Verlässliche Echtzeitsysteme

Eingebettete Systeme durchdringen praktisch alle Bereiche des täglichen Lebens. Immer häufiger übernehmen diese Echtzeitsysteme Aufgaben, welche hohe Anforderungen an die funktionale Sicherheit stellen. Beispiele hierfür sind Fahrerassistenzsysteme in modernen Automobilen, medizinische Geräte, Prozessanlagen oder Flugzeuge. Fehlfunktionen in diesen Anwendungen ziehen mitunter katastrophale Konsequenzen nach sich: finanzielle und materielle Schäden bis hin zu Personenschäden. Die Entwicklung sicherer und robuster Systeme gewinnt daher in der Forschung und Entwicklung zunehmend an Bedeutung.

Inhalt der Vorlesung

Während sich die Veranstaltung Echtzeitsysteme den zeitlichen Aspekten der Systementwicklung widmet, rücken in Verlässliche Echtzeitsysteme Methoden und Techniken für die Entwicklung zuverlässiger Systeme in den Mittelpunkt – schließlich ist Rechtzeitigkeit keine hinreichende Eigenschaft sicherheitskritischer Systemen. Beide Veranstaltungen sind unabhängig voneinander durchführbar, ergänzen sich jedoch in optimaler Weise. Ziel der Vorlesung ist die zuverlässige Entwicklung von Software (frei von internen Fehlern) ebenso wie die Entwicklung zuverlässiger Software (robust gegenüber äußeren Fehlern). Im Fokus steht hierbei weniger die Vermittlung theoretischer Grundkenntnisse, sondern vielmehr deren praktischer Einsatz in Form von:

• Fehlersuche und -vermeidung: funktional, räumlich und zeitlich,
• unter Einsatz existierender Werkzeuge und Methoden wie sich auch in der Industrie zum Einsatz kommen.
• Robuste Echtzeitsysteme durch Fehlertoleranz und Verteilung

Auf diese Weise wird ein Fundament für die konstruktive Umsetzung verlässlicher Echtzeitsysteme gelegt werden. Dieses Modul vermittelt daher fundierte Anknüpfungspunkte für die Entwicklung verlässlicher Echtzeitsysteme.

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Inhalt der Übungen

Im Rahmen der Übungen werden ausgewählte Vorlesungsinhalte mit besonderem Fokus auf deren praktischer Anwendung vertieft. Zum Einsatz kommen hierbei sowohl aktuelle Ansätze und Methoden aus der Forschung, als auch Werkzeuge und Techniken aus dem industriellen Umfeld. Hierzu zählt insbesondere auch die Fehlersuche mittels Debugger und die Codeanalyse mit der aiT-Toolchain (WCET-Analyse, Stack-Analyse, Abstrakte Interpretation mit Astrée). Im Verlauf des Semesters wird die Verwendung der verschiedenen Techniken und Werkzeuge in den verschiedenen Phasen der Produktentwicklung aufgezeigt, indem ein solcher Entwicklungszyklus simuliert wird. Die Übung wird in zwei Ausprägungen angeboten:

• Grundlegende Übungen [Ü_EZS] (2,5 ETCS)
• Erweiterte Übungen [EÜ_EZS] (5 ECTS)

Diese unterscheiden sich grundsätzlich nur in „Tiefe“ und Umfang der gestellten Übungsaufgaben. Die erweiterte Übung zielt hierbei auf die selbstständige Erarbeitung von Problemlösungen ab, welche über das reine Problemverständnis hinausgehen. Dies umfasst insbesondere auch entsprechende Programmaufgaben und setzt daher einen etwas sichereren Umgang mit der Programmiersprache C/C++ und allgemeine Werkzeug/Linux-Kenntnisse voraus. Die Entwicklung eines Echtzeitsystems schliesst typischerweise Experten aus verschiedenen Bereichen mit ein. Die Veranstaltung nähert sich der Thematik zwar aus der Sicht der Informatik, ist jedoch grundsätzlich interdisziplinär ausgelegt und richtet sich sowohl an Studierende der Informatik als auch an diejenigen anderer Studiengänge mit einem anwendungsorientierten Bezug wie beispielsweise Mechatronik, Elektrotechnik, I&K, CE, Maschinenbau und Medizintechnik (→ Voraussetzungen). Weitere Informationen zu den Übungen...

Dozenten und Betreuer

Terminplan und Vorlesungsfolien...

Voraussetzungen

Die Veranstaltung ist inhaltlich weitgehend in sich abgeschlossen und für alle Studierenden der genannten Studienfächern mit einer Begeisterungsfähigkeit für praktische, systemnahe Informatik geeignet. Unabhängig davon sind grundlegenden Betriebssystemkenntnissen, systemnaher Programmierung von eingebetteten Systemen und ein gewisses Durchhaltevermögen äußerst hilfreich. 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

	Mo	Di	Mi	Do	Fr
08:00
10:00		Rechnerübung CIP3
12:00	Vorlesung 02.133-113
14:00	Übung 02.133-113
16:00	Rechnerübung CIP3

Terminübersicht (Semesterplan)

KW	Mo	Di	Mi	Do	Fr	Themen
42	14.10	15.10	16.10	17.10	18.10	Vorlesung 1: EZS Zusammenfassung Vorlesung 1: Organisation (Vorlesung) Vorlesung 1: Einleitung Übung 1: Organisation Übung 1: Einführung in den Umgang mit git
	Vorlesung 1
	Übung 1
	Ausgabe A1
43	21.10	22.10	23.10	24.10	25.10	Vorlesung 2: Grundlagen Übung 2: Implementieren eines Filters mit Festkommaarithmetik
	Vorlesung 2				Fester Termin A1
	Übung 2
	Ausgabe A2
44	28.10	29.10	30.10	31.10	01.11	Vorlesung 3: Fehlertoleranz durch Redundanz Übung 3: Triple Modular Redundancy
	Vorlesung 3
	Übung 3
	Ausgabe A3
45	04.11	05.11	06.11	07.11	08.11	Vorlesung 4: Codierung
	Vorlesung 4				Fester Termin A2
46	11.11	12.11	13.11	14.11	15.11	Vorlesung 5: Fehlerinjektion Übung 4: EAN Codes und Fehlerinjektion
	Vorlesung 5
	Übung 4
	Ausgabe A4
47	18.11	19.11	20.11	21.11	22.11	Vorlesung 6: Dynamisches Testen Übung 5: Testen
	Vorlesung 6				Fester Termin A3
	Übung 5
	Ausgabe A5.1
48	25.11	26.11	27.11	28.11	29.11	Vorlesung 7: Grundlagen der statischen Programmanalyse
	Vorlesung 7				Fester Termin A4
	Ausgabe A5.2
49	02.12	03.12	04.12	05.12	06.12	Vorlesung 8: Verifikation nicht-funktionaler Eigenschaften, Stack- und WCET-Analyse
	Vorlesung 8
	Ausgabe A5.3
50	09.12	10.12	11.12	12.12	13.12	Vorlesung 9: Verifikation funktionaler Eigenschaften: Design-by-Contract Übung 6: Stackverbrauchs Analyse
	Vorlesung 9				Fester Termin A5.1
	Übung 6
	Ausgabe A6
51	16.12	17.12	18.12	19.12	20.12
					Fester Termin A5.2
52	23.12	24.12	25.12	26.12	27.12
	Weihnachten/Neujahr
01	30.12	31.12	01.01	02.01	03.01
	Weihnachten/Neujahr
02	06.01	07.01	08.01	09.01	10.01
	Weihnachten/Neujahr				Fester Termin A5.3
03	13.01	14.01	15.01	16.01	17.01	Vorlesung 10: Fallstudie Reaktorschutzsystem Übung 7: Abstrakte Interpretation
	Vorlesung 10				Fester Termin A6
	Übung 7
	Ausgabe A7
04	20.01	21.01	22.01	23.01	24.01
					Fester Termin A7
05	27.01	28.01	29.01	30.01	31.01	Vorlesung 11: Industrievortrag Funktionale Sicherheit
	Vorlesung 11
06	03.02	04.02	05.02	06.02	07.02	Vorlesung 12: Zusammenfassung & Fragestunde Übung 8: Zusammenfassung
	Vorlesung 12
	Übung 8