Systémy pracující v reálném čase a vestavěné systémy

Systémy pracující v reálném čase a vestavěné systémy

Pojmy Real-time systems - systémy reagující v reálném čase Real-time OS - operační systém reagující v reálném čase

K čemu slouží systémy v reálném čase ?  úlohy a procesy v počítači jsou často reakcí na podněty v okolí systému nebo mají takové události vyvolat  u běžných PC systémů komunikujících s uživatelem na rychlosti reakce příliš nezáleží  1. příklad: psaní na klávesnici - je li systém vytížen, nestačí zpracovávat požadavky z klávesnice - důsledek: znaky se ukládají do buffru a zpracují se později - nic vážného se neděje  2. příklad: nestačí li systém zásobovat řádkovou tiskárnu daty, tak se tiskárna zastaví a počká na nová data  Co když je ale systém zaneprázdněn jinou činností a nestihne např. včas zareagovat na snímač koncového spínače výtahu?  Nebo co když systém pozdě zastaví pásový dopravník?  Dovedete si představit, že by normální MS Windows řídily například jadernou reakci v Temelíně?

Funkce systému v reálném čase  úlohy a procesy v počítači mohou být reakcí na události v okolí systému nebo mají takové události vyvolat  události v okolí systému probíhají v ”reálném čase”  počítač nemá na tok času vliv

 a procesy proto s nimi musí ”držet krok”  např. musí dokázat regulovat chemickou reakci tak, aby nedošlo k jejímu nechtěnému zastavení nebo naopak k explozi

 správná funkce systému nezávisí jen na formální správnosti výpočtů, ale také na tom, kdy jsou výsledky k dispozici !  výsledky, které jsou k dispozici pozdě, pro nás ztrácejí význam ...  ... nebo nás opoždění výsledku může ohrozit !

RT systémy RT (Real-Time) Systems  pojem obvykle používáme pro oblast technických kybernetických systémů  výstupy mohou být závislé na  aktuálních hodnotách vstupů (kombinační automat)  typicky pouze jednodušší systémy

 aktuálních hodnotách a historii vstupů (sekvenční automat, systém s pamětí)  oba typy lze realizovat bez počítače, ale druhý typ se dnes obvykle realizuje pomocí počítače

 systémy s pamětí mohou být samoučící  mohou měnit pravidla chování na základě získaných zkušeností

RT systémy příklady: řízení laboratorních experimentů řízení výrobních procesů robotika řízení letového provozu telekomunikační systémy ... Potřebujeme vždy počítač?

Systémový přístup při analýze nebo návrhu systému se snažíme rozdělit systém na jednodušší podsystémy

vstupy

?

výstupy

Signálové řetězce vstupy a výstupy jsou propojeny typickými strukturami - signálovými řetězci: čidlo

úprava signálu

zpracování informace

akční člen / indikátor

čidlo (senzor) převádí hodnotu fyzikální veličiny na signál

 obvykle elektrický, ale také hydraulický, pneumatický …

Signálové řetězce úprava signálu – obvykle hw  galvanické oddělení, konverze signálu, analogová filtrace, linearizace, úprava měřítka …

zpracování informace – obvykle sw  číslicová filtrace, kontrola překročení zadaných mezí, vyhodnocení hodnověrnosti porovnáním údajů z různých zdrojů, výpočet odvozených veličin, ukládání historie …

akční člen / indikátor převádí signál na výstupní fyzikální veličinu  sílu, pohyb, polohu, obraz, zvuk ...

Vrstvový model mezi signálovými řetězci mohou existovat příčné vazby: AČ AČ = akční člen I = indikátor ÚS = úprava signálu Č = čidlo

AČ

I

I

zpracování informace

AČ

AČ

zpracování informace

ÚS

ÚS

ÚS

ÚS

ÚS

Č

Č

Č

Č

Č

Vrstvový model proč vrstvy? jestliže mezi signálovými řetězci neexistují příčné vazby, je členění na vrstvy zbytečné příčné vazby umožňují dosáhnout požadované spolehlivosti i s méně spolehlivými prvky  paralelní spolehlivostní model

způsob propojení vrstev může výrazně ovlivnit výslednou spolehlivost systému  nezávislé propojení typu každý s každým je nejspolehlivější, ale také nejdražší  obvykle jedna nebo více sběrnic jako kompromis mezi spolehlivostí a cenou

Dělení systému na podsystémy  z hlediska návrhu a realizace sytému je vhodným podsystémem signálový řetězec nebo vrstva  hlavní zásady dělení:  co nejkratší signálové řetězce ( = co nejméně vrstev)  zpracování informace v uzlu a komunikace mezi uzly představuje vždy časové zpoždění

 co nejméně vazeb napříč mezi řetězci ( = co nejjednodušší vrstvy)  problémy při návrhu a realizaci stoupají progresivně s množstvím a složitostí vazeb

 co nejméně zpětnovazebních smyček  smyčky představují paměť a proto komplikují návrh a monitorování funkce systému (velký počet vnitřních stavů)  výhodnější je vestavět paměť do vnitřní funkce uzlu

Primitivní systémy  jednoduché analogové systémy  obtížný přenos signálů na velké vzdálenosti  nejednotnost způsobu propojení čidla s přístrojem  při větším počtu přístrojů malá přehlednost  obtížná realizace vzájemných (příčných) vazeb

čidlo

přístroj čidlo

čidlo

regulátor

regulátor čidlo

čidlo

přístroj

přístroj čidlo

regulátor

Centralizovaný model  systémy s centrálním počítačem  obtížný přenos signálu na velké vzdálenosti  centrální prvek snižuje spolehlivost  problémy s rušením a vyzařováním

čidlo

indikátor

čidlo

akční člen

čidlo počítač

čidlo čidlo čidlo čidlo

akční člen

Distribuovaný model  signály se digitalizují a formátují u čidel  údaje se na místo použití přenášejí digitálně  odpadají problémy s přenosem analogového signálu  zůstávají problémy s vyzařováním  lze dosáhnout vysoké spolehlivosti systému

akční člen

akční člen

indikátor

čidlo

čidlo

čidlo

čidlo

čidlo

Specifické požadavky minimalizace rizika selhání systému v oblastech, kde selhání ohrožuje lidské životy, musí systém vyhovovat zvláštním předpisům (homologace)

doručitelnost dat ve stanoveném čase systém pracuje v reálném čase zpoždění přenosu může způsobit nestabilitu nebo nefunkčnost systému

konstrukční a signálová unifikace umožňuje kombinovat výrobky různých firem snižuje vývojové, výrobní i provozní náklady

Specifické požadavky minimalizace rizika selhání systému technická spolehlivost a odolnost  velký rozsah provozních teplot a napájecího napětí, odolnost proti mechanickému namáhání, vibracím, korozi, odolnost proti rušení, galvanické oddělení ...

decentralizované řízení  bez centrálního řídícího prvku

redundance prvků a subsystémů  záložní řídící prvek  redundantní komunikační cesty  redundantní signálové řetězce

Systémy odolné proti poruchám FT = Fault Tolerant  obor zabývající se návrhem a konstrukcí vysoce spolehlivých systémů

Příklad: systém řízení letadla “Fly-by-Wire“

zůstává ještě 50% účinku

senzory

počítač

výkon. člen

aerodynam. prvek

senzory

počítač

výkon. člen

aerodynam. prvek

senzory

počítač

výkon. člen

aerodynam. prvek

senzory

počítač

výkon. člen

aerodynam. prvek

legenda:

poškozeno

50% vyřazeno z provozu

Potřeba OS  Časy, kdy v počítači běžel jediný program, obsluhující zařízení, který v podstatě nepotřeboval OS jsou pryč.  Dnes obsluhuje jeden řídící počítač více zařízení, běží na něm více úloh současně  Komunikuje po sítí s nadřazenými systémy  Komunikuje s obsluhou  Musí umožňovat pohodlné programování pomocí jazyků vyšší úrovně  Potřebuje souborový systém ...

 Je potřeba Operační Systém  U jednoduchých OS je jednoduché vytvořit RTOS, se složitostí vlastního OS stoupá i složitost RT jádra

RTOS Real Time Operating System operační systém pro počítače, pracující v reálném čase

RTOS je charakterizován deterministickým chováním krátkou dobou odezvy vysokou spolehlivostí

Charakteristiky RTOS Deterministické chování operace se provádějí v pevných, předem určených časech nebo v předem určených časových intervalech  u každé operace je předem známo, kdy nejpozději skončí

Charakteristiky RTOS Doba odezvy (response time) čas, ve kterém systém přiměřeně reaguje na událost časové měřítko je relativní  závisí na aplikační oblasti

požadovaná doba odezvy může být stovky mikrosekund ...  řízení jaderného reaktoru

... až desítky sekund  rezervace letenek

Charakteristiky RTOS exaktně: za jak dlouho operační systém reaguje na požadavek přerušení tento čas nesmí překročit pevně stanovenou hodnotu skládá se z doby latence (interrupt latence)  doba mezi okamžikem příchodu požadavku na přerušení a okamžikem, kdy počítač reaguje na přerušení

a doby obsluhy přerušení (interrupt processing)  doba potřebná k vlastnímu zpracování přerušení

Charakteristiky RTOS Spolehlivost mission critical system  systém, jehož porucha může mít katastrofální důsledky

dependable system  systém natolik spolehlivý a bezpečný, že na něm můžeme být zcela závislí

FT (fault tolerant) system  systém odolný proti poruchám  porucha může snížit výkonnost systému, ale nesmí ho vyřadit z funkce  přednost mají úlohy kritické pro funkci systému, úlohy s nižší prioritou se provádějí jen když na ně zbývá čas

Typické vlastnosti RTOS  multitasking  v případě potřeby je nutné méně důležitou úlohu pozastavit a rychle provést kritickou úlohu

 rychlé přepínání kontextu  aby se při přechodu z jedné úlohy na druhou ztrácelo co nejméně času  několik samostatných sad registrů, aby se obsahy registrů nemusely ukládat

 preemptivní plánování založené na prioritách  jestliže to je potřeba, lze běžící úlohu kdykoliv okamžitě přerušit

Prioritní plánování s preempcí

RQ0

ukončení

plánování Processor

RQ1

. . .

zahájení

priorita

RQn

preempce

blokované procesy událost nastala

čekání na událost

pokud je priorita požadavku vyšší než priorita právě prováděného procesu, je tento proces přerušen ... a je zařazen zpět do fronty připravených procesů s odpovídající prioritou

Typické vlastnosti RTOS Specifické požadavky na procesy některé procesy musí být trvale v operační paměti  jejich odložení na disk by způsobilo nepřípustné prodloužení doby odezvy

práva a priority procesů závisí na úlohách, které plní  procesy důležité pro správné chování a bezpečnost systému musí mít přednost

minimalizace intervalů, ve kterých je zakázáno přerušení  např. pro řešení kritických oblastí se nepoužívá zablokování přerušení

Typické vlastnosti RTOS rychlý souborový systém musí umožňovat rychlé čtení a ukládání dat

nástroje pro rychlou komunikaci procesů semafory, signály, mailboxy ...

speciální systémové služby alarmy, timeouty ...

malé rozměry OS obsahuje jen nejnutnější prvky

Příklady RTOS  Standardní Windows (200x, XP, XP-Emb, CE...) nejsou RTOS pro některé vlastnosti:  nezaručují obsloužení IRQ v zaručitelné době  příliš málo priorit vláken  neprůhledná a nedeterministická rozhodnutí plánovače  vznik inverze priorit, zvláště při použití IRQ

 Pro vytvoření RT-Win je třeba doinstalovat doplněk: RTX (Real Time Extension) od společnosti VenturComm  RTx přidává rozšíření plánovače úloh a zkracuje rozlišitelnou jednotku z přibližně 5ms na 20ms.  Přidává rychlé hodiny a časovače  Prediktivní mechanismy synchronizace vláken  ...

Rozšíření RTX pro MS-Windows  Windows nemají Real-Time jádro - je nutné hledat pomocné řešení:  RTX přidává k jádru Windows subsystém realného času (RTSS), pro nějž je jádro Windows v podstatě pouze jedním z procesů  RTSS obsahuje svůj nezávislý rychlý plánovač úloh  RTSS je v podstatě samostatný „systém“ pod systémem Windows  RTSS dokáže pokračovat i v případě obsluhy systémové vyjímky windows (Blue Screen)

Řešení UNIXového RTOS  Nejrozšířenějším Unixovým RT jádrem je QNX Neutrino  Jedná se stavebnicový systém s rychlým mikrojádrem, zajišťujícím pouze základní funkce správy paměti, procesů ...  Ostatní funkce je třeba zavést formou modulů.  Každý proces běží ve vlastní paměti  Systém je schopen restartovat jádro za běhu !!  Jádro je Real Time a umožňuje přepínání kontextu s rychlostí řádově 0,5ms !!  Chcete li zkusit jednodisketovou demo verzi s funkčním grafickým prostředím a sítí, zkuste www.qnx.com

RTOS for Embedded Systems (obecné schéma)

BSP "Board Support Package" zahrnuje balíček s ovladači pro většinu periferií a utilitami pro podporu SATA harddisků, USB-WLAN modulů či nízkoprofilové PCI karty a další. POSIX ’’ Portable Operating System Interface’’ - přenositelné rozhraní pro různé operační systémy. POSIX zahrnuje různé aspekty operačních systémů, např. správu procesů, práci se soubory, meziprocesovou komunikaci, základní programy (ed, awk, Korn Shell apod.), síťové záležitosti atd.

Vestavěné systémy (Embedded Systems)

Vestavěné systémy Embedded Systems počítačové systémy, které jsou součástí jiných (obvykle technických) systémů obvykle představují jejich řídící složku ... ... nebo tvoří jejich podsystémy

schopnost práce v reálném čase OS transparentní pro uživatele jeho činnost se uživateli jeví jako funkce podsystému nebo aplikace nevyžaduje zvláštní údržbu nevyžaduje zvláštní znalosti

Podíl na trhu ročně se prodají asi 3 miliardy mikroprocesorů a mikropočítačů z toho jdou jen necelá 2% do sektoru klasické výpočetní techniky osobní počítače, servery ...

přes 98% jde do sektoru vestavěných systémů

Nosné aplikační oblasti  Specializované počítače  funkce podobná jako běžné počítače, ale ve specifickém provedení  video-hry, přenosné počítače ...

 Řídící systémy  zpětnovazební regulace v reálném čase  dopravní prostředky, technologické procesy, jaderné reaktory ...

 Zpracování signálu  zpracování souvislých proudů dat v reálném čase  radar, sonar, video ...

 Telekomunikace a sítě  přepínání a směrování přenosu dat  pevné a mobilní telefonní sítě, Internet ...

Standardní embedded systémy ve vozidlech

Komfortní embedded systémy ve vozidlech

Embedded systémy ve vozidlech

Embedded systémy ve vozidlech

Embedded systémy ve vozidlech

Přínos vestavěných systémů pro uživatele obvykle modernizace mechanického nebo elektromechanického systému snížená cena zlepšená funkce zvýšený výkon zvýšená spolehlivost pokud je systém správně navržen a dobře otestován

Typické funkce Řídící algoritmy PID regulace, fuzzy logika …

sekvenční logika automaty, přepínání režimů řízení ...

Zpracování signálů komprese multimediálních dat, digitální filtrace ...

aplikačně-specifická rozhraní tlačítka, akustická a světelná signalizace … rychlé vstupy a výstupy

reakce na chyby detekce a rekonfigurace, diagnostika ...

Systém z hlediska návrháře vestavěného počítačového systému

Systém z hlediska návrháře celého sytému

Typické požadavky reaktivita výpočty probíhají jako odezva na externí události periodické rotační stroje, zpětnovazební řídící smyčky ...

aperiodické tlačítka ...

ve většině případu typický systém musí kombinovat oba přístupy - využívá se systému přerušení

Typické požadavky funkce v reálném čase správnost je částečně funkcí času Hard real time existují absolutní časové limity, při jejichž překročení je odezva zcela bezcenná

Soft real time časové limity jsou pouze přibližné, jejich překročení pouze sníží použitelnost odezvy

obecně neplatí, že v reálném čase znamená velmi rychle

Typické požadavky  malé rozměry a váha  přenosná elektronika  dopravní prostředky  přebytek váhy znamená vyšší provozní náklady

 malá spotřeba  bateriové napájení  omezená možnost chlazení

 odolnost    

horko, mráz, vibrace, nárazy kolísání napájení, rušení, blesky vlhkost a zkrápění vodou, koroze nesprávné zacházení

 modularita systému  základní systém lze přizpůsobit mnoha aplikacím (pračka auto)

 snadná konfigurovatelnost systému  usnadňuje vývojářům práci

Typické požadavky spolehlivost a bezpečnost musí fungovat správně ... ... ale hlavně nesmí fungovat nepřijatelně! správný, bezpečný správný, nebezpečný

nesprávný, bezpečný nesprávný, nebezpečný

extrémní cenová citlivost snížení ceny o 5 Kč může znamenat zvýšení prodeje o milióny kusů

Embedded operační systémy  Systémů pro embedded systémy je celá řada:  Palm OS - velmi často používán v PDA  Symbian OS - používán v PDA a telefonech  Embedded NT/XP - v podstatě okleštěné Windows s konfiguračními nástroji  Windows CE, Pocket PC 2002, Windows mobile různé verze více či méně okleštěných Windows pro zařízení typu PDA, Android, chytré telefony ...

 Existují i řešení založená na systému Linux  Amirix Linux  Coollogic Collinux  Kyzo Pizza Box Linux  RedHat Emb. Linux  Pro svou malou podporu však nejsou příliž podporována výrobci HW

Formáty některých embedded zařízení  Embedded systém si samozřejmě může vývojář navrhnout jaké chce  Existují však hotová řešení v několika průmyslových standardech:  zařízení formátu Little Board (5,75“x8“)  zařízení ve formě „polovičních/plných“ ISA/PCI karet obsahují na jedné ISA kartě celé PC, zbytek systému již tvoří pouze expandér sběrnic

Formáty některých embedded zařízení  Velmi oblíbeným formátem v průmysových systémech je formát PC-104  jedná se o stavebnicový formát ve velikosti kreditní karty  na jedné kartě je základní systém  ostatní periferie se připojují pomocí konektorů

Formáty některých embedded zařízení  Poslední dobou se lze setkat s formátem Mini-ITX (www.mni-itx.com)  na jedné kartě je celý počítač standardu PC s poměrně výkonným procesorem (> 1GHz), dostatečným množstvím paměti a možnosti připojení např. 2,5“ HD  formát mini-itx umožňuje implementovat běžné PC prakticky do čehokoli

Formáty některých embedded zařízení

Základní deska řídící jednotky kotle pro vytápění rodinného domu

Další příklady zařízení  Axis 2120  mCLinux  100Mbit/s Ethernet  100MHz Extrax CPU  16MB RAM

 GPSmap 76C  115MB RAM  CPU Samsung 203MHz  Windows CE

Děkuji za pozornost