SOFTWARE DE CONTROL EN TIEMPO- REAL PARA SISTEMAS ESPACIALES

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1 SOFTWARE DE CONTROL EN TIEMPO- REAL PARA SISTEMAS ESPACIALES Máster Universitario en Ciencia y Tecnología desde el Espacio Universidad de Alcalá Curso Académico 2011/12

2 GUÍA DOCENTE Nombre de la asignatura: Código: Titulación en la que se imparte: Departamento y Área de Conocimiento: Carácter: Créditos ECTS: 6 Curso y cuatrimestre: Profesorado: Horario de Tutoría: Idioma en el que se imparte: Software de control en tiempo real para sistemas espaciales Máster Universitario en Ciencia y Tecnología desde el Espacio Automática Obligatoria 1º, C2 Sebastián Sánchez Prieto Óscar Rodríguez Polo Mariano Gómez Plaza Sebastián Sánchez Prieto: Lunes de 17:00 a 18:00 y Miércoles de 16:00 a 19:00 Óscar Rodríguez Polo: Lunes de 17:00 a 18:00 y Miércoles de 16:00 a 19:00 Mariano Gómez Plaza: Miércoles de 18:00 a 19:00 Español 1. PRESENTACIÓN Dentro de los elementos que constituyen un satélite artificial existe uno que está presente en cualquiera de los subsistemas que contenga un microprocesador o un microcontrolador, se trata del software de control. El proceso de diseño, desarrollo y pruebas de este software debe acogerse a una serie de normas que garantice su correcto funcionamiento en todos los casos. Aparte de los requisitos de robustez, fiabilidad y seguridad asociado a este tipo de software existe otro que tiene una importancia fundamental para que todo se desarrolle con las restricciones temporales exigidas, se trata de los requisitos de tiempo real. El objetivo de la asignatura es que el alumno conozca la problemática asociada a los sistemas de tiempo real así como las soluciones más extendidas en su campo de aplicación espacial. Se introducirán las técnicas de planificación formal para sistemas de tiempo real duro y los estándares de programación junto con la presentación de herramientas de modelado de este tipo de sistemas. Se comenzará con una exposición general de qué es un sistema empotrado y un sistema de tiempo real y sobre la importancia del factor tiempo en este tipo de sistemas. A continuación se presentarán las técnicas de planificación en este tipo de sistemas para seguir con la problemática de acceso a recursos compartidos y cómo evitar la inversión de prioridades. Seguidamente se presentarán los estándares de tiempo real. El siguiente tema abordado es el de los sistemas operativos de tiempo real, presentando casos particulares así como la presentación exhaustiva de la API (Application Program Interface) de uno de ellos. 2

3 Finalmente se aborda la presentación del modelado de este tipo de sistemas, el uso de sus herramientas y la reutilización de patrones de diseño. Paralelamente a la exposición teórica, se presentarán también las actividades y elementos más relevantes de las distintas fases del proceso de desarrollo del software de control de un satélite real. El objetivo es hacer énfasis, empleando un ejemplo concreto, de la importancia que tienen los conceptos teóricas previamente expuestos en el marco de un proyecto desarrollado con éxito. Los contenidos prácticos de la asignatura incluye dos apartados: por un lado la programación de este tipo de sistemas haciendo uso de un sistema operativo de tiempo real y por otro la utilización de herramientas de modelado basado en componentes. Para el primer apartado se propone el uso de RTEMS y para el segundo, el uso de UML2. 2. COMPETENCIAS Esta asignatura contribuye a que el estudiante desarrolle las siguientes: Competencias genéricas: 1. Capacidad de análisis y síntesis. 2. Capacidad de planificación y programación. 3. Capacidad de búsqueda y gestión de la información. 4. Comunicación oral y escrita. 5. Trabajo en equipo. 6. Razonamiento crítico. 7. Aprendizaje autónomo. Esta asignatura contribuye a que el estudiante desarrolle las siguientes: Competencias específicas: 1. Reconocer la necesidad y utilidad de los sistemas de tiempo real en entornos espaciales. 2. Identificar los requisitos temporales que debe cumplir un sistema de control. 3. Distinguir entre sistemas de tiempo real duro y blando. 4. Conocer las técnicas de planificación en este tipo de sistemas. 5. Comprender la problemática de la inversión de prioridades, identificarla y aportar la solución más adecuada en cada caso. 6. Conocer y saber utilizar entornos de desarrollo software. 7. Aplicar los estándares de programación de este tipo de sistemas. 8. Saber utilizar la API de un sistema de tiempo real y conocer su funcionalidad. 9. Aportar soluciones software a problemas concretos planteados. 3

4 10. Reconocer, dentro de las fases de desarrollo del software de control de tiempo real de un satélite, los elementos más relevantes del enfoque teórico de realización de un sistema de tiempo real. 11. Estructurar adecuadamente un sistema para su correcta implantación. 12. Utilizar adecuadamente las herramientas de modelado en sistemas de tiempo real. 3. CONTENIDOS Bloques de contenido Introducción a los Sistemas Empotrados Sistemas de Tiempo Real Planificación en Sistemas de Tiempo Real Recursos compartidos Estándares de Tiempo Real Sistemas Operativos de Tiempo Real Modelado basado en componentes Generación automática de código Seguimiento del proceso de desarrollo de software de control para un satélite específico horas 9 horas (3 semanas) 6 horas (2 semanas) 6 horas (2 semanas) 3 horas (1 semanas) 6 horas (2 semanas) 4. METODOLOGÍAS DE ENSEÑANZA-APRENDIZAJE.-ACTIVIDADES FORMATIVAS 4.1. Distribución de créditos (especificar en horas) Número de horas presenciales: Número de horas del trabajo propio del estudiante: Total horas Clases en gran grupo: 42 horas (3 horas x 14 semanas) Evaluaciones: 4 horas Total: 46 horas presenciales Preparación de las clases, aprendizaje autónomo, preparación de ejercicios, pruebas y prácticas, preparación de la prueba final. Total: 104 horas 150 horas 4

5 4.2. Estrategias metodológicas, materiales y recursos didácticos Clases Teóricas (en grupos grandes) Clases Prácticas (en grupos reducidos) Tutorías individuales, grupales y vía web (foro, correo, etc.) Presentación y/o revisión de conceptos Presentaciones orales y otras actividades Presentación y/o revisión de conceptos de carácter eminentemente práctico. Resolución de problemas Sesiones prácticas de laboratorio: orientadas a consolidar los conceptos presentados previamente así como a familiarizar al estudiante con herramientas software de apoyo al estudio de la materia y futuro desempeño profesional Presentaciones orales y otras actividades Resolución de dudas Apoyo al aprendizaje autónomo 5. EVALUACIÓN: Procedimientos, criterios de evaluación y de calificación 1 Se plantea una evaluación continua del rendimiento del estudiante mediante un sistema de seguimiento del trabajo programado considerando cinco elementos básicos: Exámenes: 20%. A lo largo del curso se realizarán entre 2 y 4 exámenes objetivos cuyo contenido versará sobre los temas tratados en clase o en conferencias. Trabajo: 25%. Se trata de un trabajo individual que versa habitualmente sobre el estudio de alguna publicación o publicaciones relacionadas con la temática. o Es un trabajo individual o Revisión de un área: análisis, simulación, programación, búsqueda en web, revisión de artículos (pueden ser temas propuestos por los profesores o por los alumnos) o Presentación en clase entre minutos con transparencias Laboratorio: 25% o Diseño software de Sistemas de Tiempo real, herramientas y análisis o Se propondrán distintas prácticas a lo largo del curso Problemas: 20% 1 Es importante señalar los procedimientos de evaluación: por ejemplo evaluación continua, final, autoevaluación, co-evaluación. Instrumentos y evidencias: trabajos, actividades. Criterios o indicadores que se van a valorar en relación a las competencias: dominio de conocimientos conceptuales, aplicación, transferencia conocimientos. Para el sistema de calificación hay que recordar la Normativa del Consejo de Gobierno del 16 de Julio de 2009: la calificación de la evaluación continua representará, al menos, el 60%. Se puede elevar este % en la guía. 5

6 o Se trata de la resolución de problemas planteados en clase y que el alumno debe resolver Asistencia y participación en clase: 10% o Preguntas realizadas en clase y durante las presentaciones de alumnos o Asistencia a tutorías relacionadas con la asignatura y el laboratorio 6. BIBLIOGRAFÍA Bibliografía Básica Jane W. S. Liu. Real-Time Systems. Prentice Hall Este libro abarca distintos tópicos tanto nuevos como antiguos relacionados con los sistemas de tiempo real. El libro es de fácil lectura e incorpora numerosos ejemplos. Es especialmente recomendado para sistemas de tiempo real duros. Hermann Kopetz. Real-Time Systems: Design Principles for Distributed Embedded Applications. Kluwer Academic Publishers, El libro se centra especialmente en aspectos vinculados a sistemas de tiempo real distribuidos con tolerancia ante fallos desde un punto de vista integral. Se abordan tanto conceptos teóricos como aplicaciones de los mismos en sistemas industriales incluyendo numerosos ejemplos aclarativos. Giorgio Butazzo, Hard Real-Time Computing Systems, Kluwer Academic Publishers, Segunda edición. Es una referencia obligada en planificación en sistemas de tiempo real duros. Expone numerosos algoritmos de planificación en profundidad y aborda también los protocolos de acceso a recursos compartidos en sistemas de tiempo real. A. Burns and A. J. Wellings. Real-Time Systems and their Programming Languages. Addison-Wesley, 4th Edition Se podría decir que este libro es la Biblia para programadores de sistemas con restricciones de tiempo real. Se aborda el estudio de los mismos con tres diferentes lenguajes, Ada Java y C. Proporciona los elementos y las técnicas básicas para la programación de sistemas de tiempo real. Bibliografía Complementaria H. Gomaa. Software Design Methods for Real-Time Systems. Addison-Wesley Aunque se trate de un libro antiguo, y en una época en que el diseño orientado a objetos es la técnica habitual, los procesos explicados son completamente aplicables en el desarrollo de sistemas de tiempo real. Es también uno de los pocos autores que aborda el rendimiento desde un punto de vista moderno y cuantitativo. Stankovic, J.A.: Misconceptions about Real--Time Computing - A Serious Problem for Next--Generation Systems. IEEE Computer, Vol. 21, No. 10, pp , Artículo en el que se describen las equivocaciones más frecuentes cometidas cuando se plantea el diseño y realización de sistemas de tiempo real. Si bien es un artículo antiguo está totalmente vigente y proporciona una aclaración de conceptos fundamentales muy adecuada para los que se inician en este tipo de sistemas. M. Barabanov. "A Linux-based Real-Time Operating System". M. S. Thesis. Junio Describe el diseño de un parche para linux que, empleando una capa de 6

7 abstracción del hardware, permite cargar tareas que se planifican en tiempo real con acceso a todos los recursos. En el modelo que expone linux como una tarea de mínima prioridad se ejecuta en background. Selic, Bran, Gulleckson, Garth, and Ward, Paul T. (1994), Real-Time Object Oriented Modelling. NewYork, John Wiley and Sons. Libro donde se describe la metodología de desarrollo de sistemas de tiempo real orientada a objetos ROOM. El libro presenta mediante ejemplos las distintas etapas de desarrollo de un sistema de tiempo real empleando la metodología ROOM y la viabilidad de definir una máquina virtual que soporte modelos ejecutables. Es de especial interés ya que proporciona las bases en la que se soporta la especificación posterior de RT-UML y su evolución para el modelado basado en componentes propuesta en UML-2. Douglass, B P. Real Time UML. Advances in the UML for Real-Time Systems (3rd Edition). Addison Wesley, Este libro describe la manera de utilizar la sintaxis y semántica de UML para desarrollar sistemas de tiempo real empotrados. El libro explica en detalle todos los elementos del lenguaje de modelado UML y proporciona ejemplos de uso de sistemas empotrados, por lo que resulta adecuado tanto para aprender UML como para adecuar su utilización al dominio de los sistemas de tiempo real. Douglass, B P. Doing Hard Time. Developing Real-Time Systems with UML, Objects, Frameworks, and Patterns. Addison Wesley, Este libro profundiza en las posibilidades de UML para desarrollar sistemas de tiempo real "duros". Presenta un conjunto de patrones de diseño que se ajustan a los problemas que plantean estos sistemas y que sirven de guía a los desarrolladores más expertos para adoptar UML como lenguaje de modelado. 7