Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

Transkript

1 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti MI-SOC: 6 PROGRAMOVÁNÍ PRO REÁLNÝ ČAS doc. Ing. Hana Kubátová, CSc. Katedra číslicového návrhu Fakulta informačních technologii ČVUT v Praze Hana Kubátová MI-SOC 2011/12 1

2 ZDROJE Materiály z Die Technische Universität Wien Institut für Technische Informatik, Real-Time Systems Group, Přednášky ČVUT-FEL M. Sojky Článek Programovací jazyky s podporou Real-time, Ing. Dalibor Zacios, 2003 (viz materiály a JD-Zacios.pdf 2

3 ÚVOD DO SYSTÉMŮ REÁLNÉHO ČASU Systém reálného času je systém, jehož specifikace zahrnuje jednak logické a jednak i časové požadavky na správnost. Logická správnost: Dostáváme správné výsledky. Např = 2 Časová správnost: Výsledky dostáváme ve správném čase 3

4 CHARAKTERISTIKY A VLASTNOSTI SRC Jsou řízené událostmi, reaktivní Jejich selhání bývá drahé a nebezpečné Paralelní/vícevláknové programování Nepřetržitý provoz bez zásahu operátora Požadavky na spolehlivost a odolnost vůči poruchám (i chybám)... fault-tolerance Predikovatelné chování 4

5 MÝTY PODLE (STANKOVIC '88) Návrh systému reálného času není žádná věda.. Pokroky ve výkonnosti hardwaru za nás vyřeší časové požadavky. Real-time program je to samé jako rychlý program. (My pod pojmem real-time chápeme predikovatelný a rychlost nemusí být závratná.) Real-time programování je programování v assembleru. Rádi bychom návrh systémů reálného času co nejvíce zautomatizovali, než bychom se spoléhali na možná chytře napsaný, ale nepřehledný kód. Real-time znamená maximalizaci výkonu. Při real-time programování je často důležitější časová přesnost než pouze výkonnost. 5

6 Problémy reálného času už byly vyřešeny v jiných oblastech informatiky. Informatici se obvykle zajímají jen o průměrný výkon. Nemá smysl se bavit o zárukách časování, když se cokoli může porouchat. I když se může cokoli porouchat, nechceme aby byl operační systém nejslabším článkem. Systémy reálného času pracují ve statickém prostředí. Není pravda. Uvažujeme i systémy, kde se pracovní módy dynamicky mění. 6

7 CO VLASTNĚ ZNAMENÁ REAL-TIME?? Výplaty jsou také omezené časem (každý měsíc) podle definice je to systém reálného času Real-time nemusí znamenat, že jde o nějaké super-rychlé zpracování Rychlost x šířka pásma Serio-paralelní a paralelně-sériové převodníky 7

8 ZDROJE MNOŽSTVÍ A ZAŘAZENÍ (PROCESOR, PAMĚT, SÍŤ,... ) Dostatečné lze použít běžnou metodologii návrhu systému pro naplnění časových požadavků aplikace. Nedostatečné Aplikace má požadavky, za hranicemi současných technologií. Žádná metodologie není použitelná pro splnění čas. Požadavků Dostatečné, ale vzácné Je možné naplnit časové požadavky aplikace, ale jen s pečlivým a promyšleným způsobem alokace zdrojů. 8

9 Hana Kubátová MI-SOC 2011/12 VÝVOJ NA PŘÍKLADECH 9

10 PŘÍKLAD 1 Jednoduchý řídicí systém s jedním senzorem a jedním akčním členem. (Každý řídicí systém je SRC.!!) 10

11 Pseudokód řídicí aplikace Nastav periodické přerušení s periodou T. V každé obsluze přerušení od časovače dělej: proveď A/D konverzi a přečti hodnotu y spočítej výstup u zapiš u a spusť D/A konverzi Hodnota T se nazývá vzorkovací perioda a její správná volba závisí na vlastnostech řízeného systému. Typické hodnoty jsou od sekund do milisekund. Ex.systémy s více vzorkovacími periodami Složitější řídicí systémy, Více senzorů a akčních členů. Dynamika různých části soustavy je jinak rychlá Vzorkovací periody jednotlivých řídicích smyček jsou rozdílné (harmonické vzorkovací frekvence zjednodušují systém i jeho návrh) 11

12 Hana Kubátová MI-SOC 2011/12 HIERARCHICKÝ ŘÍDICÍ SYSTÉM 12

13 ZPRACOVÁNÍ SIGNÁLŮ DŮLEŽITÁ SOUČÁST Systémy převádějící data z jedné formy na druhou. Příklady: Číslicová filtrace Komprese/dekomprese videa či zvuku Zpracování radarových signálů Doby odezvy se pohybují v rozmezí od pár milisekund do několika sekund. 13

14 Hana Kubátová MI-SOC 2011/12 PŘÍKLAD 2 RADAROVÝ SYSTÉM 14

15 JINÉ APLIKACE SRC Real-time databáze Transakce musí být provedeny do určitého termínu Hlavní problém: Algoritmy pro rozvrhování transakcí a real-time rozvrhovací algoritmy mají často protikladné cíle. Požadavky na absolutní či relativní časovou konzistenci. Multimédia Chceme zpracovávat audio či video s konstantní vzorkovací frekvencí (snímková frekvence televize je 25 Hz, pro HDTV 50 Hz). Další požadavky: Synchronizace zvuku a obrazu, nízký jitter (nepřesnost v časování), při interaktivním přenosu nízké zpoždění Simulace v reálném času Virtuální realita 15

16 KLASIFIKACE APLIKACÍ (SRC) Čistě cyklické Každá úloha je spouštěna periodicky Téměř neměnné požadavky na systémové prostředky Příklady: digitální regulátor, řízení letu, monitorování v reálném čase Převážně cyklické Většina úloh je spouštěna periodicky Systém reaguje na nějaké externí asynchronní události Příklady: Moderní avionické a řídicí systémy Asynchronní a predikovatelné Většina úloh není periodická Požadavky na systémové prostředky se mohou během po sobě jdoucích spuštění velmi lišit, ale mají známe meze či statistické rozložení. Příklady: Multimediální komunikace, zpracování signálu z radaru a sledování objektů Asynchronní a nepredikovatelné Převážně se reaguje na asynchronní události Úlohy s vysokou složitostí Příklady: inteligentní real-time řízení, real-time simulace a VR 16

17 HARD/SOFT REAL-TIME TERMINOLOGIE Úloha (task): Sekvenční úsek kódu. Množina dávek, které se spouští, aby pomáhaly vykonávat určitou funkci systému. Dávka (job): Instance úlohy. Dávky potřebují k běhu potřebují zdroje. Příklady zdrojů: CPU, síť, disk, kritická sekce Všechny hardwarové zdroje jsou pro jednoduchost procesory. Čas uvolnění dávky (release time): Časový okamžik, kdy je dávka připravena k běhu. Termín dokončení dávky (deadline): Časový okamžik, do kdy dávka musí skončit. Relativní termín dokončení dávky: Délka intervalu mezi časem uvolnění a termínem dokončení. Doba odezvy dávky (response time): Skutečný čas dokončení mínus čas uvolnění. 17

18 Hana Kubátová MI-SOC 2011/12 PŘÍKLAD 18

19 HARD REAL-TIME SYSTÉMY Striktní termín dokončení (hard deadline) je takový termín dokončení, který musí být bezpodmínečně dodržen. Pokud není nějaký striktní termín dokončení dodržen, chování systému je nesprávné a často to má katastrofální následky. Potřebujeme prostředky pro ověření, že termíny dokončení budou dodrženy. Hard real-time systém: Systém reálného času, kde všechny termíny dokončení jsou striktní. Příklady: Jaderná elektrárna, řízení letadla. 19

20 SOFT REAL-TIME SYSTÉMY Žádaný termín dokončení (soft deadline) může být občas porušen. Otázka: Jak správně definovat občas? Soft real-time systém: Systém reálného času, zahrnující žádané termíny dokončení. Příklady: Telefonní ústředny, multimediální aplikace. 20

21 URČENÍ OBČAS Jeden přístup: Použít pravděpodobnostní popis požadavků. Například: 99% termínů dokončení musí být dodrženo. Jiný přístup: Definovat funkci popisující užitečnost dávky v závislosti na době dokončení složitější ověření splnění požadavků 21

22 PEVNÝ TERMÍN DOKONČENÍ Pevný termín dokončení (firm deadline): Žádaný termín dokončení takový, že funkce užitečnosti padá k nule jakmile je dosažen termín dokončení (opožděné dávky nám nejsou k ničemu). 22

23 RTOS PROČ JE POUŽÍVAT A KDY Souběžné zpracování dat reflektuje přirozený paralelismus skutečných dějů. Synchronizace a výměna dat mezi úlohami reprezentuje interakce mezi reálnými ději. Oddělení funkcí (co úloha dělá) a časových charakteristik (kdy to dělá) jednotlivých úloh. Prostředník mezi hardware, uživatelskými programy a uživateli Pomáhá programům snadno a efektivně využívat hardware Správce prostředků Vzájemná izolace programů 23

24 POŽADOVANÉ VLASTNOSTI RT OS Víceúlohový či vícevláknový Preemptivní RT úloha by neměla být blokována jinými úlohami pokud to není nutné (sdílené zdroje). Mechanismus na zabránění inverzi priorit, lépe na zabránění deadlocku Řízený prioritami (nebo EDF earliest deadline first) Dostatečný rozsah priorit Definovaná maximální doba mezi vznikem přerušení a jeho obsloužením (interrupt latency) Dostatečně jemné rozlišení času 24

25 DISTRIBUOVANÉ REAL-TIME SYSTÉMY Používají se z mnoha důvodů Zvýšení spolehlivosti (redundance) Distribuce výkonu na místa kde je spotřebováván Subsystémy dodány třetí stranou Problém: end-to-end vlastnosti (deadline) End-to-end response-time (doba odezvy) je ovlivňována různými zdroji (CPU, síť,...) 25

26 JAKÝ PROGRAMOVACÍ JAZYK??? Real-time Java C Specializované??? Diskuse 26