Valós idejű és biztonságkritikus rendszerek

Real-time and Safety-critical Systems

A tantárgyleírás hatályossága

Hatályosság kezdete:

2026. March 21.

Hatályosság vége:

—

Tantárgy neve (magyarul, angolul)

Valós idejű és biztonságkritikus rendszerek

Real-time and Safety-critical Systems

Tantárgykód

BMEVIMIM151

Tantárgyjelleg

—

Képzési szint

—

Kurzustípusok és óraszámok (heti/féléves)

Kurzustípus	elmélet	gyakorlat	laboratóriumi gyakorlat
óraszám (heti)	2	1	0
jelleg (kapcsolt/önálló)	—	kapcsolt	—

Tanulmányi teljesítmény/értékelés típusa

vizsga

Tantárgy kreditértéke

Tantárgyfelelős

Dr. Dabóczi Tamás

beosztás: egyetemi tanár

elérhetőség: daboczi.tamas@vik.bme.hu

Tantárgyat gondozó oktatási szervezeti egység

Mesterséges Intelligencia és Rendszertervezés Tanszék

Kar

Villamosmérnöki és Informatikai Kar

Tantárgy weboldala

—

Tantárgy elsődleges mintatantervi jellege

—

Közvetlen előkövetelmények – Erős előkövetelmény

nincs

Közvetlen előkövetelmények – Gyenge előkövetelmény

nincs

Közvetlen előkövetelmények – Párhuzamos előkövetelmény

nincs

Közvetlen előkövetelmények – Mérföldkő előkövetelmény

nincs

Közvetlen előkövetelmények – Kizáró feltétel

nincs

Célkitűzés

Tantárgyprogram

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.

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.

Tanulmányi eredmények

Ez a tantárgy a KKK rendeletben meghatározott, következő kompetenciák fejlesztését szolgálja:

Tudás

Nincsenek rögzített tanulási eredmények.

Képességek

Nincsenek rögzített tanulási eredmények.

Attitűd

Nincsenek rögzített tanulási eredmények.

Autonómia és felelősség

Nincsenek rögzített tanulási eredmények.

Oktatási módszertan

előadás és gyakorlat

Tanulástámogató anyagok

Online források

[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.

A tantárgy teljesítéséhez ajánlott előzetes ismeretek

Tudás típusú kompetenciák

(azon előzetes ismeretek összessége, amelyek megléte nem kötelező, de a tantárgy eredményes teljesítését nagyban elősegíti)

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.

Képesség típusú kompetenciák

(azon előzetes képességek és készségek összessége, amelyek megléte nem kötelező, de a tantárgy eredményes teljesítését nagyban elősegíti)

nincs

Ajánlott (nem kötelező) előzetesen megszerzendő kompetenciák

(azon ajánlott (nem kötelező) előzetesen megszerzendő kompetenciák összessége, amelyek jelentősen hozzájárulnak a tantárgy eredményes teljesítéséhez)

Általános szabályok

Követelmények: a. A szorgalmi időszakban: Otthoni feladat elfogadható szintű teljesítése. b. Vizsgaidőszakban: írásbeli vizsga Pótlási lehetőségek: Otthoni feladat pótlási időszakban pótolható. Otthoni feladat zárthelyivel nem helyettesíthető.

Teljesítményértékelési módszerek

Szorgalmi időszakban végzett teljesítményértékelések részletes leírása

Nincs megadva részletes értékelés.

Szorgalmi időszakban végzett teljesítményértékelések részaránya

Nincs megadva részarány.

Vizsgaidőszakban végzett teljesítményértékelések részletes leírása

Nincs megadva részletes értékelés.

Vizsgarészek részaránya

Nincs megadva részarány.

Érdemjegy megállapítása

Nincs megadva érdemjegy határ.

Jelenléti és részvételi követelmények

Nincs megadva jelenléti követelmény.

Javítás, ismétlés és pótlás különös szabályai

Nincs megadva.

Rövid leírás

Nincs megadva.

Részletes leírás

Nincs megadva.

Ajánlott tantárgyak

---

A tantárgy elvégzéséhez szükséges tanulmányi munka

Nincs megadva munkaidő bontás.

Tantárgykövetelmények hatályossága

Tantárgykövetelmények hatályosságának kezdete:

—

Tantárgykövetelmények hatályosságának vége:

—

Tantervi elhelyezés

Nincsenek rögzített tantervi elhelyezések ehhez a tárgyverzióhoz.