Sistemas de tiempo real Sebastián Sánchez Prieto

Sistemas de tiempo real

Sebastián Sánchez Prieto

1999-2004 S2P, OGP & IGT Sistemas de tiempo real 2

Bibliografía A. Burns and A. J. Wellings. “Real-Time Systems and their

Programming Languages”. Addison-Wesley, 2nd Edition. 1996 M. H. Klein et al. “A Practitioner´s Handbook for Real-Time Analysis”.

Kluwer Academic Publishers. 1993 H. Gomaa. “Software Design Methods for Real-Time Systems”.

Addison-Wesley. 1993 G. De Micheli and M. Sami. “Hardware/Software Co-Design. Kluwer

Academic Publishers”. 1996 B. O. Gallmeister. “Programming for the Real World. POSIX.4”.

O’Reilly & Associates, Inc. 1995 D. Lewine. “POSIX. Programmer’s Guide”. O’Reilly & Associates, Inc.

1991 A. S. Tanenbaum. “Sistemas Operativos Distribuidos”. Prentice Hall.

1996 M. Barabanov. “A Linux-based Real-Time Operating System”. M. S.

Thesis. Junio 1997


Definición (Donald Gillies)

Un sistema de tiempo real (STR) es aquel en el cual los resultados son correctos, no sólo si la computación es correcta, sino también el tiempo en el cual se producen los resultados

Si no se verifican las restricciones de tiempo, se dice que se ha producido un fallo en el sistema

Otros han añadido: Así pues, es fundamental garantizar las restricciones de

tiempo, lo cual implica que el sistema sea predecible. Además, sería deseable que el grado de utilización del sistema sea alto a la vez que se mantienen estas restricciones


Ejemplo

Ejemplo: robot que debe coger un objeto que viaja por una cinta transportadora

Sistema de tiempo real no es sinónimo de sistema rápido ni de sistema interactivo (i.e. radiotelescopio)

Aunque las velocidades de proceso aumenten los STR seguirán existiendo


Mercado de los sistemas empotrados

Curiosidades: Un teléfono móvil de última generación tiene más de 1

millón de líneas de código Los costes de un avión relacionados con el SW supone un

50% El 90% de las innovaciones en automóviles las

proporcionan los sistemas electrónicos

Tipo de procesador Millones de unidades

Para ordenadores personales 100

Procesadores empotrados 300

DSP 600

Microcontroladores 8000Año 2001


Dónde se utilizan los STR

Sistemas de mando y control Sistemas de control de procesos Sistemas de control de vuelo Sistemas de control de automóviles Sistemas de defensa Sistemas de vigilancia intensiva Sistemas multimedia Electrónica de consumo Sistemas de telecomunicación, etc.


Clasificación de los STR

Críticos (hard real time systems): los plazos de respuesta deben respetarse en todas las circunstancias, una sola respuesta tardía a un suceso puede tener consecuencias fatales (sistemas de control de centrales nucleares o de aviones)

Acríticos (soft real time systems): se puede tolerar retrasos ocasionales en la respuesta a un suceso (el sistema de control de una lavadora)

¿Qué se entiende por criticidad? En algunas ocasiones se habla de funciones de validez o

de utilidad que definen la valía de los resultados en función de su tardanza


Otra clasificación

Sistemas activados por eventos Las interrupciones determinan la evolución del sistema Pueden fallar si la carga es alta

Sistemas activados por tiempo Sólo interrumpe el reloj de tiempo real Operan mejor con cargas altas (“pueden pensarse las

cosas”) También hay sistemas mixtos


Estructura de un STR

Sistema

de

control

Sistema

de

control

Sistema

controlado

Sistema

controlado

Indicadores

Salidas

externas

MedidasAcciones

Entradas

externas

Consignas


Estructura de un STR

El sistema de control (STR) actúa sobre el sistema controlado para conseguir un comportamiento definido

Es muy común emplear un esquema realimentado En función de las medidas opera un algoritmo de control Ese algoritmo de control determina las acciones impuestas

al sistema controlado Ejemplos: controlador PID, controlador deadbeat o filtros de

Kalman Un aspecto de suma importancia son los tiempos en los

que se lleva a cabo cada acción


Ejemplo: Control digital

Ley de control

rk

yk

A/D

A/D

uk D/A

Sensor

r(t)

Planta Actuador

y(t) u(t)

Controlador

Referencia


Sistemas empotrados

Muchos STR son partes de otros sistemas en los que realizan operaciones de control

En estos casos hablamos de sistemas empotrados o “embedded systems”

Este tipo de sistemas suelen estar limitados en cuanto a recursos y no son visibles

Ejemplos: Teléfonos móviles, radios, televisores, etc. Sistemas de control en automóviles Electrodomésticos


Características de los STR

Los Sistemas de Tiempo Real (STR) llevan asociadas una serie de características básicas como las siguientes:

Tamaño y complejidad Fiabilidad y seguridad Cálculos con números reales Interacción con dispositivos físicos Eficiencia Dependencia del tiempo Concurrencia Tolerancia ante fallos


Tamaño y complejidad

Son dos aspectos ligados al software Un factor muy importante es la necesidad de realizar

cambios Solución: descomponer el sistema en subsistemas

pequeños


Fiabilidad y seguridad Fiabilidad

Es la probabilidad de proporcionar el servicio especificado Para una tasa de fallos de averías/hora la media de tiempo

entre averías MTTF=1/ Si MTTF > 109 hablamos de sistemas ultrafiables

Seguridad Los sistemas críticos deben ser ultrafiables Para ciertos proyectos es necesaria una certificación oficial

Los requisitos de fiabilidad y seguridad en los STR son mayores que en el resto

Según Hecht y Hecht (1986), los sistemas software complejos, por cada millón de líneas de código contienen una media de 20.000 errores

El 90% de esos errores pueden ser detectados con sistemas de comprobación

200 errores de los restantes se detectan durante el primer año. Los 1800 restantes permanecen sin detectar


¿De dónde provienen los errores?

1. Una especificación inadecuada

2. Errores de diseño de los componentes SW

3. Averías en los componentes de hardware

4. Interferencias transitorias o permanentes en los sistemas de comunicación Los errores 3 y 4 tienen un comportamiento previsible con

métodos estadísticos El lenguaje de programación debe facilitar el desarrollo de

sistemas seguros Se hace necesario el empleo de técnicas de prevención y

tolerancia ante fallos


Cálculos con números reales

Números asociados a magnitudes físicas asociadas al sistema controlado

Los datos crudos son filtrados y convertidos a datos de ingeniería

Se representan de forma aproximada en un ordenador Tipos de representaciones: coma fija y coma flotante Cuando algún dato toma valores incorrectos, se generan

alarmas


Dependencia del tiempo

Tiempos en los cuales se deben llevar a cabo determinadas acciones

Tiempos de terminación de cada acción Responder a situaciones transitorias en las que no se

pueden garantizar todos los plazos Realizar cambios dinámicos en el comportamiento

temporal del sistema El comportamiento del sistema debe ser DETERMINISTA


Aspectos temporales

Instante de activación Límite (Deadline)

Inicio Fin

Tiempo de respuesta

Plazo máximo de respuesta

El tiempo de respuesta puede variar (jitter)


Concurrencia

Se deben atender diversos tipos de eventos en paralelo Puede ser suficiente con un sólo procesador En ocasiones es necesario recurrir a sistemas

multiprocesador ¿Cómo expresar la concurrencia desde el programa?

Con ejecutivos cíclicos Con tareas independientes

Los ejecutivos cíclicos son sencillos, pero: Complican la labor del programador Los programas resultantes son oscuros y poco elegantes Programas difíciles de corregir Es más difícil la descomposición Es difícil llevar el programa a un sistema multiprocesador Colocar el código de manejo de fallos es problemático


Concurrencia

Con tareas independientes, las cuales pueden ser soportadas por:

El lenguaje: caso de Ada o Modula El sistema operativo

Un SOTR debe proporcionar soporte básico para tareas de tiempo real, tolerancia a fallos, determinismo, etc.

Aspectos cruciales que deben considerarse: El factor tiempo Los protocolos de comunicación La asignación de recursos


Características de los SOTR

Poseen un cambio de contexto rápido Poseen un tamaño pequeño Responden a las interrupciones externas de una forma

rápida Minimizan los tiempos con interrupciones deshabilitadas Proporcionan esquemas de gestión de memoria que no

afecten a la predictibilidad y proporcionan archivos de acceso rápido


Elementos proporcionados

Con objeto de mantener las especificaciones de tiempo los SOTR:

Poseen un reloj de tiempo real Proporcionan planificación basada en prioridades Proporcionan alarmas y timeouts, y Las tareas pueden activarse en intervalos de tiempo

definidos


Lenguajes de programación

Básicamente cabe considerar tres alternativas: Lenguajes ensambladores

Proporcionan la máxima flexibilidad pero los desarrollos son costosos y poco fiables

Lenguajes secuenciales (C, Pascal, FORTRAN, etc.) Deben tener un SOTR por debajo

Lenguajes concurrentes (Ada, Modula, concurrent C, etc.) El lenguaje proporciona la concurrencia y el tiempo real

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