Echtzeitsystem

Was ist ein Echtzeitsystem?

Ein Echtzeitsystem ist ein System, das nicht nur „schnell“ arbeitet, sondern garantierte Reaktionszeiten einhält. Entscheidend ist dabei die Vorhersagbarkeit: Bestimmte Ereignisse (z. B. ein Sensorsignal) müssen innerhalb einer festgelegten Zeit verarbeitet und eine passende Aktion ausgelöst werden.

Ein einfaches Bild dafür ist ein Metronom: Es geht nicht um den schnellsten Takt, sondern darum, dass der Takt zuverlässig und regelmäßig eingehalten wird. Genau diese Verlässlichkeit ist der Kern von Echtzeit.

In der Praxis wird häufig zwischen harter Echtzeit (eine Deadline darf nicht überschritten werden) und weicher Echtzeit (seltene Überschreitungen sind tolerierbar, führen aber zu Qualitätsverlust) unterschieden.

Wofür werden Echtzeitsysteme eingesetzt?

Echtzeitsysteme kommen überall dort zum Einsatz, wo Zeitverhalten sicherheits- oder funktionskritisch ist oder wo Prozesse synchron laufen müssen. Typische Beispiele in Elektronikprojekten sind:

• Automatisierung und Maschinensteuerungen (z. B. Antriebsregelung, Sicherheitsfunktionen, Taktbetrieb)
• Medizintechnik (z. B. kontrollierte Dosierung oder präzise Mess- und Regelprozesse)
• Automotive und Nutzfahrzeuge (z. B. Assistenzfunktionen, Sensorverarbeitung, Regelkreise)
• Industrial IoT/Edge-Geräte mit lokalen Echtzeitreaktionen, auch wenn die Cloud-Verbindung schwankt
• Kommunikationssysteme, bei denen feste Zeitfenster oder deterministische Buszyklen eingehalten werden müssen

Für uns als E²MS-/EMS-Dienstleister zeigt sich der Begriff oft in Anforderungen an Firmware, Kommunikationsschnittstellen, Regelalgorithmen und das gesamte Systemdesign aus Hardware und Software.

Wie funktioniert ein Echtzeitsystem in der Praxis?

Damit Reaktionszeiten garantiert werden können, wird ein Echtzeitsystem in der Regel so ausgelegt, dass Zeit und Rechenressourcen planbar bleiben. Dazu gehören unter anderem:

• Priorisierung: Wichtige Aufgaben (z. B. Sensor lesen, Aktor ansteuern) erhalten Vorrang vor weniger kritischen Aufgaben (z. B. Logging).
• Deterministische Ablaufplanung: Aufgaben laufen in fest definierten Zyklen oder Zeitfenstern (z. B. alle 1 ms).
• Begrenzte Laufzeiten: Software wird so entwickelt, dass einzelne Routinen ihre maximale Ausführungszeit einhalten (z. B. durch Vermeidung unkontrollierter Speicherzugriffe oder blockierender Wartezeiten).
• Geeignete Plattform: Mikrocontroller, Echtzeitbetriebssystem (RTOS) oder ein speziell konfiguriertes System, je nach Komplexität.

In Projekten ist außerdem wichtig, dass die Echtzeitfähigkeit messbar wird: Reaktionszeiten, Jitter (Schwankung), Worst-Case-Ausführungszeiten und das Verhalten bei Lastspitzen werden geprüft – idealerweise früh im Prototyping und später erneut in der Serienüberführung.

Warum ist ein Echtzeitsystem für Unternehmen relevant?

Ein Echtzeitsystem beeinflusst nicht nur die Technik, sondern auch Projektziele und Risiken. Für Unternehmen ist der Begriff vor allem aus diesen Gründen relevant:

• Zuverlässigkeit und Qualität: Garantierte Reaktionszeiten reduzieren sporadische Fehlfunktionen, die sonst schwer zu finden sind.
• Risiko- und Haftungsreduktion: In sicherheitsnahen Anwendungen zählt nicht „meistens funktioniert es“, sondern „es funktioniert innerhalb definierter Grenzen“.
• Kostenkontrolle: Unklare Echtzeit-Anforderungen führen häufig zu späten Änderungen (Hardware-Reserven, Software-Umbauten, neue Tests) und erhöhen Aufwand sowie Stückkosten.
• Time-to-Market: Wenn Echtzeit von Beginn an berücksichtigt wird (Architektur, Schnittstellen, Tests), sinkt das Risiko von Verzögerungen in Integration und Validierung.
• Automatisierung/Digitalisierung: Viele digitalisierte Prozesse in der Industrie benötigen deterministische Reaktionen, damit Daten und Aktionen zeitlich zusammenpassen.

In der Zusammenarbeit bedeutet das: Reaktionszeiten sollten möglichst konkret spezifiziert werden (z. B. „max. 5 ms bis Ausgang schaltet“) und in Entwicklung, Test und späterer Fertigung durch passende Prüfkonzepte abgesichert sein.

Im Kontext von Firmware, Hardwareauslegung und Teststrategie ist ein Echtzeitsystem eng mit der Umsetzung in der Elektronikentwicklung verbunden.