Introducción a los sistemas de tiempo real Informática III El tiempo es un tirano...
Objetivos Introducir conceptos básicos relativos a los sistemas de tiempo real (STR) Examinar sus características Analizar técnicas y herramientas para el diseño de los STR
Referencias Alan Burns, Andy J. Wellings "Sistemas de Tiempo Real y Lenguajes de Programación", Addison-Wesley (3º edición) cap. 1 y 2 Transparencias de Juan Antonio de la Puente http://polaris.dit.upm.es/~jpuente/ y …
Definición de Sistema de tiempo real Sistema informático que debe responder a estímulos generados por su entorno físico (incluido el paso del tiempo físico) en un plazo de tiempo finito y especificado
Definición de Sistema de tiempo real Interacciona repetidamente con su entorno físico: Realizando acciones de control sobre él Reaccionando a sus cambios La corrección de los mismos depende no sólo del resultado lógico de la computación (corrección lógica), sino también del tiempo en el que se producen los resultados (corrección temporal). (Stankovic, 1988)
Definición de Sistemas de tiempo real El tiempo en el que se ejecutan las acciones es significativo Sistema de Tiempo Real e1 r1 e2 e3 en r2 r3 rn t eventos respuestas
Tiempo real vs. rapidez En un análisis, que permanece válido aún hoy día, a 22 años, Stankovic lamenta el error de confundir tiempo real con rapidez El STR debe ser suficientemente rápido para cumplir los requerimientos pero, que un sistema sea rápido no implica que sea un STR La rapidez del STR la fijan la naturaleza de los estímulos del entorno, con los cuales tiene que tratar (propio de cada sistema) La clave es la previsibilidad!
Tiempo real vs. rapidez
Tiempos de respuesta en distintos dominios
Evolución de la informática
Sistemas embebidos
Sistemas embebidos
Sistemas embebidos Muchos STR forman parte de un sistema de ingeniería más amplio, tal como es el caso de muchos sistemas de uso común en la industria, transporte, comunicaciones, medicina, el hogar, etc.: Aviones Trenes Autos Teléfonos móviles Televisores, etc.
Sistemas embebidos Realizan funciones de control de otros sistemas Adaptado de Kopetz (1997)
Características Los recursos están limitados Procesador, memoria, pantalla, etc. Los dispositivos de entrada y salida son especiales para cada sistema No hay teclado ni pantalla normales El computador debe reaccionar a tiempo ante los cambios en el sistema que controla Una acción retrasada puede ser inútil o peligrosa Ejemplo: imágenes de TV, sistema de frenado ABS El desarrollo de software para sistemas embebidos tiene requisitos especiales
Tareas de tiempo real
Tareas de tiempo real Las actividades de un STR se llaman tareas Son activadas por estímulos del entorno (incluido el paso del tiempo). Una tarea es una secuencia de instrucciones que se ejecuta en forma concurrente y compartiendo recursos con otras tareas Se las implementa mediante threads, procesos, etc.
Tareas de tiempo real Tienen distintos tipos de propiedades Funcionales: ¿Qué hacen? Temporales: ¿Cuándo lo hacen? Fiabilidad, seguridad, etc. El comportamiento temporal de las tareas se especifica mediante sus atributos temporales ¿Cuándo se ejecutan?: Esquema de activación ¿Qué plazo tienen para ejecutar cada acción?
Tareas de tiempo real
Ejecución de una tarea de tiempo real
Atributos temporales Plazo de respuesta Absoluto: tiempo límite para terminar Relativo: intervalo desde la activación Se trata de garantizar que la ejecución de cada tarea termine dentro del plazo
Atributos temporales
Atributos temporales Activación Periódica: a intervalos regulares, con período T Aperiódica: cada vez que ocurre un suceso determinado Esporádica: separación mínima entre activaciones T Estocástica, irregular o a rachas
Tipos de requisitos temporales ¿Qué pasa sino se cumplen? Tiempo real estricto (hard real-time) Todas las acciones deben terminar dentro del plazo especificado. Ejemplo: control de frenado Tiempo real flexible (soft real-time) Se pueden perder plazos de vez en cuando El valor de la respuesta decrece con el tiempo Ejemplo: adquisición de datos Tiempo real firme (firm real-time) Se pueden perder plazos ocasionalmente Una respuesta tardía no tiene valor Ejemplo: Sistema multimedia
Tipos de requisitos temporales
Ejemplos de Sistemas en tiempo real
Ejemplos de Sistemas en tiempo real
Ejemplos de Sistemas en tiempo real
Sistema de computador embebido generalizado Reloj de tiempo real Control digital Sistema controlado Interfaz Registro de datos Sistema de monitoreo remoto Base de datos Visualización de datos Dispositivos de presentación Consola de operador Interfaz de operador Real-Time Computer
Características de los Sistemas en tiempo real Grandes y complejos La variedad de funciones aumenta la complejidad incluso en sistemas relativamente pequeños La adaptación a entornos cambianteslas aplicaciones deben evolucionar continuamentelos STR deben ser extensibles
Características de los Sistemas en tiempo real Manipulación de números reales Ejemplo: Se debe tener un modelo matemático que relacione el calor aplicado y el incremento de temperatura del termonúmeros en punto flotante
Características de los Sistemas en tiempo real Extremadamente fiables y seguros (dependability) Muchos ejemplos dramáticos ilustran que el hardware y el software de los computadores debe ser fiable y seguro El tamaño y complejidad de los STR exacerban el problema de la fiabilidad Mecanismos para recuperar fallos (esperados y no esperados)
Características de los Sistemas en tiempo real Simultaneidad de acciones (concurrencia) Los dispositivos físicos controlados funcionan al mismo tiempo Las tareas que los controlan actúan concurrentemente
Características de los Sistemas en tiempo real Determinismo temporal Acciones en intervalos de tiempo determinados Es fundamental que el comportamiento temporal de los STR sea determinista o, al menos, previsible No confundir con eficiencia El STR debe responder correctamente en todas las situaciones En los STR estrictos hay que prever el comportamiento en el peor caso posible
Características de los Sistemas en tiempo real Interacción con el hardware Los manejadores de dispositivos forman parte del software de aplicación Implementación eficiente Puesto que los STR son críticos respecto al tiempo, este requisito es más importante que en otro tipo de sistemas
Desarrollo de Sistemas en tiempo real
Desarrollo de Sistemas en tiempo real Los métodos, herramientas y tecnologías que se usan para construir otros tipos de sistemas no sirven para los STR No son lo suficientemente fiables Sólo contemplan tiempos de respuesta medio, no el peor No garantizan los requisitos temporales Las plataformas de desarrollo y ejecución suelen ser diferentes Es difícil hacer pruebas en la plataforma de ejecución Es difícil medir los tiempos con precisión
Desarrollo cruzado
Aspectos de un sistema Funcionalidad Arquitectura Relación entre entradas y salidas No se considera concurrencia, sincronización, tiempo real, fiabilidad, seguridad, etc. Arquitectura Componentes definidos por sus interfaces Concurrencia y tiempo real Hebras, sincronización Planificación y análisis temporal Implementación Código de aplicación Plataforma: RTOS, middleware
Diseño de Sistemas de tiempo real
Diseño de Sistemas de tiempo real
Diseño de Sistemas de tiempo real
Diseño de Sistemas en tiempo real
Diseño de Sistemas de tiempo real Las actividades de desarrollo de los STR incluyen las tradicionales de otros sistemas, aunque tienen requerimientos adicionales
Integración de métodos y herramientas
Integración de métodos y herramientas
Integración de métodos y herramientas
Integración de métodos y herramientas
Lenguajes de programación Hay varias clases de lenguajes de interés para los STR: Assembler Flexibles y eficientes pero costosos y poco fiables
Lenguajes de programación
Lenguajes de programación
Lenguajes de tiempo real