Curs 1 PATR 15-16

8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

1/41

PROGRAMAREA APLICAŢIILOR ÎNTIMP-REAL

Semestrul 2, 2015-2016

Monica Drăgoicea

Departament Automatica si Ingineria Sistemelor

8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

2/41

Organizare:

Curs: EC 004

Monica Dragoicea, [email protected]

Birou: ED 207

http://acs.curs.pub.ro/

Laborator: ED 102

Evaluare activitate semestru:

Tip examinare: verificare pe parcurs

80% activitate in timpul semestrului:

20% colocviu final

Programarea Aplicatiilor in Timp Real 2

8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

3/41

Evaluarea activitatii pe parcurs:

Materialele pentru laborator afisate pe site-ul de cursuri http://acs.curs.pub.ro , impreuna cuplanificarea laboratoarelor

Evaluare activitate:

40% nota: 2 teste verificare in timpul semestrului, la curs

40% nota: 2 teste de verificare in timpul semestrului, la laborator

20% nota: colocviu final

Testele: tip grila, un singur raspuns corect

Se va afisa un exemplu test grila pentru curs in Moodle

Organizare:

2015-2016 Programarea Aplicatiilor in Timp Real 3

8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

4/41

Bibliografie:

suport curs: Programarea Ap l icati i lorin Timp -Real , Ed. Universitara, 2009

disponibil biblioteca facultatii

Bibliografie suplimentara:

Atasata pe site-ul de cursuri, la cursulrespectiv


8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

5/41

Organizare activitate laborator:

statii de lucru cu sistemul de operare in timp-real QNX

www.qnx.com

1. Select pentru download licenta "Non-comercial developers"

http://www.qnx.com/products/evaluation/non-commercial_developer.html

Vezi tutorial laborator – pe site Moodle

27.02.2015 Programarea Aplicatiilor in Timp Real 5

8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

6/41

Instalare QNX: - informatii la laborator si pe site-ul de cursuri


8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

7/41

Ce va trebui sa cunoasteti dupa audierea acestui curs:

ce inseamna sistem (cu procesare) in timp-real

ce inseamna sa implementam o aplicatie pentru conducerea in timp-real a unui "proces"

ce inseamna concurenta

cum se dezvolta o aplicatie concurenta

ce inseamna sistem de operare in timp-real si cum instalam o aplicatie concurenta(multitasking) pe un astfel de sistem de operare

exemplu: cum lucram sub QNX

dezvoltare de cod

depanare programe

! analiza performantelor sistemului


8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

8/41

Continutul cursului:

1) Notiuni introductive: sistem (cu procesare) in timp real si sisteme embedded in timp-real,sisteme de operare in timp real, limbaje de programare pentru aplicatii in timp-real, programareconcurenta, definitii (proces, fir de executie, task, preemptiune);

2) Aspecte concurentiale ale aplicatiilor in timp-real - mecanisme pentru sincronizarea sicomunicarea intre taskuri (sincronizare, excludere mutuala, mesaje, etc);

3) Aspecte temporale ale aplicatiilor in timp-real – caracteristici de limbaj pentru specificarea,implementarea si analiza deadline-urilor;

4) Mecanisme de planificare pentru aplicatii in timp-real – algoritmi de planificare, evitareainversiunii de prioritate.


8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

9/41

Continutul cursului:

paradigme de programare si constructii specifice de limbaj care

sustin aceste cerintele proiectarii si implementarii sistemelor in

timp real


8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

10/41

Corelarea cursului cu alte cunostinte (cursuri):

Procesare

sistem de operare in timp-real

planificare activitati /taskuri, etc ... (algoritmi de planificare)

resurse

Comunicatie

comunicatie in timp real, retele industriale, protocoale de comunicatie

transfer date

Control

algoritmi numerici (conducere de procese) – curs IRA !

control centralizat

control distribuit

Implementare hardware

Sisteme embedded in timp-real

Microcontrollere


8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

11/41

Definitii:

timp real

deadline

aplicatie software in timp-real

programare concurenta

task

sistem de operare in timp-real

proces

fire de executie

preemptiunea taskurilor

prioritati

planificarea taskurilor

mecanisme de sincronizare si comunicare

inversiune de prioritate

deadlock, starvation

...

...


8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

12/41

... industria automobile

Mai multe procesoare conectate intr-oretea, mai multe retele locale

pana la 100 procesoare (8, 10 sau 32biti)

senzori si elemente de executiedistribuite peste tot

multiple functii procesate de sistemeleembedded

ABS – Antilock Breaking Systems

ESP – Electronic Stability Control

control airbag-uri

cutii de viteza automate

sisteme antifurt cu keypersonalizate

etc ...


8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

13/41

... telefoane mobile

Microprocesoare

32 biti pentru U(ser) I(nterface)

DSP pentru procesare de semnale

32 biti pentru Bluetooth si port IR

8-100 MB memorie

cipuri dedicate

consumul de energie si viata bateriei depind de software-ul instalat


8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

14/41

jocuri si divertisment ...


8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

15/41

... sau pur si simplu util zilnic


8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

16/41

Definitii – sistem incorporat (embedded ):

Un sistem incorporat (embedded ) este un sistem in care componenta de procesare deinformatie, in particular software-ul, face parte dintr-un sistem ingineresc mai mare, si esteinterfatata cu dispozitive fizice monitorizate si comandate prin software

De fapt, este un tip special de sistem de calcul (computer system) - citeva definitii traditionale:

un sistem embedded este proiectat pentru a executa functii dedicate sistemele embedded sunt mult mai limitate sub aspect al functionalitatii hardware si / sau

software decat un PC

astazi, dispozitivele electronice din aproape orice segment de piata sunt clasificate ca sisisteme embedded

nu exista o definitie unica sau un mod de caracterizare globala a tuturor acestor dispozitive


8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

17/41

Definitii – sistem incorporat (embedded ):

orice sistem pentru care utilizatorul nu (doreste sa) stie ca include un microprocesor

este format din hardware si software


8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

18/41

Exemple – sisteme incorporate (embedded ):


8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

19/41

Caracteristici – sistem incorporat (embedded ):

Designer-ul aplicatiei software embedded trebuie sa stie cum sa comande hardware-ulsistemului

Limitari hardware

sunt dedicate unei anumite aplicatii

au performante de procesare mai reduse, trebuie sa functioneze cu consum redus deenergie, memorie disponibila limitata, etc ... din considerente de cost si dimensiune


8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

20/41

Caracteristici – sistem incorporat (embedded ):

Limitari software

ruleaza mai putine aplicatii, in cele mai multe cazuri nu au sistem de operare sau utilizeazaun sistem de operare cu facilitati limitate (microkernel sau executiv de timp-real)

in mod traditional, sistemele embedded au fost dezvoltate in jurul unui microcontroller,programat in limbaj de asamblare sau C cu insertii de cod in limbaj de asamblare pentru

programarea interfetelor de I/O;

astazi, datorita complexitatii este necesar sa se utilizeze tehnici de implementare care nusunt asociate de obicei sistemelor embedded (de exemplu, modelare UML) limbaje deprogramare orientate obiect (Java si C++), sau middleware distribuit (CORBA)


8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

21/41

Definitii – sistem in timp-real:

Vorbim despre sistem in timp-real atunci cand:

exista o interactiune continua cu mediul (sistem reactiv) mediul extern se schimba in "timp-real" si impune constrangeri de timp (deadline)

sistemului considerat

sistemul controleaza (sau reactioneaza) simultan diverse (la diverse) aspecte ale mediului(s is tem concurent )

Exemple de aplicatii in timp-real:

monitorizare medicala autovehicule (e.g. control ABS, engine control )

simulatoare de zbor

comanda instalatiilor / proceselor chimice

aviatie (e.g. cabin pressure control )


8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

22/41


Definit ie Sistem in t im p-real (Oxford Dict ionary of Comp ut ing):

“Any system in which the time at which the output is produced is significant. This is usually becausethe input corresponds to some movement in the physical world, and the output has to be relatedto the same movement. The lag from input to output must be sufficiently small for acceptabletimeliness."

... sau, altfel spus:

Raspunsul unui sistem in timp

real trebuie sa indeplineasca

deadline-uri (constrangeri

de timp) impuse de mediul in

care opereaza


8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

23/41

Exemplu – sistem in timp-real:

Sistem de conducere in timp-real a proceselor


8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

24/41

Exemplu implementare – sistem in timp-real:

Sistem de conducere in timp-real a proceselor

- implementari posibile -

Sistem de conducere Sistem de conducere

centralizata distribuita

comandat de un singur computer comandat prin intermediul

sistem de operare in timp-real unui mediu de comunicatie

comunicatie in timp-real


8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

25/41

Exemplu – sistem in timp-real:

Sistem de conducere a unitatii de drenare a apei dintr-o mina

Sursa: Real-time systems and programming languages, A. Burns, A. Wellings, Addison Wesley, 2001


8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

26/41

Exemplu – sistem in timp-real (cont.):

Reprezentare schematica a interactiunii sistemului de conducere cu dispozitivele externe

Sursa: Real-time systems and programming languages, A. Burns, A. Wellings,

Addison Wesley, 2001


8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

27/41


componentele unui STR – Sistem in Timp-Real


8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

28/41


Organizarea unui STR


8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

29/41


Organizarea unei aplicatii software de conducere in timp-real a unui proces

Cum definim activitatile specifice ?

Cum definim taskurile ?


8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

30/41


sistem in timp-real

versus

sistem de timp-real

in pentru ca se refera la

procesare date / informatie in timp-real


8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

31/41

Caracteristici – sistem in timp-real:

comportarea corecta a unui sistem (cu procesare) in timp-real este definita de

corectitudinea rezultatelor (calculelor)

momentul de timp la care este generat rezultatul procesarii datelor -> indeplinire deadline-uri

cel mai important criteriu de evaluare a corectitudinii in functionare este predictibilitatea – ce,cum, cand , in cat timp se executa operatiile

comportare determinista a programului – pentru aceeasi intrare, programul va genera aceeasiiesire predictibila la fiecare executie ...

... in plus, pentru sisteme in timp-real cu deadline-uri, comportarea determinista se

analizeaza si in raport cu timpul de executie necesar


8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

32/41

Caracteristici – sistem in timp-real (cont.):

sunt concurente - este o practica inginereasca proasta sa se scrie un program monolit foartemare care sa implementeze toate functiile sistemului

abordare corecta: se va sparge problema intr-un numar de “actiuni” = taskuri, care vor fiplanificate apoi astfel incat sa se incheie la momentul specificat (deadline)

este importanta functionalitatea globala a sistemului, nu cea a taskurilor care compunsistemul (aplicatia)

multe aplicatii in timp-real ruleaza pe procesoare simple, are sens sa sefoloseasca cel mai rapid procesor pentru a comanda functionarea uneimasini de spalat ?


8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

33/41

Deadline-uri pentru sisteme in timp-real:

clasificarea sistemelor in timp-real se face in functie de deadline-uri

dimensiunea deadline-ului depinde de mediul in care actioneaza sistemului sau de aplicatie, deexemplu:

predictii meteo: se masoara in ore

sisteme interactive: se masoara in secunde

sisteme embedded: mili- sau microsecunde


8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

34/41

Deadline-uri:

deadline-urile pot fi:

hard: trebuie indeplinite intotdeauna (e.g. aviatie, centrale nucleare, instalatii chimice,automobile)

ferme: raspunsul este inutil dupa trecerea deadline-ului (e.g.tranzactii intr-o baza de date)

soft: valoarea raspunsului descreste progresiv dupa trecerea deadline-ului, sau esteposibil ca deadline-ul sa nu fie indeplinit uneori (e.g. controlul temperaturii, aplicatiimultimedia)


8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

35/41

Clasificare - sisteme in timp-real:

In mod corespunzator, distingem:

Hard real - time systems: sunt sisteme care (pe linga alte caracteristici specifice) au asociatedeadline-uri hard cu cerinte stricte de a fi indeplinite

Soft real- time systems: sisteme fara deadline-uri hard

Daca se considera ca cerinta de performanta si consecintele defectarii sistemului , putem rafina siputem defini o clasa si mai speciala de sisteme hard real-time:

Safety critical real-time systems: sunt acele sisteme a caror defectare poate avea efectedezastruoase (pierderi de vieti omenesti, pagube economice si de mediu)


8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

36/41

Definitii:

Observatie:

Exista tendinta de a egaliza denumirile

"sistem in timp - real" = "sistem embedded"

... dar ...

Sistem

embedded

in timp real

caracteristici

comune specifice


8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

37/41

Caracteristici - sisteme incorporate in timp-real:

1) de cele mai multe ori sunt sisteme foarte complexe, mari (e.g. aplicatii in aviatie)

2) sa aiba fiabilitate foarte mare (engl. reliability )

3) sa fie extrem de sigure in functionare (e.g. echipamente medicale)

4) functionarea lor sa poata fi verificata riguros – codul sa implementeze design-ul

5) functionarea sa poata fi validata - software-ul sa indeplineasa specificatia si cerintele clientului

6) sa poata fi modificate conform mediului in care vor functiona

in functie de evolutia cerintelor si a mentenantei

in functie de modul de operare

7) sa asigure indeplinirea deadline-urilor (e.g . control vehicule)

8) sa poata comanda concurent mai multe dispozitive (e.g. conducerea proceselor)

9) de multe ori functioneaza cu restrictii (mari) de resurse (e.g. memorie, putere calcul CPU)


8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

38/41


ultimele 3 caracteristici ...

sa asigure indeplinirea deadline-urilor (e.g . control vehicule)

sa poata comanda concurent mai multe dispozitive (e.g. conducerea proceselor

de multe ori functioneaza cu restrictii (mari) de resurse (e.g. memorie, putere calcul CPU)

... sunt cu precadere specifice sistemelor in timp-real ...

... celelalte sunt, in principiu, comune oricarei aplicatii software, dar trebuie tratate cu mareatentie in sistemele in timp-real


8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

39/41


din aceste cerinte generale se desprind urmatoarele caracteristici in functionare ale sistemelorin timp-real si, in particular, ale sistemelor incorporate in timp-real:

functionare corecta

proiectare corecta din punct de vedere ingineresc

sa functioneze pe perioade lungi de timp fara interventie umana

rezultate deterministe si predictibile

indeplinirea deadline-urilor

toleranta la defecte

sa poata fi verificate si validate la costuri acceptabile

re-engineering ?


8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

40/41

Cum implementam - sisteme incorporate in timp-real:

calculator PC + software specializat + interfete + "proces" extern

dezvoltam aplicatia software direct pe PC si folosim

un sistem de operare in timp-real (e.g. QNX), si un limbaj de programare cu facilitati detimp-real (e.g. C sub QNX)

embedded board + (eventual) sistem de operare cu facilitati minime de timp-real + "proces"extern

aplicatia se dezvolta pe sistemul de dezvoltare (calculator cu IDE dedicat) si se descarcape sistemul tinta (target)

de exemplu, aplicatiile QNX

exemple – pe parcursul cursului


8/19/2019 Curs 1 PATR 15-16

41/41

Definitii - timp-real:

Timp-Real ≠ Rapid

Timp-Real inseamna Just-in-Time (predictibil)

este importanta functionalitatea globala a sistemului, nu cea a taskurilor care compun sistemul(aplicatia)


Curs 1 PATR 15-16

Documents

Transcript of Curs 1 PATR 15-16