Tema 1 Introducción. Indice. Definición Ejemplos de aplicación Conceptos básicos Tipos de sistemas Características de STR críticos Construcción de STR

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1 Tema 1 Introducción Definición Ejemplos de aplicación Conceptos básicos Tipos de sistemas Características de STR críticos Construcción de STR 1 Indice Definición Ejemplos de aplicación Conceptos básicos Tipos de sistemas Características de STR críticos Construcción de STR 2 1

2 Definición Un sistema de tiempo real es un sistema informático que: Interacciona repetidamente con su entorno físico Responde a los estímulos que recibe de dicho entorno en un plazo de tiempo determinado Sistema de sensores Sistema de control Sistema de actuadores Para que el funcionamiento del sistema sea correcto no basta con que las acciones sean correctas lógicamente, sino que además, deben producirse dentro de un intervalo de tiempo especificado ENTORNO 3 Significado de tiempo real (I) La reacción de los sistemas a los eventos externos debe ocurrir durante su evolución. Como consecuencia, el tiempo del sistema (tiempo interno) debe medirse usando la misma escala usada para medir el tiempo en el entorno controlado (tiempo externo) Sistema de tiempo real Sistema rápido 4 2

3 Significado de tiempo real (II) Si en el sistema se incorporan eventos que evolucionan más rápidamente que las acciones que pueden manejarlos, entonces dichas acciones ya no serán efectivas. El tiempo en que se ejecutan las acciones del sistema es significativo 5 Características fundamentales Necesidad de demostrar rigurosamente que el sistema cumple sus requisitos temporales y funcionales: Las consecuencias de los errores pueden ser catastróficas A menudo son sistemas "no visibles" Son muy dependientes del hardware (embedded systems) Se suelen utilizar plataformas de desarrollo y de aplicación distintas Uso de compiladores cruzados Dificultades para depurar los programas 6 3

4 Indice Definición Ejemplos de aplicación Conceptos básicos Tipos de sistemas Características de STR críticos Construcción de STR 7 Ejemplos de aplicación (I) entrada referencia r(t) Control digital y(t) A/D A/D r k y k cálculos control u k D/A sensor planta actuador Controlador digital PID u(t) y(t) : medición del estado de la planta en instante t e(t) = r(t) y(t) : diferencia entre el estado deseado r(t) y el observado y(t) entradas: y k, r k, k= 0,2,3... cálculo de u k u k = u k-2 + αe k + βe k-1 + γe k-2 BUCLE DE CONTROL: fijar el temporizador para interrumpir cada periodo T; en cada interrupción, hacer conversión analógica digital para obt. y calcular la salida de control u conversión digital-analógica de u fin hacer 8 4

5 Ejemplos de aplicación (II) Controlador aéreo Hacer cada ciclo de 1/180 seg: Validar datos de sensores y seleccionar fuente de datos; si error, reconfigurar el sistema Realizar los cálculos de control a 30Hz, una vez cada 6 ciclos, de los circuitos externos de inclinación, balanceo y guiñada Realizar los cálculos de control a 90Hz una vez cada 2 ciclos, de los circuitos internos de balanceo usando como entrada las salidas del paso anterior Realizar los cálculos de los circuitos internos de guiñada, usando las salidas del paso anterior Dar como salida los comandos Ejecutar los comandos y esperar al principio del siguiente ciclo 9 Ejemplos de aplicación (III) Controladores de alto nivel desde sensores respuestas estimador estado interfaz sistema comandos - controlador tráfico Jerarquía de control de un controlador de tráfico aéreo navegación estimador estado planta virtual - gestión de vuelo planta virtual - estimador estado control de vuelo datos aéreos planta física 10 5

6 Ejemplos de aplicación (IV) Procesamiento de señal radar dato muestreado y digitalizado DSP N muestras/bin track record procesadores de señal estado de control track record procesador de datos parámetros para el procesamiento de señal 11 Ejemplos de aplicación (V) Bases de datos de tiempo real Consistencia temporal de los datos Aplicaciones multimedia Compresión/descompresión MPEG Estimación de movimiento Transformación coseno y codificación Descompresión 12 6

7 Clasificación aplicaciones de tiempo real Puramente cíclicas p.ej. controladores digitales Mayormente cíclicas p.ej. controlador aéreo Asíncronas y algo predecibles p.ej. comunicaciones multimedia, procesamiento de señales de radar Asíncronas e impredecibles p.ej. sistemas de control inteligente 13 Indice Definición Ejemplos de aplicación Conceptos básicos Tipos de sistemas Características de STR críticos Construcción de STR 14 7

8 Caracterización de las aplicaciones de tiempo real: JOB Existen un conjunto de trabajos (Jobs) que necesitan recursos para su ejecución (p.ej. procesadores) Caracterización de los jobs: Release time (rt i ): instante en el que un job está listo para ejecutar (activación) Deadline (d i ): instante en el que un job debe haber finalizado su ejecución Response time (r i ): tiempo transcurrido entre su release time y su tiempo de terminación Execution time (e i ): tiempo necesario para completar su ejecución 15 Job Un release time de un job puede ser: Fixed/Jittered: conocemos exactamente cuándo se activa / conocemos un rango de tiempo durante el que se puede activar Sporadic/Aperiodic: no sabemos cuándo se activa hasta que se produce un evento Restricciones temporales: Hard: restricción que debe cumplirse necesariamente (si no se cumple un fallo puede resultar fatal) Soft: restricción que puede relejarse (si no se cumple se degrada el rendimiento del sistema, pero no tiene efectos catastróficos) 16 8

9 Caracterización de las aplicaciones de tiempo real: TASK Un conjunto de trabajos relacionadas forman una tarea (Task). Las tareas suelen tener restricciones de precedencia Una Task periódica es una secuencia de jobs con idénticos parámetros. Se caracteriza por: Period (T i ): mínimo tiempo transcurrido entre dos activaciones sucesivas de sus jobs Execution time (C i ): tiempo máximo de ejecución de todos sus jobs Phase (φ i ): tiempo de activación de su primer job en T i (φ i =r i,1 ) En lo sucesivo vamos a considerar tasks formadas por un único job, y nos referiremos a ellas como tareas o actividades 17 Task Una Task aperiódica/esporádica es una secuencia de jobs aperiódicos/esporádicos Los release times de sus jobs no se conocen a priori. Los tiempos de "llegada" de los jobs (interarrival times) y sus tiempos de ejecución son variables aleatorias con una distribución de probabilidad A(x) y B(x) respectivamente Una tarea es aperiódica si sus trabajos tienen soft deadlines o no tienen deadlines (p.ej. tarea para ajustar la sensibilidad de un radar) Podemos optimizar sus tiempos de respuesta, pero nunca a expensas de tareas de tiempo real hard Una tarea es esporádica si sus trabajos se activan en instantes de tiempo aleatorios y tienen deadlines hard El principal objetivo es garantizar que los deadlines se cumplan siempre; la minimización de los tiempos de respuesta tiene una importancia secundaria 18 9

10 Caracterización de las aplicaciones de tiempo real: Recursos Los recursos disponibles para la ejecución del sistema de tiempo real son: Procesadores (recursos activos) Recursos pasivos (Ej: memoria, mutex, bloqueos a bases de datos) Un procesador puede ser: Preemptive: los trabajos pueden ser interrumpidos Non-preemtive: cada trabajo se realiza sin interrupciones Vamos a considerar tasks formados por un único job. En lo sucesivo utilizaremos el término tarea (o actividad) para referirnos a una task con un único job). Así mismo consideraremos el término release time (r i ) para referirnos al valor que hemos definido como phase de la tarea (φ i =r i,1 ) 19 Parámetros de una tarea activación i (release time) Execution time (C) activación (i+1) tiempo de respuesta (R) deadline (D) periodo (T) 20 10

11 Indice Definición Ejemplos de aplicación Conceptos básicos Tipos de sistemas Características de STR críticos Construcción de STR 21 Tipos de sistemas de tiempo real Según su criticidad Sistemas de tiempo real HARD Sistemas de tiempo real SOFT Según la activación de las tareas Sistemas dirigidos por tiempo Sistemas dirigidos por eventos 22 11

12 Sistemas de tiempo real HARD Están formados por restricciones hard. Requieren una validación de que el sistema cumple siempre las restricciones (se debe demostrar que se cumplen) Comportamiento temporal está determinado por el entorno Formas de validar las restricciones: Utilizando tests de planificabilidad Utilizando ejecutivos cíclicos La mayoría de los sistemas empotrados (embedded) son sistemas hard Sistema empotrado: es aquél que forma parte de otro sistema en el que realiza funciones de control. A menudo el computador no es visible. Sus recursos son limitados Ejemplos: automóviles, electrónica de consumo 23 Sistemas de tiempo real SOFT Están formados por restricciones soft. El comportamiento temporal viene determinado por el computador Se permite un comportamiento en sobrecargas degradado Como medidas de seguridad se utiliza la recuperación de fallos Suelen manejar un gran volumen de datos Ejemplos: Sistemas de transacciones on-line Sistemas multimedia 24 12

13 Activación de las tareas Sistemas dirigidos por tiempo (time-triggered systems) Sistemas dirigidos por eventos (event-triggered systems) Inicio en instantes predeterminados Mecanismo básico: reloj Operan mejor con cargas altas periodo (T) Inicio cuando se produce un suceso de cambio de estado Mecanismo básico: interrupciones Pueden fallar si la carga es alta Tiempo mínimo entre 2 llegadas consecutivas deadline (D) deadline (D) evento evento 25 Indice Definición Ejemplos de aplicación Conceptos básicos Tipos de sistemas Características de STR críticos Construcción de STR 26 13

14 Características de un STR Gran tamaño y complejidad Necesitan manipular números reales Requerimientos de fiabilidad y seguridad Control concurrente de componentes separados del sistema Facilidades de tiempo real (soporte ejecución) Interacción con interfaces hardware Implementación eficiente 27 Gran tamaño y complejidad Algunos STR tienen millones de líneas de código La variedad de funciones requerida para responder a diferentes eventos del mundo real, aumenta la complejidad incluso en sistemas relativamente pequeños Debido a los continuos cambios en los requerimientos del mundo real, los STR están sometidos a constantes mantenimientos y mejoras Los lenguajes y entornos de TR permiten descomponer los sistemas complejos en componentes más sencillos que pueden manejarse de forma más eficiente 28 14

15 Fiabilidad y seguridad Fiabilidad = Probabilidad de proporcionar el servicio requerido Corrección Lógica Temporal Seguridad = Probabilidad de recuperación frente a un fallo Se deben implementar sistemas que sólo fallen de modo controlado, incluso en ambientes hostiles El diseño del interfaz debe realizarse de forma que minimice la posibilidad de error humano 29 Dependencia del tiempo (I) Se trata de garantizar que todas las veces que se ejecuta una tarea termina dentro de su plazo Esquema de activación: cuándo se debe ejecutar cada tarea Periódica: la tarea se ejecuta regularmente, con un periodo bien definido Aperiódica: se ejecuta de forma irregular, en respuesta a un suceso del entorno o del propio sistema Esporádica: exigencia de una separación mínima entre dos sucesos consecutivos Para cumplir con los tiempos de respuesta y poder planificar el sistema, es necesario que el comportamiento del sistema sea determinista (predecible) 30 15

16 Concurrencia Los dispositivos físicos controlados (sensores, actuadores, etc.) funcionan al mismo tiempo Las tareas software que los controlan actúan concurrentemente Suficiente velocidad de proceso para simular paralelismo con un solo procesador Muchos sistemas empotrados exigen verdadero paralelismo (sistemas multiprocesador) Ejecución cíclica en manos del programador Complican la labor del programador Programas poco claros y poco elegantes Dificultad para probar la corrección del programa Dificultad para lograr la ejecución en paralelo del programa en un sistema multiprocesador Colocar el código de manejo de errores es problemático Tareas independientes soportadas por el lenguaje o el SO Es necesario conseguir una comunicación y sincronización fiables entre procesos 31 Interacción con dispositivos físicos Mecanismos de entrada/salida dependientes del dispositivo Monitorización de sensores y actuadores Registros de entrada y salida para capturar los datos Se pueden generar interrupciones o excepciones Indicar la realización de ciertas operaciones Alertar de la existencia de condiciones de error Los manejadores de dispositivos forman parte del software de la aplicación No están bajo el control del sistema operativo Antes la interfaz con los dispositivos se dejaba en manos del SO. Ahora, debido a la variedad de dispositivos y a la naturaleza de tiempo de respuesta crítico, el control debe ser directo No es necesario programarlos con lenguajes de bajo nivel Antes se hacía mediante parches en ensamblador Ahora, las exigencias de fiabilidad lo desaconsejan 32 16

17 Eficiencia Eficiencia en la implementación, debido a los requisitos temporales de un STR. Se requiere una evaluación constante del coste de utilización de las características del lenguaje Eficiencia en capacidad, ya que el espacio físico disponible suele ser muy limitado Eficiencia en costes económicos, puesto que incide directamente en la viabilidad comercial del producto final 33 Cálculos con números reales El sistema controlado proporciona valores asociados a una magnitud física Estos valores se filtran y se convierten a datos de ingeniería (conversores analógicodigital) El ordenador los representa de una forma aproximada (coma fija, coma flotante) Y también realiza los cálculos de forma aproximada (técnicas numéricas de resolución de ecuaciones) 34 17

18 Fases en el desarrollo de un STR Definición de requisitos Diseño de la arquitectura lógica Diseño de la arquitectura física y análisis temporal Restricciones Diseño detallado Codificación y cálculo de tiempos de ejecución Restricciones Pruebas y medidas de tiempos 35 Algunas decisiones importantes Procesador Componentes hardware Sistema operativo Lenguaje de programación Herramientas de desarrollo de software Herramientas de depuración de software Componentes software 36 18

19 Indice Definición Ejemplos de aplicación Conceptos básicos Tipos de sistemas Características de STR críticos Construcción de STR 37 Implementación de un S.T.R. (A) Sobre un S.O. de tiempo real Basados en UNIX (RT-UNIX), QNX,Rtems,... Específicos: VRTX, irmx, Utilizan un conjunto de llamadas al sistema (primitivas) que permiten: Crear procesos con prioridades Planificación basada en prioridades Fijar procesos en memoria (no intercambio) E/S rápida y eficiente Memoria compartida Mecanismo de concurrencia de bajo nivel STR RTS S.O.T.R HW 38 19

20 Implementación de un S.T.R. (B) Lenguaje que INCLUYA un soporte de ejecución de tiempo real Los lenguajes que permiten concurrencia pueden crear su propio soporte de ejecución (en inglés run-time support) que sustituye (o puede sustituir) al sistema operativo. RTS STR S.O.T.R HW 39 Implementación de un S.T.R. (C) Soporte de ejecución de tiempo real + Lenguaje convencional Es posible utilizar un lenguaje convencional con un soporte de ejecución específico (en inglés run time support) que sustituye (o puede sustituir) al sistema operativo. Tareas de T.R. Otras STR HW RTS 40 20

21 Bibliografía básica Sistemas de tiempo real y lenguajes de programación (3ª edición) Alan Burns and Andy Wellings Addison Wesley (2002) Capítulo 1 (Completo) Capítulo 2 (Apartado 2.5) 41 Bibliografía complementaria Real-time systems Jane W. S. Liu Prentice Hall (2000) Capítulo 1 (Completo) Ejemplos de aplicaciones de tiempo real 42 21