Iterptiniu programines irangos sistemu, kuriu elgsena priklauso nuo laiko apribojimu, projektavimas

1

Realaus laiko sistemu programines irangos
projektavimas

• Iterptiniu programines irangos sistemu, kuriu
  elgsena priklauso nuo laiko apribojimu,
  projektavimas

2
Tikslai

• Paaiškinti realaus laiko sistemos savoka ir kodel
  šios sistemos paprastai yra realizuojamos kaip
  lygiagretus procesai
• Aprašyti realaus laiko sistemu projektavimo
  procesa
• Paaiškinti realaus laiko vykdikliu vaidmeni
• Supažindinti su bendromis stebejimo ir valdymo
  architekturomis bei duomenu surinkimo sistemomis

3
Ižanga

• Realaus laiko sistemu programines irangos
  projektavimas Ižanga (Tikslai, temos,
  apibudinimas, apibrežimai, poveikio/reakcijos
  sistemos, architekturiniai sprendimai, sistemos
  elementai)

4
Nagrinejamos temos

• Sistemu projektavimas
• Realaus laiko vykdikliai
• Stebejimo ir valdymo sistemos
• Duomenu surinkimo sistemos

5
Realaus laiko sistemos apibudinimas

• Sistemos, kurios stebi ir valdo savo aplinka
• Sistemos, kurios neišvengiamai susijusios su
  aparaturine iranga
• Jutikliai (sensors) surenka duomenis iš
  sistemos aplinkos
• Judikliai (actuators) pakeicia (tam tikru
  budu) sistemos aplinka
• Laikas tokioms sistemoms yra esminis kriterijus.
  Realaus laiko sistemos PRIVALO reaguoti
  (response) per tam tikra laika

6
Apibrežimai

• Realaus laiko sistemos teisingas funkcionavimas
  priklauso nuo gaunamu rezultatu ir laiko, per
  kuri šie rezultatai gaunami
• Realaus laiko lanksti sistema (soft real-time
  system) yra sistema, kurios veikimo efektyvumas
  laipsniškai mažeja, jei rezultatai nera gaunami
  pagal apibrežto laiko reikalavimus
• Realaus laiko kieta sistema (hard real-time
  system) yra sistema, kurios veikimas yra
  neteisingas, jei rezultatai nera gaunami per
  nustatyta specifikacijoje laika

7
Poveikio/reakcijos sistemos

• Gavus poveiki sistema turi reaguoti per tiksliai
  apibrežta laika
• Periodiniai poveikiai poveikiai, kurie ivyksta
  nustatytais laiko intervalais
• Pavyzdžiui, temperaturos jutiklis skaiciuoja 10
  kartu per sekunde
• Ne periodiniai poveikiai - poveikiai, kurie
  ivyksta nenumatytais laiko momentais
• Pavyzdžiui, sistemos energijos sutrikimas gali
  sukelti sistemos pertraukima

8
Architekturiniai sprendimai

• Del skirtingu poveikio/reakcijos laiko apribojimu
  sistemos architekturoje turi buti greitas
  poveikiu apdorojimo programu perjungimas
  (switching)
• Skirtingiems poveikiams yra skirtingi laiko
  apribojimai, todel paprastai nebepakanka paprasto
  nuoseklaus ciklo
• Realaus laiko sistemos paprastai yra
  realizuojamos kaip tarpusavyje saveikaujantys
  procesai, kuriuos valdo realaus laiko vykdiklis

9
Realaus laiko sistemos modelis
10
Sistemos elementai

• Jutikliu valdymo procesai
• Surenka informacija iš jutikliu. Esant tam
  tikriems jutikliu poveikiams, informacija gali
  buti buferizuojama
• Duomenu procesorius
• Vykdo surinktos informacijos apdorojima ir
  apskaiciuoja sistemos reakcijos rezultatus
• Judikliu valdymas
• Generuoja valdymo signalus judikliui

11
Jutiklio/judiklio procesas
12
Nagrinejamos temos

• Sistemu projektavimas (reikalavimu padalinimas,
  projektavimo procesas, laikiniai apribojimai,
  automato modeliavimas, programavimas, java)
• Realaus laiko vykdikliai
• Stebejimo ir valdymo sistemos
• Duomenu surinkimo sistemos

13
Sistemos projektavimas

• Suprojektuoti aparaturine ir programine irangas,
  susijusias su sistema. Priskirti aparaturinei ir
  programinei irangai funkcijas
• Projektuojama atsižvelgiant i nefunkcinius
  sistemos reikalavimus
• Aparaturine iranga veikia geriau, bet jos kurimas
  užtrunka ilgiau ir yra mažiau galimybiu ja
  pakeisti

14
Aparaturos ir programines irangos projektavimas
15
Realaus laiko sistemu projektavimo procesas

• Nustatyti apdorojamus poveikius ir kokios turi
  buti reakcijos i juos
• Kiekvienam poveikiui ir reakcijai nustatyti laiko
  apribojimus
• Apjungti poveikio ir reakcijos apdorojima i
  lygiagrecius procesus, susijusius su kiekviena
  poveikio ir reakcijos klase

16
Realaus laiko sistemu projektavimo procesas

• Suprojektuoti algoritmus kiekvienos poveikio ir
  reakcijos klases apdorojimui su nustatytais laiko
  apribojimais
• Suprojektuoti planavimo sistema, kuri užtikrintu,
  kad procesu vykdymo pradžios data butu parinkta
  taip, jog juos butu speta užbaigti iki nustatyto
  termino (deadline)
• Apjungti, naudojant realaus laiko vykdiklius ar
  operacine sistema

17
Laikiniai apribojimai

• Gali reikalauti plataus modeliavimo ir
  eksperimentavimo, kad užtikrinti, jog sistema
  atitinka laiko apribojimus
• Gali reikšti, kad tam tikros projektavimo
  strategijos, tokios kaip objektiškai orientuotas
  projektavimas, negali buti naudojamos del
  papildomu išlaidu
• Gali reikšti, kad vykdymas gali buti realizuotas
  žemo lygio programavimo kalba

18
Automato modeliavimas

• Realaus laiko sistemoje poveikis gali sukelti
  perejima iš vienos busenos i kita
• Baigtiniai automatai gali buti naudojami realaus
  laiko sistemu modeliavimui
• Taciau baigtiniu automatu modeliai stokoja
  strukturiniu elementu. Netgi paprastos sistemos
  gali tureti sudetinga modeli
• Automato modeliai nusakomi naudojant UML

19
Bangines krosneles buvio automatas
Pilnaspajegumas
Taktugeneratorius
Numeris
Pilnaspajegumas
Pusepajegumo
Pusepajegumo
Durysuždarytos
Taktugeneratorius
Atšaukti
Pradeti
Durysatidarytos
Sistemosklaida
Durysuždarytos
20
Realaus laiko programavimas

• Realaus laiko aparaturines irangos sistemos gali
  buti suprogramuotos Asemblerio kalba, kad butu
  užtikrinti laiko apribojimai
• Kalbos, tokios kaip C, leidžia sukurti efektyvias
  programas, taciau neturi konstrukciju
  (constructs), skirtu palaikyti lygiagretumui arba
  bendru resursu valdymui
• Ada, kaip kalba, yra suprojektuota realaus laiko
  sistemu palaikymui, todel apima bendros
  paskirties lygiagretumo mechanizma

21
Java kaip realaus laiko kalba

• Java palaiko lengvasvori lygiagretuma (gijas
  (threads) bei sinchronizuotus metodus) ir gali
  buti naudojama kai kuriu realaus laiko
  programines irangos sistemu (soft real-time
  systems) projektavimui
• Java 2.0 netinka realaus laiko aparaturines
  irangos sistemu (hard real-time systems)
  programavimui ir programavimui, kur reikia
  tikslios sinchronizacijos (timing) valdymo
  kontroles
• Neimanoma tiksliai nusakyti giju vykdymo laiko
• Nevaldomas šiukšliu rinkimas
• Neimanoma nustatyti bendru resursu panaudojimo
  eiles dydžio
• Kintamas virtualios mašinos idiegimas
• Neimanoma vykdyti erdves ar laiko analizes

22
Nagrinejamos temos

• Sistemu projektavimas
• Realaus laiko vykdikliai (paskirtis,
  komponentai, non-stop sistemos, prioritetai,
  pertraukimu apdorojimas, procesu valdymas,
  perjungimas)
• Stebejimo ir valdymo sistemos
• Duomenu surinkimo sistemos

23
Realaus laiko vykdikliai

• Realaus laiko vykdikliai yra specializuotos
  operacines sistemos, kurios valdo realaus laiko
  sistemu procesus
• Atsakingi už procesu valdyma ir resursu
  (procesoriaus ir atminties) paskirstyma
• Gali buti sudaryti pagal standartini realaus
  laiko vykdikliu branduoli, kuris naudojamas
  nepakeistas arba modifikuotas pagal konkrecia
  taikomaja programa
• Nepalaiko failu valdymo

14
24
Vykdikliu komponentai

• Realaus laiko laikrodis (clock)
• Teikia informacija proceso planavimui
• Pertraukciu apdorojimo programa (interrupt
  handler)
• Valdo neperiodines užklausas
• Planuotojas (scheduler)
• Parenka sekanti vykdymo procesa
• Ištekliu paskirstymo programa (resource manager)
• Paskirsto atminties ir procesoriaus resursus
• Dispeceris arba valdymo programa
• Pradeda proceso vykdyma

25
Be sustojimo veikianciu (Non-stop) sistemu
komponentai

• Programa konfiguratorius (configuration manager)
• Atsakingas už dinamiška sistemos programines ir
  aparaturines irangu konfiguracijos pakeitima.
  Aparaturines irangos moduliai gali buti pakeisti,
  o programine iranga atnaujinta nestabdant
  sistemos darbo
• Klaidu valdymo programa (fault manager)
• Atsakingas už klaidu aptikima programineje ir
  aparaturineje irangose bei tinkama veiksmu
  vykdyma (pvz., persijungima i atsarginius
  diskus), kad butu užtikrinta, jog sistema darba
  tes

26



Realaus laiko vykdikliu komponentai
27
Proceso prioritetai

• Kartais kai kuriu veiksmu apdorojimas turi tureti
  prioriteta
• Pertraukimo lygio prioritetai. Aukšciausias
  prioritetas, kuris suteikiamas procesams,
  reikalaujantiems labai greitos reakcijos
• Laikrodžio lygio prioritetai. Suteikiami
  periodiniams procesams
• Gali buti ir kitu lygiu prioritetu

28
Pertraukimu apdorojimas

• Valdymas automatiškai yra perduodamas i iš anksto
  apibrežta atminties vieta
• Šioje vietoje esanciu komandu pagalba valdymas
  yra nukreipiamas i pertraukimo apdorojimo vieta
• Tuo metu kiti pertraukimai yra negalimi, kai
  pertraukimas apdorojamas ir valdymas gražinamas i
  pertraukta procesa
• Pertraukimo apdorojimo veiksmai PRIVALO buti
  trumpi, paprasti ir greiti

29
Periodiniu procesu apdorojimas

• Daugumoje realaus laiko sistemu yra keletas
  periodiniu procesu klasiu, turinciu skirtingus
  periodus (laikus tarp vykdymu), vykdymo laikus ir
  terminus (laikas, iki kurio apdorojimas privalo
  buti baigtas)
• Realaus laiko laikrodis tiksi periodiškai, ir
  kiekvienas taktas sukelia pertraukima, kuris
  periodinius procesus valdanciai programai leidžia
  palaikyti procesu tvarkarašti
• Proceso valdytojas parenka pasiruošusi vykdymui
  procesa

30
Proceso valdymas

• Susijes su lygiagreciu procesu aibes valdymu
• Periodiniai procesai yra vykdomi iš anksto
  apibrežtais laiko intervalais
• Vykdytojas naudoja realaus laiko laikrodi, kad
  žinotu, kada vykdyti procesa
• Proceso periodas laikas tarp proceso vykdymu
• Periodo terminas laikas, iki kurio turi buti
  baigtas apdorojimas

31
Vykdikliu valdymas

Resursu valdytojas

Resursu valdytojas







32
Procesu perjungimas

• Planuotojas parenka sekanti procesoriaus procesa.
  Tai priklauso nuo planavimo strategijos kaip
  esminis kriterijus gali buti paimtas proceso
  prioritetas
• Resursu valdytojas vykdomam procesui paskirsto
  atminti ir procesoriu
• Dispeceris paima iš pasiruošusiu vykdymui procesu
  sarašo viena procesa, užkrauna ji i procesoriu ir
  pradeda ji vykdyti

33
Nagrinejamos temos

• Sistemu projektavimas
• Realaus laiko vykdikliai
• Stebejimo ir valdymo sistemos (apibudinimas,
  apsaugos ir šildymo sistemu pavyzdžiai)
• Duomenu surinkimo sistemos

34
Stebejimo ir valdymo sistemos

• Tai svarbi realaus laiko sistemu klase
• Nuolat tikrina jutiklius ir priklausomai nuo
  jutiklio reikšmiu vykdo veiksmus
• Stebejimo sistemos tikrina jutiklius ir praneša
  savo rezultatus
• Valdymo sistemos priima jutikliu reikšmes ir
  valdo aparaturines irangos judiklius (actuators)

35
Apsaugos sistema

• Sistema privalo stebeti duru ir langu jutiklius,
  kad pastate aptiktu isilauželius
• Kai jutiklis aptinka isilaužima, sistema ijungia
  šviesas aplinkineje teritorijoje ir automatiškai
  iškviecia policija
• Sistema turi užtikrinti procesu vykdyma be
  pagrindinio energijos šaltinio

36
6
0
H
z
4
0
0
H
z
1
0
0
H
z
Judesio detektoriaus procesas

Langu jutiklioprocesas
Duru jutiklioprocesas
Jutikliobusena


Jutikliobusena
Detektoriaus busena
5
6
0
H
z
Aliarmine sistema

Bendravimoprocesas
Pastato stebejimoprocesas

Energijos šaltiniogedimo pertvarkymas
Kambario numeris


Pastato stebejimas
Energijos perjungimoprocesas
Aliarmo sistemosprocesas
Aliarmo pranešimas

Kambario numeris
Aliarmo sistema
Aliarmo sistema
Aliarmo sistema

Kambario numeris

Garso sinte- zatoriaus procesas
Apšvietimo valdymoprocesas
Girdimas aliarmoprocesas
Proceso architektura
37
Valdymo sistemos

• Visu pirma apsaugos sistema yra stebejimo
  sistema. Ji surenka duomenis iš jutikliu, taciau
  neatlieka realaus laiko sistemu judikliu valdymo
• Valdymo sistemos yra panašios, bet reaguodama i
  jutikliu reikšmes, sistema siuncia valdymo
  signalus i judiklius
• Stebejimo ir valdymo sistemos pavyzdys yra
  sistema, kuri stebi temperatura ir ijungia ar
  išjungia šildiklius (heaters)

38
Temperaturos valdymo sistema
5
0
0
H
z
0
0
H
z
Perjungimo komanda

5
0
0
H
z

39
Nagrinejamos temos

• Sistemu projektavimas
• Realaus laiko vykdikliai
• Stebejimo ir valdymo sistemos
• Duomenu surinkimo sistemos (apibudinimas,
  pavyzdžiai, reaktoriaus srautas, žiedinis
  buferis, abipusis išskyrimas)

40
Duomenu surinkimo sistemos

• Surenka duomenis iš jutikliu tolimesniam
  apdorojimui ir analizei
• Duomenu surinkimo ir apdorojimo procesai gali
  tureti skirtingus periodus ir terminus
  (deadlines)
• Duomenu surinkimas gali buti greitesnis negu ju
  apdorojimas, pvz., informacijos surinkimas apie
  sprogima
• Ciklinis arba žiedinis buferis yra mechanizmas,
  suvienodinantis greicio skirtumus

41
Reaktoriaus duomenu surinkimas

• Sistema surenka duomenis iš jutikliu, stebinciu
  neutronu tekejima iš branduolinio reaktoriaus,
  aibes
• Tekejimo duomenys yra patalpinami i žiedini
  buferi tolesniam apdorojimui
• Žiedinis buferis yra realizuotas kaip lygiagretus
  procesas taip, kad surinkimo ir apdorojimo
  procesai galetu buti sinchronizuojami

42
Reaktoriaus srauto stebejimas
Jutikliai (kiekvienas duomenu srautas yra
jutiklio reikšme )
Jutiklio identifikatorius ir reikšme
Apdoroto srauto lygis
Jutiklio procesas
Apdorojimo duomenys
Jutiklio duomenu buferis
Išvesti (display)
43
Žiedinis buferis
Registravimo procesas
Apdorojimo procesas
44
Abipusiškas išskyrimas

• Registravimo procesai surenka duomenis ir ideda
  juos i buferi. Apdorojimo procesai paima duomenis
  iš buferio ir padaro elementus prieinamais
• Registravimo ir apdorojimo procesai turi buti
  abipusiai išskirti, t.y. netureti priejimo prie
  to paties elemento
• Buferis turi neleisti registravimo procesams
  ideti informacijos i pilna buferi, o apdorojimo
  procesams bandyti paimti informacija iš tušcio
  buferio

45
Esminiai aspektai

• Realaus laiko sistemos korektiškumas priklauso ne
  tik nuo to, ka sistema daro, bet ir nuo to, kaip
  greitai ji reaguoja
• Bendras realaus laiko sistemos modelis apima
  procesu asocijavima su jutikliais ir judikliais
  (actuators)
• Realaus laiko sistemu architekturos paprastai yra
  projektuojamos kaip lygiagreciu procesu rinkinys

46
Esminiai aspektai

• Realaus laiko vykdikliai yra atsakingi už proceso
  ir resursu valdyma
• Stebejimo ir valdymo sistemos surenka informacija
  iš jutikliu ir siuncia valdymo signalus
  judikliams
• Duomenu surinkimo sistemos paprastai yra
  aprašomos pagal registravimo/apdorojimo modeli
• Java gali palaikyti lygiagretuma, bet netinkama
  kritiniu laiko atžvilgiu sistemu kurimui

47
Esminiai aspektai

• Realaus laiko sistemu programines irangos
  projektavimas Esminiai aspektai (korektiškumas,
  modelis, architektura, vykdikliai, stebejimo,
  duomenu surinkimo, Java)