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Kapitel 00 · Organisation

Einführung in Echtzeit‑
und Betriebssysteme

Dieses Modul verbindet zwei Welten: das Allzweck‑Betriebssystem auf deinem Laptop und das Echtzeit‑Betriebssystem in Auto, Flugzeug und Mikrocontroller. Ziel: verstehen, wie Software die Hardware bändigt — und warum manchmal Millisekunden über Leben und Tod entscheiden.

Modul 2
Betriebssysteme

Grundlagen, Aufgaben, Abstraktion & Ressourcenverwaltung. Der „Alleskönner".

Modul 1
Echtzeitbetriebssysteme

Determinismus, Deadlines, FreeRTOS & Pigweed. Der „Spezialist".

Lernziele der Veranstaltung

Was du am Ende können sollst.

{{ z.n }}
{{ z.title }}
{{ z.desc }}
{{ t.tag }}
{{ t.datum }}
Aufgabenblatt Feiertag (fällt aus) Zusammenfassung

Vorbereitung für die Übungen

Diese Werkzeuge solltest du vorab installieren.

Kapitel 01 · Grundlagen

Was ist ein Betriebssystem?

„Ein Betriebssystem ist eine Software, welche die Ausführung von Programmen steuert und Dienste bereitstellt…"

— ISO/IEC 2382

{{ d.icon }}
{{ d.de }}
{{ d.en }}

{{ d.desc }}

Aufgaben: die drei Rollen des BS

Ein Betriebssystem trägt gleichzeitig drei Hüte.

{{ r.icon }}
{{ r.role }}
{{ r.de }} · {{ r.en }}
  • {{ p.t }} {{ p.d }}
    •
Interaktiv · Animation
Multitasking auf einem Kern
Ein Prozessor, drei Programme — durch schnelles Umschalten wirkt es gleichzeitig.
{{ pg.name }}
{{ pg.desc }}
CPU‑Zeitachse (Time‑Slices)→ Zeit
Schaltgeschwindigkeit {{ schedSpeedLabel }}
{{ schedHint }}

Abstraktion & Ressourcenverwaltung

Zwei Blickwinkel auf dieselbe Aufgabe.

User‑Sicht
🛡️ Abstraktion

Schutzschild & Vereinfacher.

  • Details verbergen: Niemand muss wissen, wie Magnetisierung oder Pixelspannung funktioniert.
  • Einheitliche Schnittstellen: Ob Samsung- oder SanDisk-USB — für dich immer „ein Laufwerk".
  • Virtuelle Maschine: Eine ideale, vereinfachte Hülle über komplizierter Hardware.
System‑Sicht
👮 Ressourcenverwaltung

Manager & Polizist.

  • Effizienz: Teure Hardware maximal auslasten, ohne dass das System „einfriert".
  • Fairness: Kein einzelnes Programm darf alle Ressourcen an sich reißen.
  • Sicherheit: Prozesse isolieren — Online-Banking vs. dubiose Website.
Interaktiv · Beispiel 1
Die Illusion des unendlichen, sauberen Speichers

Jedes Programm glaubt, es habe einen eigenen, leeren Speicher ab Adresse 0. In Wahrheit ist der RAM zerstückelt und voll mit fremden Daten. Das BS bildet virtuelle auf physische Adressen ab.

So sieht es dein Programm
{{ v.addr }}
durchgehend · leer · ab 0
→
BS bildet
ab
Die Realität im RAM
{{ v.addr }} {{ v.who }}
zerstückelt · fremd · feste Adressen
Beispiel 2
„Immer verfügbare" CPU

Illusion: Jedes Programm denkt, es hätte den Prozessor ganz für sich und liefe ununterbrochen.

Realität: Nur wenige Kerne, aber hunderte Prozesse wollen gleichzeitig laufen.

Beispiel 3
Einheitliche Hardware

Illusion: „Egal welche Festplatte — für dich ist es nur ein Ort für Urlaub.jpg."

Realität: Tausende verschiedene Platten, Grafikkarten und Drucker, alle unterschiedlich angesteuert.

Kapitel 02 · Vergleich

GPOS gegen RTOS

Zwei Philosophien. Das eine will flüssig & fair sein, das andere pünktlich & vorhersehbar.

💻
GPOS
General Purpose OS · Allzweck

Der Alleskönner für Flexibilität und Benutzerfreundlichkeit.

Beispiele: Windows, macOS, Linux, Android
Hauptziel: Hoher Durchsatz, flüssige Bedienung, Multitasking
Zeitverhalten: Soft‑Real‑Time / unvorhersehbar — 10 ms Verspätung sind okay
Fairness: Rechenzeit möglichst gerecht verteilen
⏱️
RTOS
Real‑Time OS · Echtzeit

Der Spezialist für Zuverlässigkeit und feste Zeitvorgaben.

Beispiele: FreeRTOS, VxWorks, QNX, Real‑Time Linux
Hauptziel: Determinismus, Einhalten von Deadlines
Zeitverhalten: Hard‑Real‑Time — Verspätung kann katastrophal sein (Airbag!)
Priorität: Kritische Interrupts haben immer Vorrang
Merkmal
GPOS
RTOS
{{ row.m }}
{{ row.g }}
{{ row.r }}
Interaktiv · Timing
Bus vs. Uhrwerk — wann kommen die Ergebnisse an?

Jeder Marker ist eine fertige Aufgabe. Die rote Linie ist die Deadline. Beobachte: Das RTOS trifft exakt, das GPOS schwankt — und reißt manchmal die Frist.

⏱️RTOS · Uhrwerk— gleichmäßig, immer im grünen Bereich
Deadline
🚌GPOS · Bus— mal früher, mal später, manchmal zu spät

Fairness vs. Durchsatz

Zwei Ziele, die sich oft widersprechen. Erst die Begriffe — dann selbst am Regler ausprobieren.

System-Sicht
⚖️ Fairness

Viele Prozesse konkurrieren gleichzeitig um die CPU — Ziel ist eine gerechte Verteilung der Rechenzeit.

  • Gleiche Chancen: jeder Prozess gleicher Priorität erhält einen fairen Anteil an CPU‑Zeit.
  • Verhungern vermeiden (Starvation): auch niedrig priorisierte Prozesse kommen irgendwann dran.
  • Time‑Slicing: Verfahren wie Round Robin geben jedem ein festes Zeitquant.
System-Sicht
📈 Durchsatz

Der Durchsatz (Throughput) misst die Effizienz bei der Abarbeitung von Aufgaben über einen längeren Zeitraum.

  • Maximierung der Arbeit: so viele Prozesse wie möglich pro Zeiteinheit abschließen.
  • Minimierung des Overheads: weniger Kontextwechsel (Context Switches) = mehr Nutzarbeit.
  • Batch‑Verarbeitung: Hintergrundaufgaben effizient „wegarbeiten", solange nichts Interaktives Vorrang hat.

Es besteht ein Zielkonflikt (Trade‑off) — schiebe den Regler und beobachte, wie sich beide Seiten verändern.

← Fokus: Fairness Fokus: Durchsatz →
Reaktionszeit (interaktiv){{ reaktionLabel }}
Durchsatz (Effizienz){{ durchsatzLabel }}
Kontextwechsel: {{ switchLabel }}
{{ tradeoffHint }}
🎯 Determinismus

Bei gleichen Eingangsbedingungen immer das gleiche zeitliche Verhalten.

  • Vorhersehbarkeit: mathematisch beweisbar, wann ein Task fertig ist.
  • Preemption: der wichtigste Task verdrängt andere sofort.
  • Garantie: die Deadline wird eingehalten (Hard‑Real‑Time).
⚡ Latenz

Verzögerung zwischen Ereignis und Reaktion — beim RTOS minimiert.

  • Interrupt‑Latenz: Signal → Start der ISR.
  • Task‑Switch‑Latenz: Stopp alt → Start des höchstprioren Tasks.
  • Jitter: Schwankung der Latenz — ein RTOS hält sie klein.
Interaktiv · Interrupt
Interrupt feuern & Jitter messen

Drücke mehrfach auf „Interrupt feuern". Jeder Balken ist die gemessene Reaktionszeit (Interrupt → ISR). Beim RTOS bleiben die Balken fast gleich hoch (wenig Jitter), beim GPOS springen sie wild.

Noch keine Messung — feuere einen Interrupt ↓
{{ s.us }}
Ø {{ latAvg }} Jitter {{ latJitter }}
Zusammenfassung
RTOS priorisiert Deadlines, GPOS maximiert Durchsatz
{{ row.m }}
{{ row.r }}
{{ row.g }}
Kapitel 03 · Praxis

FreeRTOS & Pigweed

Es gibt viele RTOS. Aber welches lernt man — und wie schreibt man Code, der überall läuft?

Die RTOS‑Landschaft

RTOS
Typ
Stärken
Anwendung
{{ r.name }}
{{ r.typ }}
{{ r.staerken }}
{{ r.anwendung }}
🐧
Was ist FreeRTOS?
  • Open‑Source‑RTOS für Mikrocontroller
  • Winziger Footprint: oft <10 KB ROM, <2 KB RAM
  • De‑facto‑Industriestandard, verwaltet von Amazon (AWS)
  • C‑basiert, stark modular
🌱
Lösung: Pigweed

Googles quelloffene Sammlung modularer C++‑Bibliotheken (Middleware) für robuste Embedded‑Systeme. Sie bildet eine Abstraktionsschicht: derselbe Code läuft ohne Änderung auf verschiedenen Mikrocontrollern — oder sogar auf dem PC.

Mit Tokenized Logging & integriertem Unit‑Testing spart es Speicher und beschleunigt den Entwicklungszyklus.

RTOS‑Abstraktion: FreeRTOS → Pigweed

Pigweed vereinheitlicht hardwarenahe Funktionen — plattformunabhängig.

{{ a.konzept }} {{ a.free }} → {{ a.pig }}

{{ a.desc }}
Nachschlagen

Fachwort‑Glossar

Jeder englische Fachbegriff mit deutscher Übersetzung und einfacher Erklärung.

{{ g.en }} · {{ g.de }}

{{ g.desc }}
Kein Begriff gefunden für „{{ glossarQ }}".
Selbsttest

Quiz & Lernfragen

Multiple‑Choice korrigiert sich nach dem Prüfen automatisch. Offene Fragen beantwortest du selbst — dann klappst du die Musterlösung auf.

Fortschritt Multiple‑Choice{{ quizScoreLabel }}
{{ q.kindLabel }} Frage {{ q.num }}
{{ q.prompt }}
Wähle zuerst eine Antwort.
{{ q.resultHead }} {{ q.explain }}
Musterlösung
{{ q.answer }}
Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit ✦