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

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. 2

Elementos de un sistema en tiempo real. Otras Computadoras Comunicaciones E/S Digital Software de Tiempo-Real S.OP tarea tarea Reloj tarea E/S Analógico Computadora Medio Ambiente Otras E/S 6

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

HW y SW para Manejo de Tiempo Real 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 7

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.

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

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

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 fuel is begin loop fuel_injection; next:=next+0.2 sleep_until_next; end loop end speed task body non_critical is begin loop perform computation; end loop end speed

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 14

Aplicación Un Sistema de control de fluido simple Interfase Tubería Lectura del flujo de entrada Medidor de Flujo Procesamiento Salida de la válvula Tiempo Computadora Válvula Un Sistema de control de fluido simple

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

Sistema de Computo Embebido Transductor de Presion Termoacoplador ADC Switch T P ADC Calentador S El objetivo es mantener la temperatura y la presion de un proceso quimico dentro de unos limites predefinidos Pantalla DAC Valvula de Bombeo 28

Sistema de computo embebido de control de produccion Manipuladores Máquina de Herramientas Cinta transportadora Computo Computo Computo Manipuladores Red de Area Local Máquina de Herramientas Computo Computo Cinta transportadora Computo 30

Sistema distribuido en tiempo real 31

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.

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).

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.

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.

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 39

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 40