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23.01.1987 - 

Standardisierung bei Echtzeitsystemen läßt auf sich warten:

Die Anwendersoftware bleibt der Knackpunkt

Was der Anwender denn genau unter einem Echtzeitsystem zu verstehen hat, ist nicht unumstritten. Es scheint angebracht, sich der klassischen Definitionen zu entsinnen, um die Diskussion transparenter zu gestalten und Tendenzen in diesem Markt einordnen zu können. Der Begriff Echtzeitsysteme erfahrt gegenwärtig eine Aufblähung. Verbanden DV-Profis noch vor weniger als zehn Jahren mit diesem Terminus spontan die Vorstellung etwa

einer PDP-11 von Digital Equipment oder einer Siemens R30, eng gekoppelt an einen Regelvorgang in der chemischen Industrie, einem Hochofen oder einem Kraftwerk, so kann

es heutzutage passieren, daß kommerziell ausgerichtete Anwendungen wie ein Platzbuchungssystem in der Luftfahrt, ein Produktplanungssystem oder ein DV-Einsatz in einer

Bank als Echtzeitsystem bezeichnet und angeboten werden.

Die Begründung dafür liegt in der wesentlich gesteigerten Rechenleistung heutiger Maschinen, die dazu geführt hat, daß beispielsweise die Antwortzeiten bei Terminaleingaben so weit reduziert werden konnten, daß diese Systeme für den menschlichen Benutzer hinsichtlich der Wartezeiten nicht mehr von einem "wirklichen" Realzeitsystem zu unterscheiden sind, obwohl es sich eigentlich um transaktionsintensive Systeme handelt. Dieser Umstand erschwert die Behandlung des Themas insofern, als dann im Prinzip nahezu jeder Rechner, der nicht gerade über Nacht im Batch-Betrieb vor sich hin kalkuliert, unter die Rubrik "Echtzeit" fallen würde.

Als Kriterien für Echtzeitsysteme im " klassischen" Sinn können gelten:

- Interrupt-Steuerung der Eingänge gegenüber dem bei Timesharing-Systemen üblichen zyklischen Abfragen (Polling),

- Prioritätssteuerung, das heißt Vergabe unterschiedlicher, zum Teil dynamisch wechselnder Prioritäten anstelle einer egalisierten Abarbeitung im Timeshare-Betrieb,

- Zeitsteuerung über Timer mit relativen und absoluten Bezugspunkten,

- deterministisches Antwortverhalten, also zumindest innerhalb eines engen Rahmens garantierte Antwortzeiten.

Die Umsetzung dieser Vorgaben in eine reale Anwendung findet auf drei Gestaltungsebenen statt, nämlich der Hardware in Form der Rechnerarchitektur und

-konfiguration dem Betriebssystem und der Anwendersoftware.

Die geringsten Unterschiede zwischen einem Prozeßrechner und einem "General-Purpose"-Computer sind wohl auf dem Gebiet der Hardware zu finden. Zwar nennen ausgefuchste Prozeßdatenverarbeiter meist auf Anhieb die PDP-11, die Siemens-"Sicomp"-Serie oder die HP1000 als typische Prozeßrechner, aber der Grund hierfür ist eher darin zu sehen, daß solche Applikationen traditionell eben vorwiegend auf 16-Bit-Minis liefen und laufen. Die Echtzeit-Charakteristika dieser Systeme liegen denn auch nicht in den Zentraleinheiten, sondern in der Peripherie. Intelligente I/O-Prozessoren, die DMA-Aktionen durchführen können, ohne die CPU zu belasten, sind hier beispielsweise häufiger anzutreffen als in kommerziell genutzten Maschinen.

Natürlich kommuniziert ein Prozeßrechner auch mit ganz anderen Endgeräten als ein "kommerzieller" Computer. Sind ausreichend wenige (unter 50) Analogsignale zu verarbeiten, so sind die Analog/Digital-Wandler auch schon einmal im Rechner selbst integriert, ansonsten kommen die Daten von - zunehmend ebenfalls mit Intelligenz versehenen - Meßgeräten oder Meßwertgebern. Typischerweise gelangen sie von da über einen IEC- oder VME-Bus zum Rechner. Während sich auch die Map-Schnittstelle RS511 durchzusetzen beginnt, ist nach Ansicht von Experten dem Ethernet wegen seiner statistischen Zugriffsmethode keine große Zukunft bei zeitkritischen Applikationen zuzutrauen. Glasfaser hingegen als Übertragungsmedium wird künftig stärker in Prozeßanwendungen auftreten, vor allem in elektrisch störintensiven Umgebungen.

Die Prozesse werden nur selten direkt vom Rechner geregelt; häufiger schickt dieser seine Steuersignale an mehr oder weniger intelligente Interfaces oder Steuerungen wie etwa an das vor allem in der industriellen Fertigungstechnik verbreitete S5-System von Siemens. Die Tendenz geht zu mehr Intelligenz, wie sich aus dem zunehmenden Einsatz von Mikroprozessoren in solchen Peripherieeinheiten ablesen läßt. Fachleute vermuten, daß sich aus diesem Grund künftig die Aufgaben des Prozeßrechners und die der Steuerungen zunehmend überlappen werden.

Der Datenaustausch zwischen Rechner und Steuerung erfordert immer stärker eine Normung der Schnittstellen nicht nur auf dem Hardware-Level. Folgt man der Darstellung von Insidern, so liegen die Dinge hier noch sehr im argen, denn "es gibt etwa so viele Protokolle wie Hersteller", wie sich ein Betroffener äußerte.

Die Zeiten, wo Echtzeitbetrieb gleichzusetzen war mit Einplatz-Single-Tasking-Betrieb, sind vorbei. Heutige Prozeßrechner-Betriebssysteme erlauben in gleicher Weise wie kommerzielle Systeme die quasigleichzeitige Bedienung mehrerer Benutzer. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die obengenannten notwendigen Features wie Interrupt- und Prioritätssteuerung realisierbar sein müssen. Das ist aber auch bei den meisten kommerziell verfügbaren Betriebssystemen ohnehin schon der Fall. Als zeitgemäß gilt laut Expertenmeinung eine (garantierte) Reaktionszeit auf Unterbrechungsanforderungen von maximal einer Millisekunde; bei Reaktionszeiten von mehr als 15 Millisekunden könne man nicht mehr von einem Echtzeit-Betriebssystem im engeren Sinn sprechen.

Gelegentlich bieten Systemlieferanten die Möglichkeit, für sehr zeitkritische Anwendungen den Kernel, das File-System oder das ganze Betriebssystem zu umgehen und ein Anwenderprogramm direkt auf die Systemressourcen zugreifen zu lassen. Ein Anwender, der von dieser Möglichkeit Gebrauch macht, muß allerdings genau wissen, was er tut, denn er verzichtet dabei auf den Komfort und die Sicherheit des Standard-Betriebssystems. So entfällt auf diesem Level in der Regel Benutzertrennung und -verwaltung und damit die Sicherung von Dateien und Speicherbereichen gegen fremden Zugriff und Nutzung, was im Extremfall den Verlust von Daten nach sich ziehen kann.

Sicherheit gegen Schnelligkeit

Neben der Möglichkeit, das Betriebssystem oder Teile davon zu umgehen, liefern andere Hersteller den Source-Code des Betriebssystems mit. Der Zweck ist der gleiche: Der Anwender wird in die Lage versetzt das Betriebssystem für seine Applikation zu optimieren. Schließlich gibt es bei zumindest einem Hersteller noch die Möglichkeit, Mikrocode-Ergänzungen einzubringen.

Die Organisation der Dateien auf Plattenspeichern unterscheidet sich bei Prozeßanwendungen von der Standardorganisation. Einige Betriebssysteme reservieren für Prozeßdateien einen festen, zusammenhängenden Platz auf der Platte, so daß die Datei unter Berücksichtigung des jeweiligen Interleave-Faktors zusammenhängend geschrieben und gelesen werden kann. Dies kommt wie die meisten echtzeitspezifischen Maßnahmen, der Geschwindigkeit zugute, aber die Datei ist dann an einen festen Umfang gebunden und kann nicht so flexibel gehandhabt werden, wie man das von kommerziellen Anwendungen her gewohnt ist.

Die Anwendersoftware ist derjenige Bereich, im dem sich die Echtzeitspezifika gewissermaßen konzentrieren. Gleichzeitig ist sie auch der Sektor, über den die wenigsten allgemeingültigen Aussagen gemacht werden können. Zu vielfältig sind die Einsatzgebiete und entsprechend die Anforderungen.

Zwar existiert auch im Bereich der Anwendersoftware der Trend zu Standardprodukten. Ein Hersteller, Hewlett Packard, bietet beispielsweise für den Einsatz auf seinen Maschinen der HP1000-Serie das Paket PMC/1000 an. Dieses Programm erlaubt die Regelung einer Strecke durch Eingabe der Parameter. Es sind also nicht mehr die Algorithmen explizit auszuformulieren. Die Vermutung liegt jedoch nahe, daß der Gewinn an Komfort und Flexibilität in einem gewissen Umfang mit einem Verzicht auf Leistung erkauft werden muß. So nennt der Anbieter als typische Einsatzbeispiele etwa Ofensteuerungen oder Abwasseraufbereitung, also Vorgänge, die keine sehr hohen Anforderungen hinsichtlich Komplexität und Geschwindigkeit aufwerfen.

Eine Reihe unabhängiger Softwarehäuser bieten ähnliche Programme mit unterschiedlichem Spezialisierungsgrad an, von Hilfsroutinen für die Analog/Digital-Wandlung, lauffähig auf Personal Computern, bis zur Energieverbrauch-Optimierungssoftware mit Echtzeit-Datenbank für Großrechner.

Trotzdem ziehen viele Anwender es vor, ihre Software selbst zu erstellen. Dafür gibt es einleuchtende Gründe. So steckt im Prozeß selbst eine ganze Menge an technischem Wissen. Probleme aus dem kommerziellen oder administrativen Bereich lassen recht allgemeingültige Formulierungen und Algorithmen zu ihrer Programmierung zu. Eine Buchhaltung ist mit kleinen Abweichungen eben immer eine Buchhaltung, gleich ob sie nun in einem Betrieb der metallverarbeitenden Industrie oder in einer Brotfabrik abgewickelt wird. Im technischen Sektor gilt das nicht. Hier resultiert das Wissen, das Know-how eines Unternehmens sehr oft auf einer ganzen Menge Erfahrung, auf der Beherrschung der Anlage wie des Prozesses bis in seine entlegensten Winkel.

So kann es nicht verwundern, daß nach Beobachtung von Marktkennern viele, wenn nicht die meisten Prozeßdatenverarbeiter "ihre" Programme selbst erstellen und oft nicht einmal ein spezialisiertes Softwarehaus damit beauftragen. Zum einen traut man diesen möglicherweise die Kenntnisse zur Beherrschung des Prozesses nicht in dieser Tiefe zu; zum anderen gibt man genau dieses Wissen, das ja einen guten Teil der Konkurrenzfähigkeit eines Betriebes ausmacht, auch nicht in jedem Fall gerne aus der Hand. Daher wird die Prozeß- und Echtzeitdatenverarbeitung noch über einen längeren Zeitraum als dies bei der kommerziellen DV zu beobachten ist, individuelle Lösungen favorisieren.