Budapest University of Technology and Economics, Faculty of Electrical Engineering and Informatics

    Belépés
    címtáras azonosítással

    vissza a tantárgylistához   nyomtatható verzió    

    Valós idejű és biztonságkritikus rendszerek

    A tantárgy angol neve: Real-time and Safety-critical Systems

    Adatlap utolsó módosítása: 2009. október 30.

    Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
    Villamosmérnöki és Informatikai Kar

    Villamosmérnöki szak, MSc képzés

    Beágyazott információs rendszerek szakirány

    Tantárgykód Szemeszter Követelmények Kredit Tantárgyfélév
    VIMIM151 1 2/1/0/v 4  
    3. A tantárgyfelelős személy és tanszék Dr. Dabóczi Tamás, Méréstechnika és Információs Rendszerek Tanszék
    4. A tantárgy előadója

    Dr. Dabóczi Tamás, egyetemi docens

    Dr. Majzik István egyetemi docens

    Méréstechnika és Információs Rendszerek Tanszék

    5. A tantárgy az alábbi témakörök ismeretére épít A tárgy épít az alábbi BSc témakörök ismeretére:

     

    • operációs rendszerek alapfogalmai, memóriaszervezés (Informatika 1, VIIIA202),

       

    • C programozás alapjai (A programozás alapjai 1., VIHIA106),

       

    A tárgy épít a szakirányon belül alábbi témakörök ismeretére:

     

    • Szoftvertechnológia tárgy: párhuzamos, esemény- és idővezérelt programozás, modell alapú szoftverfejlesztés.

       

    6. Előtanulmányi rend
    Kötelező:
    NEM ( TárgyEredmény( "BMEVIAUMA08" , "jegy" , _ ) >= 2
    VAGY
    TárgyEredmény("BMEVIAUMA08", "FELVETEL", AktualisFelev()) > 0
    VAGY
    TárgyEredmény( "BMEVIMIMA10" , "jegy" , _ ) >= 2
    VAGY
    TárgyEredmény("BMEVIMIMA10", "FELVETEL", AktualisFelev()) > 0
    VAGY
    TárgyEredmény( "BMEVIMIMA11" , "jegy" , _ ) >= 2
    VAGY
    TárgyEredmény("BMEVIMIMA11", "FELVETEL", AktualisFelev()) > 0)

    A fenti forma a Neptun sajátja, ezen technikai okokból nem változtattunk.

    A kötelező előtanulmányi rendek grafikus formában itt láthatók.

    Ajánlott:
    ---
    7. A tantárgy célkitűzése A tantárgy első fele azon beágyazott rendszerekkel foglalkozik, ahol a külső eseményre való garantált idejű reakció elvárás (valósidejű vagy real-time rendszerek). Az ilyen rendszerekben az előre rögzített határidő be nem tartása katasztrofális következményekkel járhat. A tantárgy megismertet a valós idejű rendszerek sajátosságaival, tervezési szempontjaival. Ezen belül részletesen foglalkozik a szoftver tervezés sajátosságaival, a prioritásos ütemezők ütemezési algoritmusaival, feladatok ütemezhetőségi analízisével, a szenzorhálózatokban felmerülő időkezelési problémákkal (lokális órák együttfutásának biztosítása), és a valós idejű beágyazott operációs rendszerekkel.

     

    A tárgy második fele azokkal a beágyazott rendszerekkel foglalkozik, amelyek működése hozzájárulhat veszély, illetve adott környezeti feltételek mellett baleset vagy anyagi kár kialakulásához. Ilyen rendszereket találunk például a közlekedési, egészségügyi, folyamatirányítási alkalmazásokban. A tantárgy megismertet a biztonságkritikus rendszerek (sok esetben szabványban is rögzített) konstrukciós alapelveivel, a biztonsági és megbízhatósági analízissel valamint a szisztematikus tesztelés és debuggolás módszereivel.

     

    A tantárgy követelményeit eredményesen teljesítő hallgatóktól elvárható, hogy:

     

    (1) ismerjék a valós idejű (real-time, RT) és biztonságkritikus rendszerek sajátosságait, tervezési szempontjait,

     

    (2) ismerjék a real-time rendszerekben alkalmazott legfontosabb ütemezési algoritmusokat,

     

    (3) alkalmazni tudják a megtanult ütemezhetőségi analízist,

     

    (4) ismerjék a szenzorhálózatok esetében felmerülő időkezelési problémákat, továbbá ismerjék és alkalmazni tudják az óraszinkronizációs algoritmusokat,

     

    (5) legyen áttekintésük a beágyazott valósidejű operációs rendszerekről, és ezek közül egy-kettőt ismerjenek részletesen,

     

    (6) legyenek képesek biztonságkritikus, illetve nagy megbízhatóságú rendszerek architektúrájának kialakítására,

     

    (7) ismerjék a veszélyanalízis, megbízhatósági analízis és az általános kockázatcsökkentési módszereket,

     

    (8) alkalmazni tudják a szisztematikus tesztelési technikákat.

     

     

    8. A tantárgy részletes tematikája 1. Valós idejű (real-time) rendszerek (3 óra elmélet/előadás):

     

    Célitűzés: valós idejű rendszerek speciális problémáinak bemutatása

     

    Mitől valós idejű egy rendszer? Kemény és puha valósidejű rendszerek megkülönböztetése. Hibakezelés valós idejű rendszerekben (fail-safe és fail operational üzemmódok). Bizánci típusú hibák.

     

    2. Ütemezés (3 óra elmélet/előadás + 2 óra számítási gyakorlat):

     

    Célkitűzés: real-time rendszerekben alkalmazott prioritásos szoftverstruktúrák elemzése, ütemezési algoritmusok bemutatása és ütemezhetőségi analízis begyakoroltatása.

     

    Real-time rendszerek modellezése, taszkok állapotai, ütemezhetőségi analízis (Deadline Monotonic Analysis), Earliest Deadline First és a Least Laxity First algoritmusok, prioritásinverzió és ennek elkerülése, pillanatnyi prioritás öröklés, prioritás felső határ protokoll.

     

    3. Óraszinkronizálás (2 óra elmélet/előadás + 1 óra számítási gyakorlat):

     

    Célkitűzés: annak bemutatása, hogy elosztott RT rendszerekben az idő kezelése kritikus (különböző csomópontoknál keletkező események előidejűségének megállapítása, egyidejű mintavétel vagy beavatkozás). Lokális órák együttjárásának vagy a globális idővel való egyezésének biztosítására szolgáló módszerek megismertetése.

     

    Időreprezentáció, időkezelés. Referenciaóra, helyes óra, pontos óra definiálása. Órák hibájának modellezése ofszettel és óradrifttel. Időtartam mérése esetén jelentkező hibák. Óraszinkronizációs algoritmusok: központi órarendszerek, központilag felügyelt órarendszerek, elosztott órarendszerek.

     

    4. Memóriamenedzsment (1 óra elmélet/előadás):

     

    Célktűzés: a különböző memóriakezelési módszerek analízise valósidejű rendszerek követelményeinek szempontjából.

     

    Statikus, stack, heap memóriakezelés elemzése.

     

    5. Real-time futtatórendszerek, kernelek, operációs rendszerek (5 óra elmélet/előadás + 1 óra demonstráció):

     

    Célkitűzés: a valósidejű beágyazott rendszerekben alkalmazott operációs rendszerek áttekintése.

     

    Beágyazott real-time operációs rendszerek összehasonlítása, egy-egy RTOS részletes vizsgálata (uCOs, eCos, TinyOS stb).

     

    6. Biztonságkritikus rendszerek alapfogalmai (3 óra elmélet/előadás):

     

    Célkitűzés: a rendszer- és szoftverbiztonság koncepciójának bemutatása.

     

    Baleset, kockázat, biztonság fogalma. A megbízhatóság, rendelkezésre állás és a biztonság kapcsolatának bemutatása, kritériumok és mérőszámok hozzárendelése (megbízhatóság, rendelkezésre állás, készenlét, MTFF, MTTF, MTTR). Az előírt biztonságintegritási szintek és a (szabványok szerinti) tervezési folyamat kapcsolata.

     

    7. Biztonságkritikus rendszerek architektúrája (3 óra elmélet/előadás):

     

    Célkitűzés: az architektúratervezés alapelveinek és tipikus megoldásainak bemutatása.

     

    A biztonságos működés általános feltételei hibák bekövetkezése esetén. A többcsatornás működés mint tipikus megvalósítás. Tervezési minták bemutatása (biztonsági mag, redundancia, szoftver architektúrák).

     

    8. Biztonsági és megbízhatósági analízis (4 óra elmélet/előadás + 1 óra alkalmazási gyakorlat):

     

    Célkitűzés: a veszély- illetve a megbízhatósági analízis módszerek áttekintése, az egyes analízis technikák szerepének és alkalmazási feltételeinek elemzése.

     

    A rendszervizsgálat alapvető módszerei: az analitikus modellezés, szimuláció, illetve mérés sajátosságai. Veszélyanalízis technikák (hibafa, eseményfa, ok-következmény analízis, FMEA, FMECA) és megbízhatósági analízistechnikák (Boole-modellek, kitekintésként sztochasztikus modellek) alkalmazása. Az általános kockázatcsökkentési módszerek áttekintése.

     

    9. Formális verifikáció (2 óra elmélet/előadás + 1 óra demonstráció):

     

    Célkitűzés: a matematikai precizitású, formális módszereken alapuló helyességigazolás demonstrálása.

     

    Specifikáció biztonsági analízisének kritériumai. A modellalapú formális verifikáció bemutatása egy mintapéldán keresztül: időzített automaták (mint viselkedésmodell) és temporális logika (mint követelményleírás) alkalmazása. A korszerű integrált fejlesztőrendszerek lehetőségei: a SCADE tervezői keretrendszer.

     

    10. Tesztelés és diagnosztika (3 óra elmélet/előadás + 1 óra alkalmazási gyakorlat):

     

    Célkitűzés: a szisztematikus tesztelési technikák és stratégiák alkalmazásának bemutatása.

     

    Funkcionális tesztelési módszerek (ekvivalenciaparticionálás, határértékanalízis) ismertetése és alkalmazása. A modellalapú teszttervezés lehetőségei, objektumorientált rendszerek tesztelésének specialitásai. A strukturális tesztelés és a kapcsolódó teszt fedettségi mértékek szerepe. Monitorozás és debuggolás.

     

    9. A tantárgy oktatásának módja (előadás, gyakorlat, laboratórium) előadás és gyakorlat
    10. Követelmények

    a. A szorgalmi időszakban: Otthoni feladat elfogadható szintű teljesítése.

    b. Vizsgaidőszakban: írásbeli vizsga

    11. Pótlási lehetőségek Otthoni feladat pótlási időszakban pótolható. Otthoni feladat zárthelyivel nem helyettesíthető.
    12. Konzultációs lehetőségek Igény szerint, megbeszélés alapján
    13. Jegyzet, tankönyv, felhasználható irodalom [1] Jane W. S. Liu, Real-time systems, Prentice Hall, New Jersey, 2000.

     

    [2] Nancy G. Leveson, Safeware: System Safety and Computers, Addison-Wesley, 1995.

     

    14. A tantárgy elvégzéséhez átlagosan szükséges tanulmányi munka
    Kontakt óra42
    Félévközi készülés órákra5
    Felkészülés zárthelyire 
    Házi feladat elkészítése25
    Kijelölt írásos tananyag elsajátítása 
    Vizsgafelkészülés48
    Összesen120
    15. A tantárgy tematikáját kidolgozta

    Dr. Dabóczi Tamás, egyetemi docens

    Dr. Majzik István, egyetemi docens

    Kovácsházy Tamás, egyetemi adjunktus

    Egyéb megjegyzések A tárgy neve angolul: Real-time and Safety-critical Systems