12. Progettare Sistemi Real-Time

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1 12. Progettare Sistemi Real-Time T Progettare sistemi software il cui comportamento è condizionato da vincoli di tempo T Mostreremo perché i sistemi real-time sono progettati come insieme di i concorrenti che cooperano T Mostreremo l utilità dei modelli di stato nella progettazione di sistemi real-time T Descriveremo la piattaforma di supporto richiesta da questi sistemi T Introdurremo architetture generiche per alcuni tipi di sistemi real-time 1 Sistemi Real-time T Sistemi che effettuano il monitoraggio o il controllo del loro ambiente T Sono sempre associati a dispositivi hardware T i: Raccolgono dati dall ambiente del sistema T Attuatori: Modificano (in qualche modo) l ambiente del sistema T Il fattore tempo è critico: I sistemi real-time devono rispondere entro un tempo specificato 2

2 Hard/Soft Real-Time Systems T Un sistema real-time è un sistema il cui corretto funzionamento dipende dai risultati prodotti dal sistema e dal tempo necessario per produrre tali risultati. T Un sistema real-time soft è un sistema le cui operazioni subiscono un degrado se i risultati non sono prodotti nei tempi specificato T Un sistema real-time hard è un sistema in cui le operazioni sono errate se i risultati non sono prodotti nei tempi specificati 3 Sistemi a Stimolo/Risposta T Dato uno stimolo, il sistema deve produrre una risposta entro un tempo specificato T Stimoli periodici: stimoli che si verificano a intervalli di tempo predicibili T Ad esempio un sensore che rileva la temperatura dell ambiente può essere consultato 10 volte al secondo T Stimoli aperiodici: stimoli che si verificano a tempi non predicibili T Per esempio, un black-out elettrico può causare un interruzione che deve essere elaborata da un sistema di shut-down automatico. 4

3 Architettura di un sistema Real-Time T L architettura del sistema deve permettere switch veloci tra i gestori degli stimoli T I vincoli di tempo legati ai diversi stimoli possono essere diversi; un semplice loop sequenziale può non essere adeguato T I sistemi real-time sono di solito progettati come i cooperativi con una centralina che controlla questi i 5 Architettura di un sistema real-time Real-time con trol system Actuator Actuator Actuator Actuator 6

4 Elementi del sistema Processi di controllo dei sensori T Raccolgono informazioni dai sensori. Possono bufferizzare l informazione raccolta in risposta allo stimolo del sensore Processi che elaborano dati T Sono responsabili dell elaborazione di dati raccolti e producono la risposta del sistema Processi di controllo degli attuatori T Generano segnali di controllo per gli attuatori 7 Processi sensore/attuatore Actuator Stimulus Response control Data or Actuator control 8

5 Progettazione del sistema T Le decisioni di progettazione sono molto legate a requisiti non funzionali del sistema 1. Partiziona le funzionalità dell hardware e del software 2. Identifica gli stimoli che devono essere elaborati, le risposte corrispondenti, e i vincoli di tempo associati ad ogni stimolo 3. Aggrega i i stimolo/risposta in i concorrenti. Ad ogni classe di stimolo e risposta può essere associato un o 9 Progettazione del sistema 4. Progetta gli algoritmi corrispondenti ad ogni classe stimolo/risposta, garantendo che rispondano ai requisiti di tempo 5. Progetta un sistema di scheduling che assicuri che i i vengano attivati al momento opportuno 6. Integra il sistema con un real-time executive (RTE) o con il sistema operativo 7. Esegui simulazioni e sperimentazioni per assicurare che i vincoli di tempo siano soddisfatti dal sistema T I vincoli di tempo possono imporre l uso di costrutti a basso livello o l abbandono di progettazione OO per ragioni di efficienza 10

6 Modello macchina a stati finiti T L effetto di uno stimolo può essere modellato come passaggio da uno stato ad un altro, usando una modellizzazione con macchina a stati finiti T I modelli FMS sono difficilmente strutturabili. Sistemi anche semplici possono avere un modello complesso T Per gestire la complessità in un modello di macchina a stati finiti si possono usare diagrammi di thread che mostrano le sequenze legate ad ogni singolo evento 11 Macchina a stati finiti: microonde Full power on Idle Full power Half power Half power Full power Half power on Timer Timer Set time Door open Door closed Door closed Timer Operation enabled Start Timed operation Door open Timeout Cooking complete Idle Operation disabled 12

7 Stati del forno a microonde State Half power on Full power on Set time Operation disabled Operation enabled Description The oven power is set to 300 watts The oven power is set to 600 watts The cooking time is set to the user s input value Oven operation is disabled for safety. Interior oven light is on Oven operation is enabled. Interior oven light is off Timed operation Oven in operation. Interior oven light is on. Timer is counting down. Cooking complete Timer has counted down to zero. Audible alarm signal is on. Oven light is off. 13 Stimoli del forno a microonde Stimulus Half power Full power Timer Door open Door closed Start Timeout Description The user has pressed the half power button The user has pressed the full power button The user has pressed one of the timer buttons The oven door switch is not closed The oven door switch is closed The user has pressed the start button Timer signal indicating that set cooking time is finished 14

8 Diagramma di thread T Usati per strutturare e presentare l informazione del modello a stati finiti T Mostra l elaborazione end-to-end di un particolare insieme di stimoli T Per ogni combinazione di messaggi, bisogna produrre un diagramma dei threads. Questo rende impraticabile questo approccio in presenza di stimoli multipli 15 Thread piena potenza Idle Full power Full power on Timer Set time Door closed Operation enabled Start Timed operation Timeout Cooking complete Timer done Idle 16

9 Real-time executives T Un Real-time executive è un sistema operativo specializzato che gestisce i in sistemi real-time: allocazione di ori e di memoria T Non include facilities come la gestione di files T Componenti: T Real Time Clock: offre informazioni per lo scheduling T Gestore Interruzioni: gestisce richieste aperiodiche di servizi T Scheduler: seleziona il prossimo o da eseguire T Resource manager: alloca risorse (ori e memoria) T Dispatcher: determina l inizio dell esecuzione dei i 17 Real-time Executive Scheduling information Real-time clock Scheduler Interrupt handler Process resource requirements Processes awaiting resources Ready list Ready es Resource manager Despatcher Released resources Available resource list Processor list Executing 18

10 Componenti di un sistema non-stop Configuration manager T Responsabile della riconfigurazione dinamica del sistema software e hardware. I moduli hardware devono essere sostituiti e deve essere fatto l upgrade di quelli software senza che il sistema si blocchi. Fault manager T Responsabile dell individuaizone di guasti hardware o software, e delle azioni conseguenti (ad es. attivare il gruppo di continuità) per assicurare che il sistema continui ad operare. 19 Assegnare priorità ai i T La gestione di alcuni stimoli può avere priorità su altre 1. Livelli di priorità legati alle interruzioni. La priorità più alta viene data ai i che richiedono risposta veloce 2. Livelli di priorità legati al clock. Legati a i periodici 3. Altre combinazioni 20

11 Gestione delle interruzioni T Il controllo viene trasferito automaticamente a una locazione di memoria predeterminata T Questa locazione contiene un istruzione per saltare alla routine corrispondente all interrupt T Ulteriori interruzioni sono disabilitate; l interrupt viene gestito e il controllo restituito al o interrotto T Le routines di servizio delle interruzioni devono essere semplici e veloci. 21 Gestione dei i periodici T Nella maggior parte dei sistemi real-time, ci sono diverse classi di i periodici, ognuno con una diversa T periodicità (il tempo tra un esecuzione e l altra), T tempo di esecuzione T scadenza (il tempo entro cui il o deve essere completato) T Il clock scatta periodicamente ed ogni scatto causa un interrupt che schedula il manager per i periodici T Il manager seleziona un o che è pronto per essere eseguito 22

12 Gestione di i con RTE Scheduler Choose fo r execution Resource m anager Allocate memory and o r Despa tcher Start execution on an av ailab le or 23 Switch di i T Lo scheduler sceglie il prossimo o che deve essere eseguito. Questo dipende da una strategia di scheduling che deve tener conto del livello priorità dei singoli i T Il resource manager alloca memoria e un ore al o che deve essere eseguito T il dispatcher prende un o dalla lista di quelli pronti per essere eseguiti, lo carica in un ore e ne inizia l esecuzione 24

13 Sistemi di monitoraggio e di controllo T Sistemi che comprendono sensori che attuano periodicamente delle verifiche sul proprio ambiente e che attivano azioni in risposta ai valori dei sensori 1. I sistemi di monitoraggio esaminano i sensori e ne riportano i risultati 2. I sistemi di controllo prendono i valori dei sensori e controllano gli attuatori hardware 25 Sistema di allarme anti-intrusione T i T i d ambiente, alle finestre, alle porte T Azioni T Quando un intruso viene segnalato, la polizia viene allertata immediatamente T Si accendono le luci nelle stanze con sensori attivi T Viene attivata una sirena T Il sistema passa automaticamente al gruppo di continuità appena viene segnalato una caduta di tensione elettrica 26

14 Stimoli da elaborare Black-out elettrico T Segnale aperiodico generato monitorando il circuito. Quando viene ricevuto il sistema deve attivare entro 50 ms. il gruppo di continuità Allarme d intrusione T Stimolo generato dai sensori del sistema. La risposta è una chiamata alla polizia, l accensione delle luci e della sirena 27 Requisiti sui tempi di risposta Stimulus/Response Power fail interrupt Timing requirements The switch to backup power must be completed within a deadline of 50 ms. Door alarm Each door alarm should be polled twice per second. Window alarm Each window alarm should be polled twice per second. Movement detector Audible alarm Each movement detector should be polled twice per second. The audible alarm should be switched on within 1/2 second of an alarm being raised by a sensor. Lights switch The lights should be switched on within 1/2 second of an alarm being raised by a sensor. Communications The call to the police should be started within 2 seconds of an alarm being raised by a sensor. Voice synthesiser A synthesised message should be available within 4 seconds of an alarm being raised by a sensor 28

15 400Hz 60Hz 100Hz Movement detector Door sensor W indow sensor Detector status status status 560Hz Alar m system Building monitor Communication Power failure interrupt Building monitor Room number Power switch Alarm system Alert message Alarm system Room number Alarm system Alarm system Room number Audible alarm Lighting control Voice synthesizer 29 Sistemi di controllo T Il sistema di allarme è soprattutto un sistema di monitoraggio. Colleziona dati dai sensori, ma non ha un controllo real-time degli attuatori T I sistemi di controllo sono simili, ma in risposta ai valori dei sensori, i sistemi mandano segnali agli attuatori T Esempio di sistemi di monitoraggio e controllo è un sistema che controlla la temperatura e accende o spegne la caldaia ed i termosifoni in un sistema di riscaldamento 30

16 Sistema di controllo della temperatura 500Hz 500Hz values Thermostat 500Hz Switch command Room number Thermostat Heater control Furnace control Sistemi di acquisizione dati T Raccolgono dati da sensori per essere successivamente elaborati e analizzati T Il o di raccolta dati e di elaborazione possono avere periodicità e deadlines diverse T La raccolta dati può essere più veloce dell elaborazione (es. raccolta di informazioni su un esplosione) T Le differenze di velocità possono essere trattate usando buffers circolari (o ad anello) 32

17 Raccolta dati di un reattore T Il sistema raccoglie dati da sensori che monitorano il flusso di neutroni da un reattore nucleare T Il flusso dei dati viene posto su un buffer per essere elaborato successivamente T Il buffer ad anello è a sua volta implementato come un o concorrente, così che la raccolta dati e l elaborazione possano essere sincronizzati 33 Monitoraggio del flusso di un reattore s (each data flow is a sensor value) identifier an d value data buffer Process data Pro cessed flux level Display 34

18 Un buffer ad anello Producer Co nsumer 35 Mutua esclusione T Il produttore raccoglie dati e li aggiunge al buffer. Il consumatore elabora i dati dal buffer e rende disponibili i risultati T I i produttore e consumatore devono essere mutuamente esclusivi. T Il buffer deve inibire il o del produttore quando è pieno, e deve interrompere il o del consumatore quando tenta di prendere informazione dal buffer vuoto 36