3/4/2014. Applicazioni emergenti. Computer everywhere. Smart objects. Applicazioni. Sistema Embedded. RETIS Lab. Giorgio Buttazzo. Multimedia systems

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1 RETIS Lab Real-Time Systems Laboratory Applicazioni emergenti Multimedia systems Consumer electronics Giorgio Buttazzo Healthcare Body sensor nets Sport Computer everywhere Oggi, il 98% dei processori esistenti sulla Terra è di tipo embedded: Smart objects Il numero dei sistemi embedded è in forte aumento: Chiavi elettroniche Contapassi Localizzatori GPS penne che registrano Cardiofrequenzimetri Watch computer Applicazioni Sistema Embedded Avionics Automotive È un oggetto contenente al suo interno un computer specializzato per larne le funzionalità, gestire le risorse, e semplificare le interazioni con l utente: Robotics Industrial automation Telecommunications Oggetto microlore attuatori sensori comunicazione utente altre unità 1

2 Sistemi Embedded Smaterializzazione Industria meccanica CARATTERISTICHE REQUISITI Steer by wire Scarse risorse (spazio, peso, tempo, memoria, energia) Concorrenza e condivisione (interferenza tra attività) Interazione (con l ambiente e con l uomo) Alta efficienza nella gestione delle risorse Limitare l interferenza reciproca tra attività Prevedibilità di risposta temporale Control Unit Motor Sensor Sensor Motor Elevata variabilità (del carico computazionale) Robustezza ed adattività (gestione sovraccarichi) Dall Hardware al Software Oggi si assiste ad un processo di smaterializzazione in cui molte funzioni vengono realizzate via software. Perché? 1. Il software è più flessibile dell hardware 2. Può essere modificato e adattato velocemente 3. E possibile aggiungere nuove funzionalità 4. Può evolvere verso sistemi intelligenti e autonomi 5. Nonhapeso 6. Può viaggiare alla velocità della luce! Software nelle automobili Quasi tutto è lato via software, dai freni al volume della radio. Motore: iniezione, ottimizzazione consumo, ecc. Display: visualizzazione messaggi e stato veicolo Diagnostica: Sicurezza: Assistance: Comfort: gestione e previsione di guasti ABS, ESC, EAL, CBC, TCS, servosterzo, navigazione, parcheggio, sensori di sonno, radar anti-nebbia, visione notturna, sensori anti-collisione ventilazione, climatizzazione, musica, regolazione sterzo/luci/sedili/specchi/vetri Trasferimento Industria delle informazioni Complessità crescente scannerizzazione stampa 100 Processori in un auto Se nel processo non si perde informazione, la copia è uguale all originale codifica trasmissione decodifica year 2

3 Complessità crescente Linee di codice in un auto Complessità e bug Con il crescere della complessità crescono anche gli errori software: bugs 1 K 10K 100 K 1 M 10 M Linee di codice 200 Evoluzione dei cellulari # funzioni in un cellulare Affidabilità del software L affidabilità non dipende solo dalla correttezza delle operazioni, ma anche da quando esse sono eseguite: lore Δ comando t azione t + Δ anno Un azione corretta che arriva in ritardo può essere inutile o addirittura dannosa. Sistemi a confronto Sistemi Real-Time 100 M 10 M 1 M Linee di codice 200 K 2 M 10 M 30 M 100 M I sistemi di calcolo che devono garantire risposte temporali limitate e prevedibili prendono il nome di sistemi real-time. La prevedibilità di risposta dev essere garantita 100 K per ciascuna attività critica per ogni possibile combinazione di eventi 3

4 Obiettivi del corso Studiare metodologie e algoritmi per la gestione affidabile ed efficiente di sistemi di lo complessi. Non ci si occuperà di "come" lare un sistema, ma di come fornire un supporto software adeguato alle applicazioni di lo. Obiettivi specifici Studiare metodologie algoritmi per aumentare l'affidabilità e la prevedibilità dei sistemi di lo. Considereremo sistemi di lo composti da numerose attività di calcolo concorrenti caratterizzate da vincoli temporali. Vedremo come modellare e analizzare un'applicazione di lo al fine di prevedere i tempi di risposta delle varie attività di calcolo. Controllo e implementazione Spesso, lo e implementazione vengono realizzati da persone diverse in modo indipendente: I listi spesso assumono che il computer abbia potenza di calcolo e risorse infinite. Nel migliore dei casi assumono che introduca un ritardo fisso Δ. Contenuti del corso 1. Concetti di base e contesti applicativi 2. Identificazione di alcune problematiche 3. Definizione di scenari "worst-case" 4. Derivazione di vincoli sulle attività di calcolo 5. Modellazione di un processo di calcolo 6. Gestione di attività periodiche 7. Algoritmi di scheduling 8. Analisi di schedulabilità 9. Analisi dei tempi di risposta Controllo e implementazione In realtà un computer: ha risorse limitate; potenza di calcolo finita (tempi di esecuzione non nulli); esegue molte attività simultaneamente; introduce ritardi variabili e spesso imprevedibili. Modellando di questi fattori e tenendone conto in fase di progetto, è possibile migliorare di molto le prestazioni. Contenuti del corso 10. Problemi introdotti dall'uso di risorse condivise 11. Protocolli di accesso a risorse condivise 12. Gestione di attività asincrone (aperiodiche) 13. Gestione dei sovraccarichi 14. Meccanismi di comunicazione real-time 15. Esempi di programmazione real-time su Linux 4

5 Contenuti del corso Schema a blocchi Programmazione di task real-time Struttura di un task Processi e thread Creazione e attivazione Scheduler Linux Controllore Sistema Gestione del tempo Gestione di thread periodici Accesso a risorse condivise Esempi Materiale didattico Schema a blocchi ISTRE.html Sistemi in Tempo Reale Giorgio Buttazzo Pitagora Editrice, 2006 Controllore Sistema feedback stato interno attuatori sensori Elaborazione sensoriale Preprocesso dati stato esterno Esame: progetto + prova scritta 26 Definizioni generali Visione software In ogni applicazione di lo si possono distinguere 3 componenti: il sistema da lare può includere sensori e attuatori il lore invia gli ingressi al sistema in funzione di un obiettivo di lo prefissato l ambiente in cui il sistema opera task buffer OUTPUT INPUT 5

6 Tipi di sistemi di lo A seconda delle interazioni tra ambiente e sistema lato, possiamo distinguere tre tipi di sistemi: Sistemi ad elevata retroazione Acquisizione sensoriale e lo sono fortemente accoppiati: Sistemi di monitoraggio Controller System actuators Sistemi di lo a bassa retroazione Sistemi di lo ad elevata retroazione Planning Data processing sensors Esempi: sistemi di difesa militari, sistemi di regolazione di volo, robot evoluti, esseri viventi Sistemi di monitoraggio Controllo gerarchico Non hanno apparati di attuazione Non modificano l ambiente high-level recognition F3 high-level command Esempi: Sistema di acquisizione Display Data processing sensor sensor. sensor monitoraggio ambientale, sistemi di sorveglianza, lo del traffico Sensing low-level acquisition S3 S2 S1 F2 F1 Environment A3 A2 A1 Control low-level actuation Sistemi a bassa retroazione Modificano l ambiente, ma le azioni non dipendono dallo stato corrente, in quanto preprogrammate: Controller System actuators Implicazioni L'interazione stretta con l'ambiente impone al sistema di lo tempi di reazione limitati. I tempi di reazione dipendono dalla dinamica del sistema da lare. Planning Data processing sensors Il sistema operativo deve essere in grado di gestire attività di calcolo con vincoli temporali. Esempi: robot per la verniciatura, assemblaggio, e movimentazione di pezzi 6

7 Un esempio di lo Consideriamo un robot mobile dotato di: due ruote izzate; due sensori di prossimità; una telecamera mobile; un tranceiver wireless. Goal Seguire un percorso sulla base di informazione visive; Evitare ostacoli; Inviare lo stato del veicolo ogni 20 ms. Modularità La modularità si ottiene attraverso: il partizionamento del sistema in sottosistemi, ciascuno gestito da uno o più processi di calcolo (task); la definizione di precise interfacce tra i task, ciascuna dll dellequalili dfii definisce: i dati scambiati con gli altri task (dati di ingresso e uscita) la funzionalità del task (cosa deve fare il task) le ipotesi di validità (es., range dei valori ammissibili) i requisiti di prestazione (priorità, periodo, deadline, jitter) La realizzazione di meccanismi di interazione "asincroni" Controllo gerarchico Visione software task periodici buffer visual based navigation object recognition visual tracking 100 ms 10 ms obstacle avoidance vehicle object recognition visual based navigation visual tracking obstacle avoidance vehicle feature extraction 20 ms 1 ms 5 ms 1 ms feature extraction camera pan tilt US1 US2 mot_dx mot_sx camera pan tilt US1 US2 mot_dx mot_sx Esigenze di sviluppo Modularità: un sottosistema deve poter essere sviluppato senza conoscere i dettagli degli altri sottosistemi (suddivisione su team diversi). Riconfigurabilità: il software dev'essere il più possibile parametrico, in modo da poter essere adattato a situazioni diverse senza richiedere modifiche del codice. Porting: minimizzare le modifiche del software quando il sistema viene eseguito su piattaforme differenti. Prevedibilità: consentire la stima dei ritardi massimi. Efficienza: ottimizzare l'uso delle risorse disponibili (tempo di calcolo, memoria, energia). Definizione Generale Sistema RT t x (t) y (t+δ) Un sistema real time è un sistema di calcolo in cui la correttezza di funzionamento dipende non solo dai dati inviati in uscita, ma anche dal tempo in cui sono prodotti. REALE significa che il tempo del sistema deve essere sincronizzato con il tempo dell ambiente. t 7

8 Tipica obiezione Non vale la pena studiare i sistemi RT, poiché nel futuro i computer saranno così veloci da gestire qualsiasi vincolo temporale. Risposta Per quanto veloce sia un computer, occorre sempre dimostrare che i vincoli temporali di ogni attività siano rispettati. Il test del sistema non è sufficiente. Real-Time Veloce La velocità è un concetto relativo: un sistema considerato veloce in certe condizioni potrebbe non esserlo in altre. Sorgenti di non determinismo Architettura cache, pipelining, interrupts, DMA Sistema Operativo scheduling, sincronizzazione, comunicazione Linguaggio Mancanza di un supporto esplicito per la specifica di vincoli temporali Design methodologies Mancanza di metodologie di analisi e verifica Importance of system dynamics Soluzioni empiriche Sensory processing Control Commun. Design Analysis Programming software Programmazione a basso livello (assembler) Temporizzazione imposta mediante timer (hardware e software) Elaborazione mediante driver Graphics system dynamics Embedded Computer Manipolazione delle priorità dei processi Controlled System Velocità Prevedibilità L obiettivo di un sistema RT è quello di garantire il comportamento temporale individuale di ciascun task. L obiettivo di un sistema veloce è quello di minimizzare il tempo di risposta medio di un insieme di task. Ma Diffidate della media quando dovete garantire vincoli individuali sulla performance Svantaggi 1. Programmazione laboriosa e fortemente dipendente dall abilità del programmatore 2. Scarsa comprensibilità del codice Comprensibilità 1 efficienza 8

9 Svantaggi 3. Complicata manutenzione dei programmi Appl. consistono di milioni di linee di codice Comprendere un codice esistente è più difficile che scriverlo da zero La riscrittura del codice è MOLTO onerosa e soggetta ad errori. 4. Difficile verifica dei vincoli temporali senza un supporto di linguaggio e RTOS. Lezioni apprese I test, sebbene necessari, forniscono solo una verifica parziale. Maggiore prevedibilità sul funzionamento si può ottenere adottando: opportune metodologie di progetto strumenti per l analisi del codice specifici meccanismi di nucleo assunzioni pessimistiche sul sistema Implicazioni Tale modo di programmare le applicazioni di lo è molto rischioso. Il sistema può funzionare nella maggior parte dei casi, ma il rischio di fallimento è alto. Quando il sistema fallisce è molto difficile capire perché. Scarsa affidabilità Altri incidenti dovuti al SW LEM lunar landing (task overrun) Primo volo Space Shuttle (synch) Ariane 5 (overflow) Airbus 320 (cart task) Airbus 320 (holding task) Pathfinder (reset for timeout) 9