Aplicaciones de Sistemas de Tiempo Real

1. Aplicaciones de Sistemas de Tiempo Real Dr. Pedro Mejía Alvarez Cinvestav-IPN, Sección de Computación, Mexico

2. Contenido • Elementos de un Sistema de Tiempo Real. • Tipos de Sistemas en Tiempo Real. • Arquitecturas de Sistemas de Tiempo Real. • Ejemplo de Planificación. • Aplicaciones de Sistemas de Tiempo Real. • Dificultades en el Diseno. • Consideraciones en el Diseno.

3. Elementos de un sistema en tiempo real. Otras Computadoras Comunicaciones E/S Digital Software de Tiempo-Real S.OP tarea Reloj tarea tarea E/S Analógico Computadora Medio Ambiente Otras E/S

4. Arquitecturas de Tiempo Real Sistema en Tiiempo Real Distribuido. Arqutecturas homogeneas o heterogeneas. Redes de area local, y topologias de red. Protocolos de comunicaciones:Ethernet, Token Ring Modelo OSI. Redes FFDI, X-25, ATM. Otras Computadoras Comunicaciones E/S Digital Software de Tiempo-Real Microcontroladores y sistemas embebidos. DSP’s, PLC’s. Buses de multiprocesadores:VMEBUs,Multibus,FutureBus Arquitecturas RISC, Transputers. Uniprocesadores, Multiprocesadores. Memorias chache, DMA’s. Reloj E/S Analógico Computadora (HW) Medio Ambiente Otras E/S

5. HW y SW para Manejo de Tiempo Real • HW. • Reloj. • Procesador de Interrupciones. • Timers. • Watchdog. • Procesador de comunicaciones. • SW. • Retrasos de procesos: absolutos y relativos. • Calendarios. • Timeouts. • Clock package en ADA • Especificación de tiempos: Caracterización. • Chequeo de tiempos para tolerancia a fallos

6. Arquitecturas de Tiempo Real • El diseno de arquitecturas de tiempo real involucra 2 aspectos: • Nivel de Nodo: cada procesador debe proveer velocidad y predecibilidad en la ejecucion de tareas de tiempo real, manejo de interrupciones, e interaccion con el mundo externo. • Nivel de Sistema. en este nivel las comunicaciones y la tolerancia a fallos son 2 aspectos que hacen dificil la predecibilidad. De cualquier manera, espectos aspectos son inevitables.

7. Ejemplo de un sistema en tiempo real. Actividades en una computadora de automobil. C=10ms. T=40ms. D=40ms. C=4ms. T=20ms. D=5ms. Control de Velocidad Control de Frenado C=40ms. T=80ms. D=80ms. Control de combustible C=10ms. T=40ms. Otro software no-critico C=tiempo de computo (peor caso), T=Periodo de ejecucion, D=Plazo de respuesta

8. Solucion Ciclica. 0 76 4 no critico velocidad frenado 14 combustible-2 64 com busti ble-1 vel. * implica descomponer actividades grandes en varias ejecuciones. 60 20 com busti ble-3 vel. 24 frenado 54 combustible-2 velocidad 44 40

9. Solucion Concurrente. La solucion concurrente es mas simple de disenar y modificar. task body speed is begin loop speed_measurement; next:=next+0.2 sleep_until_next; end loop end speed task body brake is begin loop control_brakes; next:=next+0.2 sleep_until_next; end loop end speed task body non_critical is begin loop perform computation; end loop end speed task body fuel is begin loop fuel_injection; next:=next+0.2 sleep_until_next; end loop end speed

10. Aplicaciones de los Sistemas de Tiempo Real • Dominio Industrial • Controlador de la planta • Robot para tratamiento de material peligroso • Uso militar • Sistema de reconocimiento de blancos automático • Sistema de guiado de misiles y navegación • Sistemas altamente críticos • Plantas nucleares • Sistemas de aviónica

11. Caracterización de la Aplicación r(t) Sensor de temperatura y(t) Termo Computadora u(t) Calefactor • Componentes: tanque, censores, actuadores, interfaces A/D y computadora.

12. Caracterización de la Aplicación Restricciones de Funcionamiento. • Componentes: tanque, censores, actuadores, interfaces A/D y computadora. • En el sistema (planta), dada una u(t), se produce una y(t). • El sistema recibe una señal de referencia r(t), el cual indica la temperatura deseada. • El objetivo del sistema de control es que y(t), sea lo mas parecida a r(t). • Para lograr el objetivo, es preciso aplicar a la planta la señal u(t) • y(t) muestra el valor real de la temperatura del termo.

13. Caracterización de la Aplicación • Restricciones de Tiempos: • Tiempos de cómputo. • Periodos de muestreo. • Tiempos de acceso a los dispositivos (censores actuadores) • Plazos de Respuesta. • Análisis de Planificación. • Planificar el sistema con un Sistema Operativo. • Los tiempos hay que obtenerlos, ya sea mediante mediciones instrucción por instrucción, mediante analizadores lógicos o osciloscopios digitales. • El periodo de muestreo y el plazo de respuesta dependen de la aplicación.

14. Aplicación Operador de consola Computadora de control de producción Producto Partes Terminado Máquina de Herramientas Cinta transportadora Manipuladores Un sistema de control de producción

15. Sistema de Computo Embebido Transductor de Presion Termoacoplador ADC Switch T P ADC S Calentador • El objetivo es mantener la temperatura y la presion de un proceso quimico dentro de unos limites predefinidos Pantalla DAC Valvula de Bombeo

16. Sistema de computo embebido de control de produccion Manipuladores Máquina de Herramientas Cinta transportadora Computo Computo Computo Manipuladores Máquina de Herramientas Red de Area Local Computo Computo Cinta transportadora Computo

17. Sistema distribuido en tiempo real

18. Dificultades en el diseño • Diseño de la aplicación en tiempo real. • Control de la concurrencia de procesos. • Selección de la arquitectura de hardware que mejor responda a la aplicación. • Obtención de tiempos: Caracterización • especificar los tiempos a los que las acciones deben llevarse a cabo. • especificar en cuanto tiempo debe completarse cada acción. • responder a situaciones en las cuales no todos los tiempos se cumplen • responder a situaciones en las que los requisitos de tiempos cambian dinámicamente.

19. Consideraciones de Diseño A quien afecta la introducción de Tiempo Real ?. • A los lenguajes, compiladores. • Al sistema operativo. • A la arquitectura de hardware. • A la metodología de diseño. • A la arquitectura del sistema (HW/SW/Ambiente).

20. Lenguaje de Tiempo Real: Ada An Ada program consists of one or more program units: • a subprogram (procedure or function) — can be generic • a package (possibly generic) — used for encapsulation and modularity • a task — used for concurrency • a protected unit — a data-oriented synchronisation mechanism Library units: package, subprogram Subunits: subprogram, package, task, protected unit

21. Sistemas Operativos de Tiempo Real • Estructura del sistema operativo. • Modelos de tareas, estados de las tareas, servicios y transiciones. • Procesos y threads. Cambio de contexto. • Algoritmos de Planificacion: Ciclica, RMS, EDF. • Inversion de prioridad y protocolo de techo de prioridad. • Tareas aperiodicas y Servidor esporadico. • Sincronizacion de procesos. • Comunicación entre procesos. • Relojes y timers. • Memoria compartida, locking, reserva. • E/S sincrona y asincrona. • Transacciones en tiempo real y manejo de archivos. • Manejo de interrupciones y device drivers.

22. Bases de datos en tiempo real • Uno de los principales problemas con las bases de datos es su naturaleza inpredecible sobre sus tiempos de respuesta. • Esta inpredecibilidad es debida a: • la naturaleza de los querys. • accesos a disco. • contension de recursos. • la inabilidad de conocer cuantos objetos debe accesar un query y cuanto tiempo le tomara. • Restricciones importantes: • planificacion de transacciones que cumplan plazos de respuesta. • semantica explicita que permita especificar manejo de transacciones con tiempos. • chequeo del sistema de base de datos de cumplir con requerimientos de tiempos en sus transacciones.

23. Comunicaciones en tiempo real: Formulacion del problema user • A conjunto de mensajes generados desde un nodo fuente hacia un nodo destino y conectados a traves de una red de topologia single/multihop • Los mensajes deben de cumplir las restricciones de TR:end-to-end-scheduling • Deadline, Periodicidad, Modo, Guarantee type, TR Hard/Soft,... user user user

24. Planificacion de mensajes • La planificacion de mensajes difiere de la planificacion del CPU en que • Retrasos en cadena, o implicaciones del bufer de la cadena(efecto de la red) • No siempre existe la nocion de listo para ejecucion. • Se depende temporalmente de otros sitios • Los mensajes arrivan de algun nodo especifico • Los mensajes no siepre estan disponibles. • Retrasos inpredecibles en el envio de mensajes. • Dificultad en el control de acceso a la red. • Pseudo Pre-emptive

25. Tolerancia a Fallos en STR Objetivo: Integrar en los Sistemas de Tiempo Real la atención a Fallos • Correcto funcionamientoFUNCIONALIDAD • Cumplimiento de plazos críticosTIEMPO REAL • ConfiabilidadTOLERANCIA A FALLOS Caracteristicas: • Listo siempre que se le necesita DISPONIBLE • Proporciona una operación estable FIABLE • Protege de situaciones catastróficas SEGURO

26. Sistemas Embebidos • Sistemas de computo basados en microprocesadores • Funciones especificas, pre-definidas • Recursos limitados (memoria, potencia) • La aplicacion se ejecuta desde ROM • Existen... • Los Sistemas Embebidos estan en el 90% de los dispositivos electronicos y de computo en todo el mundo • Existen mas sistemas embebidos que computadoras (>10).

27. Ejemplos

28. Ejemplos

29. Caracteristicas de un sistema embebido • Operacion en Real-Time • • Reactivo: Calculos que deben ocurrir en respuesta a eventos externos • Exactitud es parcialmente una funcion del tiempo • Pequeño y de bajo peso • • Dispositivos manuales y aplicaciones de trasnportacion • Bajo consumo de energia • • Bateria con duracion de 8 horas (laptops comunmente menso de 2 horas) • Ambientes asperos • • Calor, vibracion, golpes, fluctuaciones de corriente, interferencia, luz, corrosion • Operación de seguridad critica • • Deben funcionar correctamente y no deben funcionar correctamente • Alto costo