch eine Programmiersprache zu beherrschen. Konkrete Beispiele zeigen Defizite in existierenden Sprachen und mögliche Alternativen.
Hubert B. Keller
6. Integrative Betrachtung von technischer Sicherheit und Informationssicherheit
Zusammenfassung
Wesentlich ist, wie in Kap. 6 erläutert, die integrative Betrachtung der Anforderungen von technischer Sicherheit und Informationssicherheit. Bei offenen und vernetzten Systemen haben Security-Eigenschaften direkte Auswirkungen auf die Safety von automatisierten Systemen. Die Schwachstellen von Security-Software und -Systemen, wie in Abschn. 6.2.2 dargestellt, stellen ein enormes Gefahrenpotenzial für die Automatisierung vernetzter Systeme dar. In Verbindung mit Kap. 5 sind damit Möglichkeiten zur Vermeidung dieser Schwachstellen genannt.
Hubert B. Keller
7. Beispielhafte Umsetzung der Entwicklungsmethodik
Zusammenfassung
Die Umsetzbarkeit der aus der vorliegenden Schrift abgeleiteten Methodik wird an zwei industriellen Beispielen in Kap. 7 aufgezeigt. Sowohl bei einem intelligenten Sensorsystem als auch bei einem umfangreichen industriellen Softwaresystem haben die abgeleiteten Methoden zu eindeutigem Erfolg geführt.
Hubert B. Keller
8. Empfehlungen für die Entwicklung von zuverlässiger Automatisierungssoftware
Zusammenfassung
Die wesentlichen Aspekte werden in Form von zentralen Empfehlungen für die Entwicklung softwarebasierter Funktionen unter Echtzeitbedingungen mit hoher Zuverlässigkeit und Erfüllung sicherheitskritischer Anforderungen in Kap. 8 zusammengefasst. Jede Empfehlung ergibt sich als Konsequenz der einzelnen betrachteten Aspekte für die zuverlässige Automatisierung technischer Systeme.
Hubert B. Keller
9. Zusammenfassung
Zusammenfassung
Die Zusammenfassung in Kap. 9 bildet das Resümee für die Vorgehensweise zur effizienten Entwicklung zuverlässiger Softwarefunktionen für vernetzte Echtzeitsysteme. Die Gesamtdarstellung aller Aspekte mit klaren Empfehlungen, insbesondere für die Zukunft der Automatisierung technischer Systeme mit den Zielsetzungen „Industrie 4.0“, „Cyber Physical Systems“ oder für die umfassende Informationsfusion im „autonomen Fahrzeug“ der Zukunft, ist mit den betrachteten Konzepten und Vorgehensweisen für die Zuverlässigkeit und Sicherheit dieser Systeme unerlässlich.
Hubert B. Keller
Backmatter
Metadata
Title
Entwicklung von Echtzeitsystemen
Author
Dr. Hubert B. Keller
Copyright Year
2019
Electronic ISBN
978-3-658-26641-7
Print ISBN
978-3-658-26640-0
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-26641-7

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