Serie Echtzeit, Teil 1/3 Grundlagen digitaler Echtzeitsysteme

Der folgende Beitrag ist der erste von drei Teilen zum Thema „Echtzeit“ im Kontext digitaler elektronischer Systeme. Er behandelt die Grundlagen, erläutert diese an Beispielen und betrachtet Kriterien guten Echtzeitverhaltens von CPU-Kernen. Der zweite Teil wird auf Echtzeitperipherie eingehen; der dritte Teil auf Echtzeitsoftware und Werkzeuge.

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Die Systemtheorie und dort die Unterkategorie der Kybernetik bildet den Ausgangspunkt der wissenschaftlichen, aber auch geschichtlichen Betrachtung digitaler Echtzeitsysteme. Die Kybernetik beschäftigt sich mit Steuern und Regeln, man könnte also auch schlicht Regelungstechnik dazu sagen. Karl Küpfmüller gab dieser Disziplin Mitte des letzten Jahrhunderts entscheidende Impulse. Dies war auch die Zeit von Zuse und ENIAC, eine Zeit in der Rechner nur zum Rechnen dienten; im Falle von ENIAC beispielsweise zur Berechnung von ballistischen Tabellen.

Von Echtzeit war dies weit entfernt und so waren Echtzeitberechnungen damals Analogrechnern vorbehalten, die mit Totzeit-, Proportional-, Integral- und Differentialgliedern „programmiert“ werden konnten. Doch die Halbleiterei ließ digitale Rechenleistung schneller, besser und billiger werden und so sind heute digitale Regelkreise weit verbreitet. Mathematisch werden analoge Regelkreise als Differentialgleichungen beschrieben, konsequenterweise sind digitale Regelkreise dann aufgrund der Zerlegung der Zeit in diskrete Sprünge Differenzengleichungen.

Wenn man sich in Wikipedia umschaut, findet man Diskussionen um Begrifflichkeiten und auch Meinungsverschiedenheiten zu Inhalten. Deswegen sei hier zunächst der Versuch unternommen, einen Pflock in den schwammigen Boden zu rammen, an dem man sich bei weiteren Überlegungen festhalten kann. Wir definieren dazu: Ein System zeigt Echtzeitverhalten, wenn es auf Einwirkungen von außen vorhersagbar reagiert. Der entscheidende Terminus ist dabei die Vorhersagbarkeit (englisch: „predictability“). Das System soll also in einer vorhersagbaren Zeitspanne ein vorhersagbares Ergebnis liefern.

Unterschiedliche Begrifflichkeiten klären

Diese Definition ist noch recht allgemein und deshalb hoffentlich unstreitig. Sie hat auch den Vorteil, einen weiten Bereich von Anwendungen abzudecken. Auch ein sehr langsamer Regelkreis, wie bei der Beheizung von Wohnräumen, ist hier mit abgedeckt. Dies ist wichtig, da in der Praxis der elektronischen Systeme der Begriff „Echtzeit“ fast synonym mit „schnell“ oder „verzögerungsfrei“ verwendet wird, obwohl eben auch eine langsame Reaktion mit langer Verzögerung echtzeitig sein kann, wenn diese denn vorhersagbar ist.

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