Echtzeitanforderungen und Latenz

Ein Echtzeit-System muss innerhalb einer Frist reagieren. Das Verfehlen von Fristen führt zu einem Fehler:

• Harte Echtzeit — eine verfehlte Frist bedeutet einen Systemfehler (Medizintechnik, Avionik)
• Weiche Echtzeit — verfehlte Fristen beeinträchtigen die Qualität, werden aber toleriert (Audio, Video)

Echtzeit-Code bevorzugt eine vorhersagbare Laufzeit gegenüber Spitzenleistung. Eine Funktion, die immer 10 us benötigt, ist einer Funktion vorzuziehen, die 1–20 us benötigt.

Heap-Operationen sind unvorhersehbar — etwa durch Fragmentierung und Entscheidungen des Allokators. Allokieren Sie beim Start und verwenden Sie den Speicher wieder. Embedded-Codingstandards verbieten new außerhalb der Initialisierung häufig.

Das Auslösen von Ausnahmen verursacht unvorhersehbare Kosten. Der meiste Echtzeit-C++-Code wird mit -fno-exceptions kompiliert.

Virtuelle Funktionen fügen eine Indirektion hinzu und können die Verzweigungsvorhersage beeinträchtigen. Verwenden Sie Templates oder CRTP für statische Polymorphie.

Sperren können zu einer Prioritätsumkehr führen — ein Thread mit niedriger Priorität, der eine Sperre hält, blockiert einen Thread mit hoher Priorität. Lock-Free-Datenstrukturen vermeiden dieses Problem.

Wenn Sie Sperren verwenden müssen, bevorzugen Sie solche mit Prioritätsvererbung — das Betriebssystem erhöht vorübergehend die Priorität des Threads, der die Sperre hält.

Analysieren Sie den längsten Pfad durch Ihren Code. Werkzeuge und manuelle Analysen schätzen die maximale Anzahl an Zyklen, die eine Funktion benötigen kann. Die WCET beeinflusst die Scheduling-Entscheidungen.

Für harte Echtzeit verwenden Sie ein RTOS (FreeRTOS, Zephyr, VxWorks) oder Bare Metal. Allgemeine Betriebssysteme können Ihre Aufgabe auf unbestimmte Zeit verzögern.

Cache- und TLB-Fehlzugriffe verursachen unvorhersehbare Verzögerungen. Sperren Sie Daten im Cache oder verwenden Sie Scratchpad-RAM für die kritischsten Abschnitte.

Allokieren Sie aus vordimensionierten Pools statt aus dem allgemeinen Heap. Allokierung und Freigabe erfolgen in konstanter Zeit. Viele Embedded-C++-Projekte verwenden ausschließlich solche Pools.

Die Leistung auf einer Workstation sagt wenig über die Leistung auf einem MCU aus. Führen Sie Benchmarks immer auf der Zielhardware unter realistischen Lastbedingungen durch.

Echtzeit-C++ bevorzugt Vorhersagbarkeit gegenüber Spitzenleistung. Vermeiden Sie Heap-Allokierungen, Ausnahmen, virtuelle Aufrufe und vom Betriebssystem verwaltete Sperren. Verwenden Sie statischen Speicher, Speicherpools und Lock-Free-Strukturen und analysieren Sie die Ausführungszeit im Worst Case. Profilieren Sie auf dem tatsächlichen Zielsystem.