Introducción a los sistemas de tiempo real

1. Introducción a los sistemas de tiempo real Informática III El tiempo es un tirano...

2. 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

3. 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 …

4. 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

5. 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)

6. eventos respuestas e1 e2 r1 e3 r2 e1 r3 r1 e1 Sistema de Tiempo Real r1 e2 r2 t e3 r3 en rn Definición de Sistemas de tiempo real • El tiempo en el que se ejecutan las acciones es significativo

7. 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!

8. Tiempo real vs. rapidez

9. Evolución de la informática

10. Sistemas embebidos

11. 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.

12. Sistemas embebidos • Realizan funciones de control de otros sistemas Adaptado de Kopetz (1997)

13. 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

14. Tareas de tiempo real

15. 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.

16. 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?

17. Tareas de tiempo real

18. Ejecución de una tarea de tiempo real

19. 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

20. Atributos temporales

21. 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

22. 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

23. Tipos de requisitos temporales

24. Ejemplos de Sistemas en tiempo real

25. Ejemplos de Sistemas en tiempo real

26. Ejemplos de Sistemas en tiempo real

27. Sistema de computador embebido generalizado Reloj de tiempo real Sistema controlado Control digital Interfaz Sistema de monitoreo remoto Registro de datos Base de datos Dispositivos de presentación Visualización de datos Consola de operador Interfaz de operador Real-Time Computer

28. 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 cambianteslas aplicaciones deben evolucionar continuamentelos STR deben ser extensibles

29. 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 termonúmeros en punto flotante

30. 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)

31. 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

32. 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

33. 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

34. Desarrollo de Sistemas en tiempo real

35. 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

36. Desarrollo cruzado

37. Aspectos de un sistema • Funcionalidad • 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

38. Diseño de Sistemas de tiempo real

39. Diseño de Sistemas de tiempo real

40. Diseño de Sistemas de tiempo real

41. Diseño de Sistemas en tiempo real

42. Diseño de Sistemas de tiempo real • Las actividades de desarrollo de los STR incluyen las tradicionales de otros sistemas, aunque tienen requerimientos adicionales

43. Integración de métodos y herramientas

44. Integración de métodos y herramientas

45. Integración de métodos y herramientas

46. Integración de métodos y herramientas

47. Lenguajes de programación • Hay varias clases de lenguajes de interés para los STR: • Assembler • Flexibles y eficientes pero costosos y poco fiables

48. Lenguajes de programación

49. Lenguajes de programación

50. Lenguajes de tiempo real