Verlässliche Echtzeitsysteme

Für die Bearbeitung der Übungsaufgaben sind entsprechend grundlegenden Programmierkenntnissen in C und/oder C++ notwendig. Hierfür ausreichend ist eine der folgenden Grundlagenveranstaltungen: Systemprogrammierung I/II, Softwaresysteme I, Systemnahe Programmierung in C beziehungsweise äquivalenter Veranstaltungen. Eine erfolgreiche Teilnahme ist für Nebenfächler auch auf der Basis der Grundlagen der Informatik (Programmiersprache: Java) möglich. Hierfür ist die Bereitschaft der eigenständigen (veranstaltungsbegleitenden) Aneignung grundlegender C/C++ Kenntnisse jedoch zwingend erforderlich. Entsprechende Unterlagen und Literaturempfehlungen werden von uns gerne bereitgestellt. Kenntnisse aus der Schwesterveranstaltung Echtzeitsysteme sind durchaus hilfreich, jedoch nicht für einen erfolgreichen Abschluss des Moduls erforderlich.

Weiterhin sind grundlegende Erfahrungen im Umgang mit der Linux-Umgebung in den CIP-Pools beziehungsweise deren Aneignung erforderlich.

Fragebogen: Programmierkenntnisse

Zur Einordnung der eigenen C-Kenntnisse haben wir einen Aufgabenkatalog aus Systemnahe Programmierung in C zusammengestellt. Teilnehmer, die sowohl die meisten Fragen sicher beantworten als auch die Programmieraufgabe lösen können, sollten keine handwerklichen Probleme mit den Übungsaufgaben haben und können sich voll auf die zu vermittelnden Konzepte konzentrieren. Fällt die Beantwortung der Fragen schwer, sollten die fraglichen Programmierkonzepte und die Bedeutung der unbekannten Schlüsselwörter vor Belegung des Moduls nachrecherchiert werden, da diese nicht im Rahmen der Übung vermittelt werden können.

Wochenplan

Terminübersicht (Semesterplan)

Gliederung und Vorlesungsfolien

Die Vorlesungsfolien werden im PDF-Format als animierte Folien und als Handout im Format DIN A4 angeboten.

All slides are copyrighted © 2012-13 by Fabian Scheler, © 2014-20 by Peter Ulbrich, and © 2020-24 by Peter Wägemann University of Erlangen-Nürnberg, Germany. Use without prior written permission of the authors is not permitted!

All slides are copyrighted ©2005-14 by Wolfgang Schröder-Preikschat, ©2007-14 by Fabian Scheler, ©2014-19 by Peter Ulbrich, FAU Erlangen-Nürnberg, Germany, ©2022 by Peter Wägemann, FAU Erlangen-Nürnberg, Germany. Use without prior written permission of the authors is not permitted!

Literatur

Zur Begleitung und Vertiefung des Vorlesungsinhalts kann auf folgende Fachbücher zurückgegriffen werden:

• Michael Lyu, editor. Software Fault Tolerance, volume 3 of Trends in Software. John Wiley & Sons, Inc., 1995. http://www.cse.cuhk.edu.hk/~lyu/book/sft/.
• Shubu Mukherjee. Architecture Design for Soft Errors. Morgan Kaufmann Publishers Inc., San Francisco, CA, USA, 2008.
• Olga Goloubeva, Maurizia Rebaudengo, Matteo Sonza Reorda, and Massimo Violante. Software-Implemented Hardware Fault Tolerance. Springer-Verlag, 233 Spring Street, New York, NY 10013, USA, 2006.

Hierbei ist aber zu beachten, dass sich der Inhalt der Vorlesung nicht streng an einem dieser Bücher orientiert und sich keineswegs auf diese Bücher beschränkt. Die gezielte Aufarbeitung der einzelnen Vorlesungskapitel kann anhand der Literaturhinweise am Ende der jeweiligen Foliensätze erfolgen. Grundlegende Erläuterungen zu den Fachbegriffen und Grundtechniken fehlertoleranter Systeme sollten darüber hinaus in jedem Fachbuch vermittelt werden, das sich mit diesem Themengebiet befasst.

Ziel der Übung

Analog zur Vorlesung befassen sich die Übungsaufgaben mit der zuverlässigen Entwicklung zuverlässiger Software. Im Rahmen eines Produktentwicklungszyklus werden in den Übungsaufgaben sowohl selbstgeschriebene als auch fremde Codestücke unter die Lupe genommen. Die Programmiersprache ist hierbei vorwiegend C. Als Vorraussetzung für die Übung sollte man deshalb grundlegende C-Kenntnisse mitbringen.

Das Ziel der Übungsaufgaben ist die Entwicklung eines konkreten Echtzeitsystems auf Anwendungsebene. Zu diesem Zweck kommt das Echtzeitbetriebssystem eCos als Entwicklungsplattform zum Einsatz. eCos wird in den verschiedensten Anwendungen (Kommunikation, Steuerung, ...) und Produkten (z.B. NETGEAR-Routern) eingesetzt und ist auch als Open-Source-Variante verfügbar. In den Übungen wird ein konkretes Echtzeitsystem auf Basis von eCos aufgebaut, anhand dessen sich die verschiedenen Problemstellungen bei der Entwicklung solcher Systeme zeigen lassen.

Zuverlässige Software entwickeln

Während der erste Teil sich auf das Finden von Entwicklungsfehlern konzentriert, betrachten wir in der zweiten Hälfte auch Fehler, die zur Laufzeit auftreten können. Hierzu zählen vor allem unerwartete Hardwarefehler, die den Programmfluss bzw. Rechenergebnisse beeinflussen können. In der Übung werden wir hierzu verschiedene konstruktive Maßnahmen kennenlernen und umsetzen, die die Software gegen derartige Fehlerszenarien härten können.

Zuverlässig entwickeln

Ein wesentlicher Bestandteil dieser Veranstaltung ist das Kennenlernen und der Umgang mit Werkzeugen, die die Entwicklung verlässlicher Systeme unterstützen. Hierzu zählen u.a.:

• Versionsverwaltung von Quellcode mit Hilfe von git
• Softwaretest mittels CMake und CTest
• Codeüberdeckungsanalyse mittels gcov (lcov)
• Überdeckungsorientiertes Fuzzing mittels libFuzzer
• Fehlerinjektion mittels FAIL^*
• Statische Bestimmung des Speicherbedarfs (StackAnalyzer)
• Statische Codeanalyse mit Hilfe abstrakter Interpretation (Astrée)
• Formale Verifikation mittels Frama-C

Umfang der Übungen

Der Umfang der Übungen richtet sich nach den angestrebten Prüfung und den dafür notwendigen ECTS-Punkten (zusätzlich zu den 2,5 ECTS der Vorlesung):

• 2,5 ECTS: Die Bearbeitung aller Basis-Übungsaufgaben ist verpflichtend.
• 5,0 ECTS: Die Bearbeitung aller Basis- und Erweiterungs-Übungsaufgaben ist verpflichtend.

Sowohl Tafelübungen als auch Rechnerübungen werden zusammen stattfinden, da sich die beiden Übungsrichtungen hauptsächlich im Umfang der zu bearbeitenden Aufgaben unterscheiden.

Folien und Dokumentation

Übungsaufgaben

Dozenten und Betreuer

Dr.-Ing. Peter Wägemann

Eva Dengler, M. Sc.

Inhaltliche Fragen (alle Teilnehmer & Betreuende):

• i4ezs@lists.cs.fau.de

Organisatorische Fragen (Betreuende)

• i4ezs-owner@lists.cs.fau.de

Anmeldung

Da die Mailingliste auch für Bekanntmachungen unsererseits genutzt wird, empfehlen wir allen Teilnehmern ausdrücklich die Anmeldung.