Hardware und Software für Echtzeit-Systeme

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Eine zweite Komponente, die Emotionen hervorruft: die Unterscheidung von harter und weicher Echtzeit. Mit weichem Echtzeitverhalten ist gemeint, dass ein System üblicherweise eine definierte Reaktionszeit nicht überschreitet. Hartes Echtzeitverhalten bedeutet hingegen, dass eine bestimmte Zeit garantiert und systembedingt nie überschritten wird.

Ein klassisches Beispiel für weiches Echtzeitverhalten sind Multimedia-Streams, bei denen ein Ausfall des Echtzeitverhaltens lediglich zum Ruckeln eines Videos führen würde. Sicherheitsrelevante Systeme erfordern hingegen hartes Echtzeitverhalten. Wer auf die Bremse seines Autos tritt, erwartet eben auch, dass es vorhersehbar anhält. Letzteres Beispiel weist auch gleich auf eine dritte emotionale Komponente von Echtzeit hin, denn harte Echtzeitsysteme sind selten Spielereien sondern zumeist „mission critical“. Wer eine flapsige Bemerkung macht, dass ein verpasstes Sensorsignal wohl kaum so schlimm sein könne, der wird schnell und mit Nachdruck eines Besseren belehrt.

Beispiel Frequenzumrichter

Ein gutes Beispiel für ein hartes Echtzeitsystem ist eine elektrische Motorregelung, also ein Frequenzumrichter. Das System stellt eine Regelschleife dar, in der kontinuierlich und im Takt der Motordrehungen Sensorsignale geliefert, verarbeitet und neue PWM-Einstellungen ausgegeben werden müssen (Bild 1). Eine Verletzung des erforderlichen harten Echtzeitverhaltens wäre fatal und könnte zu großem Schaden führen, insbesondere wenn der Motor sicherheitsrelevante Systeme antreibt.

Was bedeuten derartige Echtzeitanforderungen für einen Mikrocontroller? Eine MCU mit gutem Echtzeitverhalten hat also folgendes Profil:

• ein gutes Interruptsystem mit schneller, garantierter Reaktion und Priorisierung;
• eine schnelle CPU, insbesondere wenn die Berechnungen zwischen zwei Ereignissen aufwendig sind. Im Falle des Frequenzumrichters handelt es sich oft um komplexe Matrixoperationen, immer häufiger auch mit Gleitkommaarithmetik;
• geeignete Peripherie und Schnittstellen, die ebenfalls ein garantiertes Zeitverhalten bereitstellen müssen. Beispiele sind Echtzeit-Ethernet, CAN, aber – auch wenn auch weniger beachtet – der Isochron- oder Interruptmodus des USB.

Viele SH-2A MCUs sind speziell für Motorsteuerungen entwickelt und beinhalten deshalb ein Interruptsystem mit 15 Registerbänken, die binnen 30 ns reagieren. Das neueste Produkt ist der SH7216F, der eine Gleitkommarecheneinheit bietet. Das Echtzeitverhalten wird zudem durch das 200 MHz schnelle MONOS-Flash (Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon) unterstützt. Die Timer geben die notwendige PWM aus, sogar mit geregelter Totzeitkompensation, und zwei 12-Bit-A/D-Wandler messen die Phasenströme binnen 1µs. Neben seriellen Schnittstellen stehen auch Ethernet, CAN und USB zur Verfügung.

Software muss den Anforderungen genügen

Die Software muss den Echtzeitanforderungen ebenfalls gerecht werden. Leistungsfähige Echtzeit-Betriebssysteme (RTOS) bieten z.B. embOS von Segger, uc/OS3 von Micrium oder FreeRTOS mit folgenden Vorteilen für die Entwickler:

• garantiertes Echtzeitverhalten, abgesichert durch Echtzeit-Betriebssysteme, die sich in zahlreichen Systemen bewährt haben;
• modulare Software durch das Zerlegen in Tasks. Dadurch auch einfachere Softwarepflege;
• schnellere Entwicklung, insbesondere wenn neben dem RTOS-Kernel auch getestete Middleware für die Schnittstellen (CAN, USB, Ethernet) verwendet wird.
• bessere Dokumentation, auch wegen guter RTOS-Entwicklungstools;
• gegenüber Windows und Linux haben diese schlanken Echtzeitbetriebssysteme weitere Vorteile, wie das Fehlen eines Bootvorganges (Instant On) und den vergleichsweise geringen Rechenleistungs- und Speicherverbrauch.

Echtzeitdaten reichen von Sensorsignalen bis hin zu Audio- oder Videodatenströmen. Diese große Bandbreite an Anwendungen und Anforderungen verlangt uns Ingenieuren Toleranz untereinander ab. Denn der Ingenieur, der Linux in 1 s booten lässt, hat genauso hart gearbeitet, wie der, der einen Motor in 1 µs abschaltet. Beide können stolz auf das Erreichte sein und in der Kneipe ein Bier zusammen trinken.

*Joachim Hüpper ist Marketing Manager Industrial Business Group bei Renesas Electronics Europe, Aschheim/München.

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