Introducción y conceptos básicos

TEMA 1 Introducción y conceptos básicos 1 Resumen Introducción Definiciones de STR Estructura de los STR Aplicaciones de los STR Características de los STR Micros y herramientas de desarrollo Clasificación de los STR Propiedades deseables de los STR 2 1

Introducción 3 Sistemas Informáticos en Tiempo Real Corrección del comportamiento del sistema Naturaleza de los resultados de los cálculos Instantes físicos de producción de resultados Respeto a la causalidad Parte de un sistema más amplio: el Sistema de Tiempo Real Cambios de estado en función del tiempo físico Software y hardware Interfaz Hombre - Máquina Interfaz Instrumentación Operador (Equipo (Equipo operador) Sistema Sistema informático en en tiempo tiempo real real (Equipo (Equipo de de tratamiento) Objeto Objeto controlado (Planta) (Planta) 4 2

5 Definiciones de STR 6 3

Sistema de tiempo real? Definición 1 Un STR es cualquier sistema en el cual el instante en que se produce la salida es significativo. Esto es porque la salida está relacionada con la variación de la entrada, ésta última se corresponde con una variable del mundo físico. Definición 2 Cualquier actividad de procesamiento de información o sistema que responda a un estímulo externamente generado en un periodo finito de tiempo y determinado a priori. 7 Sistema de tiempo real? Definición 3 Un STR es correcto si los resultados de los cálculos son correctos y el instante en que se dan estos resultados es el establecido a priori. Definición 4 Un STR estricto es un sistema en el cual la producir en el tiempo especificado. salida se debe 8 4

Sistema de tiempo real? Definición 5 Un STR no estricto es un sistema en el cual los tiempos de respuesta deben estar predeterminados, pero el sistema funciona correctamente si algún tiempo varía un poco ocasionalmente. Definición 6 Los STR son sistemas donde el computador está dedicado a la monitorización y/o control de algún equipo físico. 9 Sistema de tiempo real? Un STR es un sistema donde: Existe una interacción continua con el medio ambiente (entorno) (sistema reactivo). El entorno cambia en tiempo real y esto impone restricciones temporales a los sistemas que lo controlan El sistema simultáneamente controla y/o reacciona a diferentes aspectos del entorno (sistema concurrente). 10 5

Sistema de tiempo real? Sistema de Tiempo Real: Es un sistema informático en el que es significativo el tiempo en el que se producen sus acciones. No basta que las acciones de un sistema sean correctas, sino que, además, deben ocurrir dentro de un intervalo de tiempo determinado. Los sistemas tiempo real suelen estar integrados en un sistema de ingeniería más general, en el que realizan funciones de control y/o monitorización: SISTEMAS EMPOTRADOS (embedded systems) Ejemplos: Vídeo, lavadora, ABS,, computadora de vuelo 11 Otras definiciones Cualquier sistema en el que el instante en que se produce la salida es significativo. Esto se debe habitualmente a que la entrada corresponde a algún cambio en el mundo físico, y la salida está relacionada con este cambio. El intervalo entre el instante de la entrada y el de salida debe ser suficientemente pequeño para que sea la respuesta temporal del sistema sea aceptable. (Diccionario Oxford de Computación) Un procesamiento activo de información o sistema que tiene que responder a una entrada externa en un período de tiempo finito especificado. (Young) Los sistemas de control de tiempo real son aquellos que deben responder correctamente dentro de un límite de tiempo definido. Si la respuesta excede estos límites, entonces esto repercute sobre el funcionamiento (degradación y/o resultados indeseables en el sistema). (Cooling) La corrección de un sistema de tiempo real depende tanto de la validez lógica de la respuesta, como del instante de tiempo en que se produce. 12 6

Estructura de los STR 13 Consignas Sistema de control Indicadores Actuadores Sensores Entrada Sistema controlado Salida 14 7

Computador Servoválvula (Actuador) Depósito Medidor de Nivel (Sensor) Bomba Depósito Acumulador 15 T Yr* e* u* u ua Controlador D/A Actuador Proceso Y Ys* COMPUTADOR T A/D Ys Sensor 16 8

COMPUTADOR Interfaz de usuario Reloj Algoritmo de control Actuador Planta Sensor 17 Típico Sistema Empotrado (Embedded) Reloj Tiempo Real Algoritmos de control digital Interfaz Sistema a controlar Recopilación de Información Sistema de monitorización remota Base de datos Información a recuperar o visualizar Pantallas Consola de Operador Interfaz Operador Computador de Tiempo Real 18 9

Elementos de un Sistema de Tiempo Real Termo - sensor Switch CAD T Transductor de presion ADC Comunicaciones Calentador S Screen P DAC Software de Tiempo Real tarea tarea SO tarea Reloj Entorno Válvulas E/S Digital & Analógica Otras E/S Computador Entender la Aplicacion Caracterizar y Diseñar el Sistema Controlar el Sistema Monitorizar el Sistema 19 Proyecto de Sistema Empotrado 1 Requisitos de Aplicación 2 Procesador y Arquitectura 3 SO-TR y Arq. de Soft. psos+ VxWorks Neutrino lynxos nucleus 4 Herramientas de Desarrollo - (compilador, depurador, simulador) MetroWerks 20 10

Aplicaciones de los STR 21 Sistema de control de fluido Interfaz Tubería Lectura del sensor de flujo Fluxómetro Procesamiento Tiempo Activar salida ángulo válvula Computador Válvula 22 11

Planta de tostado de grano Depósito Tanque Fuel Horno Tubería grano fuel 23 Estación de empaquetado Interruptor Computador Interrupción Línea de ensamblado Caja Campana Controlador de Línea 0 = stop 1 = run 24 12

Sistema de Control de Procesos Computador de Control de Procesos Sustancias químicas y Materiales Válvula Transductor de Temperatura Agitador Productos Terminados PLANTA 25 Sistema de Control de Producción Sistema de Control de Producción Piezas y componentes Productos Terminados Máquinas-Herramienta Manipuladores Cinta tramsportadora 26 13

Sistemas de Mando y Control (C2) y Sistemas C 3 I Comando Computador de Mando y Control Temperatura, Presión, Potencia,... Terminales Sensores/Actuadores 27 EJEMPLOS Ejemplos de sistemas empotrados Electrónica de consumo Videos, HIFI, televisión,... Lavadoras, frigorificos, lavaplatos,... Automóviles Control velocidad, climatización, visualización ABS, ASR Inyección Telecomunicaciones Radio trunking, teléfonos móviles GSM, GPS Aviónica, espacial Computadores de vuelo, de misión Pathfinder Defensa Bombas y misiles inteligentes Vehículos, dirección de tiro,... Instrumentación Sistemas de adquisición de datos Sensores, actuadores Acondicionamiento de señal Industrial Química-farmacéutica Biomédica 28 14

EJEMPLO Computador de un coche Km Km/h Cont. Velocidad Tª Hora Pedales Computador Control Empotrado Calefacción Aire Acondicionado Ruedas Sistema Inyección 29 EJEMPLO Varias tareas: Control automático de velocidad Control climatización ABS airbag ESP, ASR,... Visualización: velocidad rpm consumo niveles alarmas... Ordenes del conductor: comienzo control velocidad establecimiento temperatura interior puesta en hora... 30 15

EJEMPLO Cuatro tareas: 2 1. Control de temperatura 1 3 4 2. Control de nivel 3. Alarma desnivel 4. Interfase con el operador: lectura y ejecución de órdenes, visualización del estado (texto, graficas, etc.). 31 Características de los STR 32 16

Características de los STR Muchos STR son periódicos en naturaleza, esto es, ejecutan esencialmente el mismo conjunto de tareas una y otra vez en un periodo de tiempo. 33 Características de los STR Concurrencia Los componentes del sistema controlado o monitorizado funcionan simultáneamente El sistema de control debe atenderlo y generar las acciones de control o visualización de forma simultánea Un computador ejecuta sus acciones de forma secuencial RAPIDEZ se puede hacer que el computador ejecute sus acciones de forma aparentemente simultánea Computadores multiprocesador o sistemas con varios computadores La concurrencia requiere de herramientas especiales : Lenguajes concurrentes de alto nivel (lenguaje secuencial + Sistema Operativo). 34 17

Características de los STR Tamaño y complejidad Afecta sobre todo al software. La complejidad no depende únicamente del tamaño Un factor importante es la necesidad de realizar cambios en el sistema. La solución esta en aplicar el principio de divide y vencerás. Existen herramientas y metodologías que facilitan la labor de diseño. 35 Características de los STR Cálculos con números reales Los sistemas de control realizan cálculos con variables que representan magnitudes físicas, es decir valores reales. Los números reales se representan en la computadora de manera aproximada. Hay dos clases de representaciones: Punto fijo Punto flotante Los valores marcados con * son discretos 36 18

Características de los STR Seguridad Muchos STR son también de seguridad crítica. Esto es, un fallo en el sistema de control puede hacer que el sistema provoque una catástrofe (perdida de vidas) o antieconómica. Es importante asegurar que si el sistema falla lo haga de forma que el sistema controlado quede en un estado seguro. Esto implica que hay que tener en cuenta los posibles fallos o excepciones. 37 Características de los STR Interacción con dispositivos físicos Los sistemas empotrados interaccionan con su entorno mediante diversos tipos de dispositivos (sensores y actuadores) que normalmente no son convencionales (teclados, impresoras,...): convertidores A/D y D/A, pwm, entradas y salidas digitales paralelo y serie,... (interfases con sensores, actuadores, periféricos especiales, cámaras de video, láser,...) Los componentes del software que controlan el funcionamiento de estos dispositivos (manejadores, "drivers") son, en general, dependientes del sistema operativo concreto 38 19

Características de los STR Implantación Eficiente Es importante que el lenguaje ofrezca facilidades Control del tiempo Manejo claro de las excepciones Comunicación entre procesos de control Gran parte de los sistemas de control deben responder con gran rapidez a los cambios en el sistema controlado 39 Características de los STR Fiabilidad y seguridad Un fallo en un sistema de control puede hacer que el sistema controlado se comporte de forma peligrosa o antieconómica Es importante asegurar que si el sistema de control falla lo haga de forma que el sistema controlado quede en un estado seguro => hay que tener en cuenta los posibles fallos o excepciones en el diseño 40 20

Características de los STR Robustez Embarcados en sistemas con movimiento o que pueden ser transportados, sujetos a vibraciones e incluso impactos (coches, robots, instrumentación portátil,...) No siempre trabajan en condiciones óptimas de temperatura, humedad, limpieza. Factor de protección IP: IP65 Primer dígito: protección ante entrada de sólidos (polvo) Segundo dígito: protección ante la entrada de líquidos 41 Características de los STR Bajo consumo Muchos de estos sistemas están alimentados con baterías o pilas. Menor consumo => mayor autonomía En muchos casos necesidades de bajo voltaje (3V) Bajo peso Característica de agradecer en sistemas portátiles No depende únicamente del computador embarcado y su periferia sino también de la alimentación (baterías) o de los sensores y actuadores 42 21

Características de los STR Bajo precio Aplicable a electrónica de consumo y otros dispositivos con mercados muy competitivos (p.e. telefonía móvil) Pequeñas dimensiones Las dimensiones de un sistema empotrado no dependen sólo de sí mismo sino también del espacio disponible en el sistema que controla y/o monitoriza. Característica a tener muy en cuenta por los problemas que acarrea 43 Micros y herramientas de desarrollo 44 22

CLASIFICACIÓN COMPUTADORES NO EMPOTRADOS NO CONTROL Supercomputadores Servidores Estaciones de trabajo PC's Calculadoras Cálculo científico Gestión (bancos, empresas) Bases de datos CONTROL / TIEMPO REAL Computadores específicos Computadores/PC's + tarjetas E/S Autómatas Programables Reguladores digitales Control industrial Simuladores de vuelo Robótica EMPOTRADOS Tarjetas microprocesadores + tarjetas E/S + bus VME PC's + tarjetas E/S + bus ISA/PCI/CAN Microcontroladores, DSPs Electrodomésticos Aeronáutica Teléfonos móviles 45 LOS MICROS Microprocesadores (Propósito general, Caches y manejo eficiente de memoria) + Periféricos (E/S paralelo, serie, A/D, PWM,...) + RAM/ROM integradas -caches - manejo memoria Microcontroladores (Propósito específico: control, RAM + ROM) 4-bit 8-bit 16-bit 32-bit periféricos: CAN, Ethernet, LCD, motores PP,... aplicaciones: capacidades DSP 46 23

LOS MICROS Fabricantes de microcontroladores INTEL 8048-8051-80C196-80386 MOTOROLA 6805-68HC11-68HC12 HITACHI HD64180 PHILIPS 8051 SGS-THOMSON NATIONAL SMC. ZILOG TEXAS INST. TOSHIBA MICROCHIP ST-62XX COP400-COP800 Z8, Z86XX TMS370 68HC11 PIC 47 LOS MICROS Microprocesadores: Circuito de computación integrado en un chip. Microcontroladores Dispositivo integrado que incluye un microprocesador, memoria y dispositivos periféricos (dispositivos de entrada/salida, convertidores A/D, puertos de comunicación, etc.). 4-bit 8-bit 16-bit 32-bit 48 24

Criterios de selección μp/μc Requisitos y coste: Prestaciones: Cumple especificaciones? Análisis del rendimiento medio o del peor caso (en esto influye tanto el hardware como el software). Ej: Control de inyección de un vehículo versus servidor web. Tecnología: alimentación, consumo. Coste: (desde 1 a 300 o más) Fiabilidad: Fundamental en aplicaciones de soporte vital Ejs: El primer Airbus llevaba Z80 (8 bits, ~1970). El primer Pentium III era defectuoso. Herramientas de desarrollo (precio, complejidad, prestaciones) Otros factores: Experiencia y soporte: (Referencias en páginas Web: Pentium : >37.500.000, Sparc : 8.730.000, 8051 : 333.000, 68HC11 -> 110.000, Z80 -> 131.000) Compatibilidad: 8086 80186 80386 80486 Pentium 6802 6809 6811 6812 Disponibilidad y segundas fuentes: La evolución tecnológica y el mercado hacen obsoletos los productos de forma muy rápida. Siempre conviene tener una 49 segunda fuente que garantice el suministro. Criterios de selección μp/μc Tiempo de desarrollo (es un factor fundamental en la actualidad) Repercusión del tiempo de desarrollo sobre los beneficios: Pequeños retrasos en el tiempo de puesta en el mercado pueden producir grandes pérdidas. Producto A T0 T0+4 Ventas (unidades) Beneficio:~área bajo cada curva Producto B T0+12 T0+24 Tiempo (meses) Vida media de un producto: La vida media de los productos tecnológicos es cada vez más corta (hoy en día, en torno a 2 años). Obsolescencia de la tecnología: La rápida evolución de la tecnología hace que los tiempos de desarrollo deban ser cortos para mantener competitividad. Ej: Hacemos un diseño de un smartphone, que hoy es competitivo (a 540MHz, y un consumo de 0.45 mw/mhz), pero tardamos dos años. Cuando salga al mercado puede no ser competitivo (podría haber otros a 900 MHz y 0.3 50 mw/mhz). 25

Herramientas de desarrollo 51 Simuladores Un simulador ejecuta un programa destinado a un μp/μc en un computador de propósito general (p.e. un PC) Los contenidos de la memoria y registros pueden ser observados y alterados No soporta interrupciones reales ni (generalmente) hardware adicional La velocidad de ejecución es menor que en el μp/μc 52 26

Debuggers residentes Residente en el μp/μc, el programa se ejecuta en el μp/μc. Permite visualizar la ejecución desde una terminal o computador Utiliza recursos del μp/μc (un puerto de comunicación, una interrupción y memoria) y ralentiza la ejecución (acceso a memoria y registros y comunicación) Visualización y actualización de memoria, breakpoints,... 53 Emuladores Hardware que emula al μp/μc (lo sustituye en la plataforma) y además permite obtener información y actuar sobre la aplicación sin gastar recursos del μp/μc ni alterar la evolución temporal Se comunica por una parte con un computador o terminal (vía RS232 o similar) y por otra con el sistema receptor del μp/μc (mediante el POD (placa emuladora del micro seleccionado)) 54 27

Clasificación de los STR 55 Clasificación de los Sistemas de Tiempo Real Críticos No críticos Estrictos No estrictos Firmes Centralizados Distribuidos Basados en reloj Basados en eventos Interactivos 56 28

Restricciones temporales donde: t c (i) intervalo entre los ciclos i-1 e i. ts ts t e (i) tiempo de respuesta de la i-ésima ocurrencia del evento e. t s intervalo periódico o cíclico. T e máximo tiempo permitido para el evento e. t a tiempo de respuesta medio permitido para el evento e medido en el intervalo de T. n número de ocurrencias del evento e dentro del intervalo T, o el número de veces que se repite el ciclo durante el intervalo T. a ESTRICTAS NO ESTRICTAS Periódicas Aperiódicas Periódicas Aperiódicas o cíclicas o acíclicas o cíclicas o acíclicas t ( i) = ts a te( i) T c ± tolerancia temporal. e 1 n n tc i= 1 ( i) = t T n = s ± a 1 n n te i= 1 ( i) T n = t a 57 Propiedades deseables de los STR 58 29

Propiedades deseables de los STR Oportunidad: El tiempo en que los valores de salida son obtenidos es importante Robustez: El sistema no debe fallar cuando este sometido a condiciones extremas. Predecible. Tolerancia a fallos: Los fallos de software o hardware no deben afectar el funcionamiento del sistema. Mantenimiento: El sistema debe ser modular para facilitar las modificaciones necesarias a lo largo de su vida útil. Probable: Fácil de probar que las restricciones temporales (plazos, deadlines) se satisfagan. 59 Plazo, Deadline La especificación de un STR frecuentemente relaciona un evento en el entorno con acciones que deben realizarse. Por ejemplo, si el sistema de control de un automóvil identifica una situación de choque, entonces el airbag del conductor debe de inflarse dentro de cierto límite de tiempo. Este límite es normalmente referido como deadline. Algunos deadline son hard y otros soft. 60 30

Tiempo real vs Rápido Tiempo real no quiere decir realizar todo rápido, ya que aunque esto ocurra, es posible, debido a la interacción entre tareas y recursos, que el resultado no sea oportuno. - Tiempo real no significa rápido - Tiempo Real significa justamente a tiempo (predecible) 61 Temas relacionados con Tiempo Real Especificación y verificación Teoría de planificación Sistemas operativos Lenguajes de programación Metodologías de diseño Bases de datos distribuidas Inteligencia artificial Tolerancia a fallos Arquitecturas de computadores Comunicación 62 31

Resumen Introducción Definiciones de STR Estructura de los STR Aplicaciones de los STR Características de los STR Micros y herramientas de desarrollo Clasificación de los STR Propiedades deseables de los STR 63 TEMA 1 Introducción y conceptos básicos 64 32