Capacidades de tiempo real

1. Capacidades de tiempo real Nora Blet Informática III

2. Capacidades de Tiempo Real • Objetivo • Comprender el papel del tiempo en el diseño e implementación de sistemas de tiempo real • Contenido: • Sistemas de referencia de tiempo • Relojes, retardos y límites temporales (time-outs) • Requisitos temporales • Ámbitos temporales • Tolerancia a fallos

3. Necesidades • Acceso al tiempo real • leer el paso del tiempo en relojes • retrasar la ejecución de los procesos durante un tiempo • definir límites temporales para la ocurrencia de un suceso (timeouts) • Representación de los requisitos temporales • períodos de activación • plazos de ejecución • Análisis del cumplimiento de los requisitos temporales • Lo veremos en el próximo tema

4. Medida del tiempo • Objetivo: Comprender la importancia de la medida del tiempo con precisión en el desarrollo de sistemas de tiempo real • Contenido: • Sistemas de referencia de tiempo • Relojes y retardos

5. Acceso a un reloj • Si un programa ha de cumplir con determinados requisitos temporales debe tener alguna forma de medir el paso del tiempo • Accediendo al marco temporal del entorno (Ej.: GPS, Internet utilizan una señal de tiempo internacional que se emite por radiofrecuencia o por via satelital (UTC)) • Mediante un reloj hardware interno que de una aproximación adecuada del paso del tiempo del entorno • Desde la perspectiva del programador: • Mediante una primitiva del reloj del lenguaje • Programando un controlador (driver) de un reloj del sistema asociado al procesador (reloj interno) o, un reloj externo o un radioreceptor sintonizado con una señal de tiempo internacional

6. Tiempo Universal • TU0 o UT0 (Tiempo Universal) • Tiempo solar medio en el meridiano 0. Definido en 1884 (GMT) • 1s = 1/86.400 de un día solar medio • Definición válida hasta 1955 • Relativamente impreciso y variable • Día solar variante por acción de las mareas y otros fenómenos

7. Tiempo de efemérides • Año trópico • Tiempo transcurrido por dos pasos de la tierra por un punto definido  • 1s=1/31 566 925, 9747 del año trópico de 1990 • Definición oficial entre 1955 y 1967 • Correcciones de UT0: • UT1: UT0 Corregido por el movimiento de los polos (astrónomos) • UT2: UT1 Corregido por variaciones de la rotación de la tierra

8. Tiempo atómico • Los relojes atómicos presentan una medida del tiempo precisa y estable. • 1s= 1/9 192 631 770 periodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio 133 en reposo a una temperatura de 0º K. • Definición oficial (SI) desde 1967 • Precisión del orden de 10-13 (1s en 300.000 años) • TAI (tiempo atómico internacional) • definido en 1970 • mantenido por una red coordinada por el BIMP (Bureau International de Mésures et Poids)

9. Tiempo universal coordinado • El TAI se aparta lentamente del UT • La duración del día solar medio va en aumento • En 2001, la diferencia es aprox. de 32 s • UTC (Universal Time Coordinated) • Definido en 1972 • UTC = TAI + H • H se elige de forma que |UT2 - UTC| ≤ 0,5 s

10. Relojes en Java • Reloj de hora del día (“reloj de pared”) • java.lang.System.currentTimeMillis() da el número de milisegundos transcurridos desde UTC 1970-01-01:00:00 • java.util.Date usa este valor para dar la fecha y hora del día • Tipos de datos de alta resolución (RT Java) • representación del tiempo con resolución de 1 ns

11. Índice • Medida del tiempo y relojes • Retardos • Límites temporales (time-outs) • Requisitos temporales • Tolerancia de fallos

12. Retardos • Un retardo suspende la ejecución de una tarea durante un cierto tiempo • Hay dos tipos • Retardo relativo: la ejecución se suspende durante un intervalo de tiempo relativo al instante actual • Retardo absoluto: la ejecución se suspende hasta que se llegue a un instante determinado de tiempo absoluto

13. Ejecución de un retardo

14. Índice • Medida del tiempo y relojes • Retardos • Límites temporales (time-outs) • Requisitos temporales • Tolerancia de fallos

15. Limitación del tiempo de espera • A menudo conviene limitar el tiempo durante el cual se espera que ocurra un suceso • Ejemplos: • Acceso a una sección crítica: • La espera está limitada por la duración de la sección crítica • Sincronización condicional • Ahora el bloqueo asociado no está limitado. Problema del buffer acotado. Un proceso productor con un buffer lleno debe esperar un tiempo indefinido a que un consumidor retire un ítem del buffer. Es necesaria una primitiva de sincronización condicional con plazo. En Java, puede utilizarse el método wait con un tiempo límite de espera, ya sea con una granularidad de milisegundos o de nanosegundos. • Cita entre dos tareas • Ejecución de una acción

16. Paso de mensajes y tiempo límitede espera task Controller is entry Call(T : Temperature); end Controller; task body Controller is -- declarations, including New_Temp : Temperature; begin loop accept Call(T : Temperature) do New_Temp := T; end Call; -- other actions end loop; end Controller; Problema: Modificar el controlador a fin de actuar cuando no se recibe una entrega de temperatura rebasado un plazo.

17. Aceptación temporizada • Se puede especificar una acción alternativa en caso de que la llamada no se reciba (espera en la recepción de un mensaje) dentro de un cierto intervalo mediante una aceptación temporizada

18. Aceptación temporizada task Controller is entry Call(T : Temperature); end Controller; task body Controller is -- declarations begin loop select accept Call(T : Temperature) do New_Temp := T; end Call; or delay 10.0; -- action for timeout end select; -- other actions end loop; end Controller;

19. Llamada temporizada (en la tarea invocante) • Se puede limitar el tiempo que tarda en aceptarse la llamada (espera en el envio de un mensaje) mediante una llamada temporizada • El driver del sensor está leyendo temperaturas continuamente y no tendría sentido enviarle al controlador una lectura caduca, cuando podría pasarle a este un valor más nuevo

20. Llamada temporizada loop -- get new temperature T Controller.Call(T); end loop; loop -- get new temperature T select Controller.Call(T); or delay 0.5; null; end select; end loop;

21. Llamada condicional • Se usa cuando quiere ejecutarse una acción alternativa si la llamada no se acepta inmediatamente (en lugar de hacer una invocación temporizada con tiempo 0)

22. Acciones temporizadas • Se puede usar una transferencia asíncrona de control (ATC) para limitar el tiempo de ejecución de una acción: • Es útil para detectar y recuperar fallos

23. Aplicación al cómputo impreciso • Se trata de ejecutar rápidamente un parte obligatoria de un cálculo, y de iterar sobre una parte opcional que mejora el resultado si le sobra tiempo

24. Aplicación al cómputo impreciso

25. Índice • Medida del tiempo y relojes • Retardos • Límites temporales (time-outs) • Requisitos temporales • Tolerancia de fallos

26. Requisitos temporales Hay dos formas de enfocar este tema: • Métodos formales: • Especificar las propiedades temporales con un modelo formal • Validar la especificación • Comprobar que la implementación satisface las propiedades temporales • Métodos analíticos: • Analizar las propiedades temporales desde el punto de vista de la planificación de las tareas Seguiremos en detalle este último enfoque

27. Atributos temporales • Los atributos temporales de una secuencia de instrucciones definen un marco temporal para su ejecución

28. Parámetros temporales • Parámetros D Plazo de respuesta (R ≤ D) L Tiempo límite (tf ≤ L) Jmin Latencia mínima Jmax Latencia máxima C Tiempo de cómputo máximo • Activación • Periódica T Período • Aperiódica Irregular, a ráfagas, estocástica • EsporádicaT Separación mínima

29. Parámetros temporales • Latencia mínima Jmin: tiempo mínimo que debe transcurrir desde que se produce el evento de activación hasta que ejecuta el Marco Temporal • Latencia máxima Jmax: tiempo máximo que debe transcurrir desde que se produce el evento de activación hasta que ejecuta el Marco Temporal • Plazo de respuesta D: máximo tiempo en que la ejecución del Marco Temporal debe haber finalizado, medido desde el evento de activación del mismo • Tiempo de respuesta R: tiempo transcurrido desde que se produce el evento de activación hasta que acaba la ejecución del Marco Temporal • Tiempo de cómputo C: tiempo de utilización del procesador del Marco Temporal • Tiempo límite L: Máximo tiempo en que la ejecución del Marco Temporal debe haber finalizado, medido desde el comienzo de su ejecución

30. Requisitos temporales de tareas • Los marcos temporales suelen ir asociados a tareas o procesos • La mayoría de los atributos temporales pueden satisfacerse al: • Ejecutar tareas periódicas • Ejecutar tareas esporádicas cuando ocurren los sucesos correspondientes • Completar la ejecución de todas las tareas dentro de su plazo de respuesta • La desviación del cumplimiento de un atributo temporal se llama fluctuación o jitter

31. Criticidad Una tarea de tiempo real puede ser • Crítica (hard): No se puede admitir que se sobrepase el plazo de respuesta especificado ni una sola vez • Acrítica o flexible (soft): Es admisible que se sobrepase el plazo ocasionalmente • Firme (firm): El plazo no es crítico, pero una respuesta tardía no sirve para nada • Interactiva: No se especifican plazos de respuesta, sino tiempos de respuesta medios o adecuados

32. Índice • Medida del tiempo y relojes • Retardos • Límites temporales (time-outs) • Requisitos temporales • Tolerancia a fallos

33. Fallos temporales Una tarea (en un sistema “probado”) puede incumplir su plazo por varias razones, por ejemplo: • El tiempo de cómputo no está bien calculado • El análisis de tiempos de respuesta no es realista • Las herramientas de análisis contienen errores • No se cumplen las hipótesis de diseño (por ejemplo, separación mínima entre eventos) En estos casos hay que detectar los fallos Si el sistema es crítico, debe recuperarse

34. Tolerancia a fallos de temporización • Para ser considerado tolerante a fallos de temporización el sistema tiene que poder detectar: • El desbordamiento de un tiempo límite • El desbordamiento del tiempo de ejecución en el peor caso • Eventos esporádicos que ocurran más a menudo de lo previsto • Tiempos límites de espera en comunicaciones

35. Reconfiguración basada en eventos • A menudo, las consecuencias de un error de temporización en un proceso/hilo responsable de un tiempo límite, son: • Otros procesos deben alterar sus límites temporales, o incluso terminar lo que están haciendo • Hay que arrancar nuevos procesos • Si los cálculos importantes requieren más tiempo del procesador del asignado, para tener tiempo extra, otros procesos menos importantes pueden tener que ser “suspendidos” • Los procesos tienen que ser “interrumpidos”, normalmente para emprender una de las siguientes acciones: • Se debe devolver inmediatamente el mejor de los resultados obtenidos • Cambiar a un algoritmo más rápido • Pasar a estar disponible para recibir nuevas instrucciones

36. Fuente de las transparencias • http://polaris.dit.upm.es/~jpuente/strl05/transparencias/Tiempo.pdf • http://gsd.unex.es/~jdiaz/asig/str/transp/tiempore/TranspTR_v0.pdf • libro de Alan Burns y Andy Wellings cuya versión en castellano es: Sistemas de Tiempo Real y Lenguajes de Programación (3ª Edición). Autor: Alan BURNS y Andy WELLINGS. Editorial:ADDISON-WESLEY Iberoamericana España, Pgs: 824 ISBN: 8478290583