Progetto per il corso di specifica e sviluppo di sistemi software Real-Time: Gestione semaforica di un incrocio

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DELL INSUBRIA Corso di Laurea Magistrale in Informatica Progetto per il corso di specifica e sviluppo di sistemi software Real-Time: Gestione semaforica di un incrocio Studente: Bonizzi Mauro: Anno Accademico 2012/2013

2 Indice generale Introduzione...3 Le Fasi...3 Scelte Progettuali del Programma...4 Lettura dei Sensori e Controllo Semaforico...4 Gestione temporale...4 Calcolo del periodo delle singoli Fasi...5 Scelte progettuali del programma: Task...6 Analisi del Task Analisi del Task2...7 Analisi del Task3 o BaseTask...10 Debug...11

3 Introduzione Il progetto consiste nella realizzazione di un programma per la gestione semaforica di un incrocio basata sull'utilizzo del microcontrollore STM32F10X. Il programma sviluppato permette di gestire le varie fasi semaforiche, gli input e la durata delle diverse fasi. Le Fasi Nel incrocio preso in considerazione sono presenti quattro Fasi semaforiche (Fase 1, Fase 2, Fase 3, Fase 4) Come scelta progettuale è stato stabilito che la Fasi 1,2,4 sono fasi ordinarie (in normale esecuzione) mentre la Fase 3 è stata definita come fase pedonale. In particolare questa fase andrà in esecuzione solo nel caso di una chiamata pedonale. Nella figura sopra esposta sono riportate le quattro Fasi e si può notare, inoltre, che la disposizione delle fasi ordinarie sono nell'ordine d'esecuzione. La Fase2 è caratterizzata per il passaggio sia veicolare che pedonale. Come scelta progettuale è stato deciso che tale fase sia in esecuzione ordinaria e che la prenotazione della chiamata pedonale EO sia disabilitata. Al termine di questa fase, la chiamata pedonale EO sarà riabilitata ma l'attivazione della Fase 3 mediante chiamata pedonale EO sarà posticipata dopo il periodo di 30 secondi come dato da specifica. La Fase 2 è sospendibile nel eventuale chiamata pedonale NS o di una chiamata d'emergenza e in questo caso la durata del giallo pedonale sarà pari a quella del giallo veicolare.

4 La Fase3 è sospendibile solo nel caso di una chiamata d'emergenza. Le rimanenti Fasi ordinarie sono sospendibili nel caso di chiamate pedonali oppure di chiamate d'emergenza. La durata del giallo veicolare non è riducibile. Tale scelta è stata presa per garantire il giusto tempo per liberare l'incrocio dai suoi utilizzatori. Scelte Progettuali del Programma Lettura dei Sensori e Controllo Semaforico La lettura degli input è svolta mediante la lettura della porta seriale UART 1. Il controllo dei semafori è effettuato mediante l'utilizzo delle porte seriale GPIOA, GPIOB, GPIOC. Queste ultime sono state impostate nel funzionamento push pull. Un'ulteriore scelta progettuale è stata quella relativa all'utilizzo della parte alta delle porte di GPIO (da 8 a 15). Inoltre, per facilitare la lettura è stato decisione di assegnare due semafori per ogni porta. Tale scelta ha permesso di rendere più semplice la lettura degli stati relativi ai vari semafori. In particolare, mediante tale scelta è stato possibile definire una netta divisione tra i semafori veicolari e quelli pedonali. GPIOC GPIOB GPIOA Pos Semaforo Ped. EO Ped, NS dx centr dx centr sx sx Colori semafori N N V G R V G R N N V G R V G R N N V G R V G R Fasi Tutto Rosso v v v v v v Fase1 Verde v v v v v v Fase1 Giallo v v v v v v Fase2 Verde v v v v v v Fase2 Giallo v v v v v v Fase2 Giallo Ped. v v v v v v Fase3 Verde v v v v v v Fase3 Giallo v v v v v v Fase4 Verde v v v v v v Fase4 Giallo v v v v v v Emergenza On v v v v v v Emergenza Off Indice R G V N Rosso Giallo Verde Non usato Nella tabella sopra riportata sono rappresentate le combinazioni semaforiche delle varie Fasi. Gestione temporale Per la gestione temporale si è utilizzato il concetto di software timer combinato con l'utilizzo degli

5 eventi che ha permesso di gestire la durata del periodo delle varie fasi e di amministrare in modo opportuno l'interruzione e il ripristino delle Fasi. In particolare il metodo eventclear è stato modificato per permettere la cancellazione dell'evento e il ripristino del periodo di partenza del software timer. Calcolo del periodo delle singoli Fasi Per il calcolo della durata della fasi, nello specifico il periodo del verde, è stato definito un algoritmo basato sul numero di auto gestite nell'ultima esecuzione della fase e le auto in attesa della specifica fase. La formula su cui si basa l'algoritmo è di tipo proporzionale ed è la seguente: NumeroAutoGestite : Tempo gestione Fase = Auto in attesa : Tempo Quindi la formula utilizzata è la seguente: Tempo= TempoGestioneFase AutoInAttesa AutoGestite L'algoritmo sviluppato monitora il numero di auto gestite nell'ultima esecuzione della fase presa in considerazione e il numero di auto in attesa della relativa fase. In particolare per il calcolo della auto in attesa si andrà a controllare i relativi contatori che la fase andrà a gestire. Ad esempio nella Fase1 si andrà a sommare i valori contenuti nei contatori relativi ai sensori d'ingresso Z e Y. Nel caso cui il numero di auto gestite nell'ultima fase sia uguale a zero, l'algoritmo per la gestione della durata delle fasi provvederà a controllare il numero di auto in attesa. Nel caso in cui il numero di auto in attesa sia pari a zero allora imporra come periodo la minima durata del verde della fase presa in considerazione. Tale decisione è motivata dal fatto che l'incrocio è da considerarsi libero. Qualora siano presenti delle auto in attesa e queste superino una certa soglia,detta di traffico, la durata del verde della fase presa in considerazione sarà raddoppiato. E' stata presa la decisione di non assegnare immediatamente il massimo periodo di durata del verde per non avere aumenti troppo bruschi del periodo del verde di una specifica fase. Nell'ipotesi cui il numero di auto gestite sia diverso da zero, la funzione provvederà a controllare il numero di auto in attesa per le diverse fasi. Nell'eventualità cui le auto in attesa per una certa fase siano minori di una determinata soglia, la funzione si occuperà di assegnare alla fase presa in considerazione la durata minima del periodo della fase verde presa in analisi. Questa scelta è dovuta dal fatto che sotto ad una certa soglia di auto in attesa queste possono essere gestite nel periodo minimo del verde della fase presa in considerazione. In caso contrario la funzione procederà al calcolo del periodo mediante la formula esposta precedentemente. Il risultato ottenuto dovrà rispettare i limiti di minima e massima durata del periodo del verde della fase presa in considerazione. Nel caso in cui il periodo calcolato non rientrasse nei limiti, sarà assegnato alla specifica fase la minima o la massima durata. Una volta calcolato il periodo di una specifica fase questo sarà memorizzato all'interno di un array. Le modifiche della durata del verde di una specifica fase sarà aggiornata all'inizio dell'esecuzione della stessa. Questa scelta è stata dettata dal fatto che i valori potranno essere aggiornati più volte prima di diventare effettivo.

6 Il ricalcolo del periodo del verde associato alla fase è eseguito solamente per le fasi non interrotte nel momento del ricalcolo. Il digramma di flusso sottostante mostra il meccanismo del calcolo del periodo delle fasi. Le fasi presenti nell'aria denominata BlackBox svolgeranno le stesse funzioni della Fase1 (con numeri appartenenti alla fase presa in considerazione). E' stato deciso di definire queste aree per semplificare la lettura del diagramma di flusso. Scelte progettuali del programma: Task Per la realizzazione del programma è stato deciso di utilizzare tre Task: Task1: addetto alla lettura degli input su Seriale (UART 1); Task2: addetto alla gestione delle Fasi; Task3 o Base Task: addetto alla gestione della durata delle diverse fasi. Ai primi due Task è stato assegnata la stessa priorità, invece al Task3 è stata assegnata una priorità

7 inferiore. Tale decisione è dovuta al fatto che il Task3 è un task di bassa priorità, infatti andrà in esecuzione solo in particolari momenti nei quali la CPU non è utilizzata da parte dei Task 1 e Task2. Di seguito sono analizzati i singoli Task Analisi del Task 1 Il Task 1 ha come obiettivo quello di leggere e gestire opportunamente gli input da seriale UART1 quando sono presenti durante l'esecuzione. Gli input potranno corrispondere ad un veicolo in ingresso, un veicolo in uscita, alle chiamate pedonali oppure ad un veicolo d'emergenza. Nel primo caso sarà incrementato un contatore relativo al sensore d'ingresso. Nel secondo caso si dovrà tenere in considerazione la fase in esecuzione per andare a determinare quale contatore andare a decrementare. Come scelta progettuale è stato deciso che al termine di ogni gestione di un input da parte del Task1, questo provvede a sospendersi per un breve lasso di tempo. Tale decisione si è resa possibile dopo l'analisi del documento di specifica del progetto dove è specificato che al secondo può passare un solo veicolo alla volta. Questa sospensione permette, in certe condizioni, l'esecuzione Task3 (BaseTask). La figura sopra riportata illustra il funzionamento del Task1 nella gestione degli input. Analisi del Task2 Il Task 2 ha come scopo la gestione delle Fasi ordinarie, la gestione della Fase pedonale (Fase 3) e quella relativa alle emergenze. La priorità delle fasi è cosi definita ( in ordine decrescente in base alla priorità): emergenza fase pedonale fasi ordinaria Nell'eventualità cui non sia presente nessuna chiamata pedonale o d'emergenza il Task2 eseguirà le Fasi ordinarie in modo ciclico.

8 Nel sequence diagram sopra riportato è rappresentato il funzionamento del Task2 nel caso in cui non siano presenti input. Nel caso di una chiamata pedonale, il Task2 sospenderà la fase in cui si troverà ed eseguirà la fase pedonale. Nel caso in cui la fase interrotta si troverà nel periodo di verde, questa verrà interrotta e verrà eseguita la fase gialla della fase interrotta. Al termine della fase pedonale sarà ripristinata la fase precedentemente interrotta. Nel caso in cui l'interruzione era avvenuta durante il periodo del giallo si passerà alla successiva fase ordinaria. Nel sequence diagram sopra mostrato è rappresentato il funzionamento del Task2 nel caso di una

9 chiamata pedonale. Nel caso di una chiamata d'emergenza sarà, anche in questo caso, interrotta la fase in esecuzione (compreso la fase pedonale) e sarà eseguita la fase d'emergenza. Anche in questo caso, se sarà interrotta una fase verde di una fase, sarà eseguita la fase gialla della fase interrotta. Tale decisione è stata presa per garantire lo sgombero dell'incrocio da parte di tutti gli utenti. Al termine della fase d'emergenza la fase interrotta sarà ripristinata. Nella figura sopra illustrata è rappresentato il sequence diagram nel caso di una chiamata d'emergenza durante l'esecuzione di una fase ordinaria. Si rimarrà nello stato d'emergenza fino a quando tutti i veicoli d'emergenza entrati nell'incrocio non siano usciti da esso Nell'ipotesi cui sia stata interrotta una fase pedonale da parte di un emergenza questa sarà ripristinata e al termine della sua esecuzione sarà ripristinata la fase ordinaria in precedenza interrotta.

10 In figura è rappresentato il sequence diagram nel caso di una chiamata d'emergenza preceduta da una chiamata pedonale. Analisi del Task3 o BaseTask L'obiettivo del BaseTask è quello di gestire la durata delle varie fasi semaforiche utilizzando determinati criteri visti precedentemente. Il BaseTask è eseguito, solamente, in particolari situazioni. In particolare quando il Task1 e il Task2 sono in sospensione contemperamento. In questo caso la CPU potrà essere utilizzata dal Task3. E' stato scelto di mettere in sospensione il Task2 nella fase semaforica relativa al giallo. Questa decisione progettuale è stata presa dal fatto che la durata della fase del giallo è costante in qualsiasi fase. La sospensione durante la fase relativa al giallo dovrà essere inferiore alla durata del giallo. E' stato deciso di non sospendere il Task2 nell'esecuzione del verde siccome questa potrà essere interrotta oppure potrà essere modificata la sua durata e quindi non avrà un esecuzione costante nel tempo. I casi nei quali il Task1 e il Task2 si trovano contemporaneamente in sospensione sono: Al passaggio da una fase ordinaria alla fase pedonale attraverso una chiamata pedonale; Al passaggio da una qualunque fase ordinaria o pedonale a quella d'emergenza; Nel caso in cui arrivi un' input e si è nella fase gialla di una qualunque fase ordinaria o pedonale;

11 Nella figura sopra riportata è rappresentata l'entrata in esecuzione del Task3 nel caso di una chiamata pedonale durante il verde della fase in esecuzione (Fase1). Debug La fase di Debug è consistita nella verifica del corretto funzionamento dell'applicazione con la prova mediante inserimento di input nelle varie situazioni. Ulteriormente si è controllato il corretto funzionamento e amministrazione della durata delle fasi. E' stato eseguito un test di unità dei singoli task per rilevare eventuali bug durante l'esecuzione di essi. Per velocizzare il test del software è stato deciso di creare all'interno del programma un parametro definito DEBUG che permette di ridurre la durata delle varie Fase e quindi di velocizzare l'esecuzione. Inoltre sono state create opportune variabili per effettuare controlli sullo stato dei task e delle fasi mediante il logic analyzer oppure mediante la visualizzazione di messaggi sul UART1. Le variabili presenti nel logic analyzer utilizzate per la fase di debug sono: T1,T2,T3,Idle utilizzate per comprendere lo stato del task in esecuzione; FaseEsec : utilizzata per sapere la fase in esecuzione; Flag: per controllare il tempo di accensione e spegnimento dei led del semaforo nello stato del verde.