TEMA 1. Introducción y conceptos básicos. Sistemas Informáticos en Tiempo Real. Resumen

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TEMA 1

Introducción y conceptos básicos

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‰ Introducción

‰ Definiciones de STR

‰ Estructura de los STR

‰ Aplicaciones de los STR

‰ Características de los STR

‰ Micros y herramientas de desarrollo

‰ Clasificación de los STR

‰ Propiedades deseables de los STR

Resumen

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Introducción

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Sistemas Informáticos en Tiempo Real

Corrección del comportamiento del sistema

„Naturaleza de los resultados de los cálculos

„Instantes físicos de producción de resultados

„Respeto a la causalidad

Parte de un sistema más amplio: el Sistema de Tiempo Real

„Cambios de estado en función del tiempo físico

„Software y hardware

Operador (Equipo operador)

Operador (Equipo operador)

Sistema informático en

tiempo real (Equipo de tratamiento) Sistema informático en

tiempo real (Equipo de tratamiento)

Objeto controlado

(Planta) Objeto controlado

(Planta) Interfaz

Hombre - Máquina

Interfaz Instrumentación

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Definiciones de STR

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¿Sistema de tiempo real?

Definición 1

Un STR es cualquier sistema en el cual el instante en que se produce la salida es significativo. Esto es porque la salida está relacionada con la variación de la entrada, ésta última se corresponde con una variable del mundo físico.

Definición 2

Cualquier actividad de procesamiento de información o sistema que responda a un estímulo externamente generado en un periodo finito de tiempo y determinado a priori.

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Definición 3

Un STR es correcto si los resultados de los cálculos son correctos y el instante en que se dan estos resultados es el establecido a priori.

¿Sistema de tiempo real?

Definición 4

Un STR estricto es un sistema en el cual la salida se debe producir en el tiempo especificado.

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Definición 5

Un STR no estricto es un sistema en el cual los tiempos de respuesta deben estar predeterminados, pero el sistema funciona correctamente si algún tiempo varía un poco ocasionalmente.

Definición 6

Los STR son sistemas donde el computador está dedicado a la monitorización y/o control de algún equipo físico.

¿Sistema de tiempo real?

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Un STR es un sistema donde:

ƒ Existe una interacción continua con el medio ambiente (entorno) (sistema reactivo).

ƒ El entorno cambia en tiempo real y esto impone restricciones temporales a los sistemas que lo controlan

ƒ El sistema simultáneamente controla y/o reacciona a diferentes aspectos del entorno (sistema concurrente).

¿Sistema de tiempo real?

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„ Sistema de Tiempo Real:Es un sistema informático en el que es significativo el tiempo en el que se producen sus acciones.

„ No basta que las acciones de un sistema sean correctas, sino que, además, deben ocurrir dentro de un intervalo de tiempo determinado.

„ Los sistemas tiempo real suelen estar integrados en un sistema de ingeniería más general, en el que realizan funciones de control y/o monitorización:

„ SISTEMAS EMPOTRADOS

„ (embedded systems)

…Ejemplos: Vídeo, lavadora, ABS, …, computadora de vuelo

¿Sistema de tiempo real?

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Otras definiciones…

…Cualquier sistema en el que el instante en que se produce la salida es significativo. Esto se debe habitualmente a que la entrada corresponde a algún cambio en el mundo físico, y la salida está relacionada con este cambio. El intervalo entre el instante de la entrada y el de salida debe ser suficientemente pequeño para que sea la respuesta temporal del sistema sea aceptable. (Diccionario Oxford de Computación)

…Un procesamiento activo de información o sistema que tiene que responder a una entrada externa en un período de tiempo finito especificado. (Young)

…Los sistemas de control de tiempo real son aquellos que deben responder correctamente dentro de un límite de tiempo definido. Si la respuesta excede estos límites, entonces esto repercute sobre el funcionamiento (degradación y/o resultados indeseables en el sistema).

(Cooling)

…La correcciónde un sistema de tiempo real depende tanto de la validez lógica de la respuesta, como del instante de tiempo en que se produce.

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Estructura de los STR

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Sistema de control

Sistema controlado

Entrada

Actuadores

Indicadores

Sensores

Salida

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Computador

Servoválvula (Actuador)

Depósito

Medidor de Nivel (Sensor)

Depósito Acumulador Bomba

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Controlador Actuador Proceso

Sensor A/D

Yr* e* u* D/A u ua

Ys* Ys

T Y

T

COMPUTADOR

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Interfaz de usuario

Algoritmo de control

Reloj Actuador Planta

Sensor COMPUTADOR

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Típico Sistema Empotrado (Embedded)

Algoritmos de control digital

Recopilación de Información

Información a recuperar o visualizar

Interfaz Operador

Interfaz Sistema a controlar

Sistema de monitorización remota Reloj

Tiempo Real

Base de datos

Consola de Operador

Pantallas

Computador de Tiempo Real

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Elementos de un Sistema de Tiempo Real

tarea tarea

tarea SO Comunicaciones

Software de Tiempo Real

E/S Digital

&

Analógica Otras

E/S

Reloj

Computador T

S P CAD

ADC

DAC Screen Switch Termo - sensor

Calentador

Transductor de presion

Válvulas

Entorno

Entender la Aplicacion

Caracterizar y Diseñar el Sistema

Controlar el Sistema

Monitorizar el Sistema

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Proyecto de Sistema Empotrado

2 Procesador y Arquitectura 1 Requisitos de Aplicación

SO-TR y Arq. de Soft.

3

pSOS+ VxWorks Neutrino lynxOS nucleus

4 Herramientas de Desarrollo - (compilador, depurador, simulador) MetroWerks

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Aplicaciones de los STR

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Sistema de control de fluido

Tubería

Fluxómetro

Válvula Interfaz

Computador Tiempo

Lectura del sensor de flujo

Procesamiento

Activar salida ángulo válvula

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Planta de tostado de grano

Tanque Fuel

Horno

Depósito

Tubería

fuel

grano

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Estación de empaquetado

Controlador de Línea

Computador Interruptor

Línea de ensamblado

Caja

0 = stop 1 = run

Campana Interrupción

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Sistema de Control de Procesos

Computador de Control de Procesos

Sustancias químicas y Materiales

Válvula Transductor de

Temperatura Agitador Productos Terminados

PLANTA

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Sistema de Control de Producción

Sistema de Control de Producción

Piezas y componentes

Máquinas-Herramienta Manipuladores Cinta tramsportadora Productos Terminados

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Sistemas de Mando y Control (C2) y Sistemas C

I

Temperatura, Presión, Potencia, ...

Terminales

Computador de Mando y Control Comando

Sensores/Actuadores

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EJEMPLOS

Ejemplos de sistemas empotrados

…Electrónica de consumo

„Videos, HIFI, televisión, ...

„Lavadoras, frigorificos, lavaplatos, ...

…Automóviles

„Control velocidad, climatización, visualización

„ABS, ASR

„Inyección …Telecomunicaciones

„Radio trunking, teléfonos móviles GSM, GPS

…Aviónica, espacial

„Computadores de vuelo, de misión

„Pathfinder …Defensa

„Bombas y misiles inteligentes

„Vehículos, dirección de tiro, ...

…Instrumentación

„Sistemas de adquisición de datos

„Sensores, actuadores

„Acondicionamiento de señal

„Industrial

„Química-farmacéutica

„Biomédica

…

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EJEMPLO

Computador de un coche

Km/h Km

Cont. Velocidad Tª Hora

Computador Control

Empotrado Calefacción

Aire Acondicionado

Sistema Inyección Pedales

Ruedas

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EJEMPLO

Varias tareas:

„ Control automático de velocidad

„ Control climatización

„ ABS

„ airbag

„ ESP, ASR,...

„ Visualización:

…velocidad …rpm …consumo …niveles …alarmas …...

„ Ordenes del conductor:

…comienzo control velocidad …establecimiento temperatura

interior …puesta en hora …...

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Cuatro tareas:

1. Control de temperatura

2. Control de nivel 3. Alarma desnivel 4. Interfase con el operador:

lectura y ejecución de órdenes, visualización del estado (texto, graficas, etc.).

1 2

3 4 EJEMPLO

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Características de los STR

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Características de los STR

Muchos STR son periódicosen naturaleza, esto es, ejecutan esencialmente el mismo conjunto de tareas una y otra vez en un periodo de tiempo.

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Características de los STR

Concurrencia

…Los componentes del sistema controlado o monitorizado funcionan simultáneamente

…El sistema de control debe atenderlo y generar las acciones de control o visualización de forma simultánea

…Un computador ejecuta sus acciones de forma secuencial → RAPIDEZ → se puede hacer que el computador ejecute sus acciones de forma aparentemente simultánea

…Computadores multiprocesador o sistemas con varios computadores

…La concurrencia requiere de herramientas especiales : Lenguajes concurrentes de alto nivel (lenguaje secuencial + Sistema Operativo).

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Características de los STR

Tamaño y complejidad

…Afecta sobre todo al software.

…La complejidad no depende únicamente del tamaño …Un factor importante es la necesidad de realizar

cambios en el sistema.

…La solución esta en aplicar el principio de divide y vencerás.

…Existen herramientas y metodologías que facilitan la labor de diseño.

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Características de los STR

Cálculos con números reales

…Los sistemas de control realizan cálculos con variables que representan magnitudes físicas, es decir valores reales.

…Los números reales se representan en la computadora de manera aproximada. Hay dos clases de representaciones:

„Punto fijo

„Punto flotante

Los valores marcados con * son discretos

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Características de los STR

Seguridad

…Muchos STR son también de seguridad crítica. Esto es, un fallo en el sistema de control puede hacer que el sistema provoque una catástrofe (perdida de vidas) o antieconómica.

…Es importante asegurar que si el sistema falla lo haga de forma que el sistema controlado quede en un estado seguro. Esto implica que hay que tener en cuenta los posibles fallos o excepciones.

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Características de los STR

Interacción con dispositivos físicos

…Los sistemas empotrados interaccionan con su entorno mediante diversos tipos de dispositivos (sensores y actuadores) que normalmente no son convencionales (teclados, impresoras, ...): convertidores A/D y D/A, pwm, entradas y salidas digitales paralelo y serie, ...

(interfases con sensores, actuadores, periféricos especiales, cámaras de video, láser, ...) …Los componentes del software que controlan el

funcionamiento de estos dispositivos (manejadores,

"drivers") son, en general, dependientes del sistema operativo concreto

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Características de los STR

Implantación Eficiente

…Es importante que el lenguaje ofrezca facilidades

„Control del tiempo

„Manejo claro de las excepciones

„Comunicación entre procesos de control

„Gran parte de los sistemas de control deben responder con gran rapidez a los cambios en el sistema controlado

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Fiabilidad y seguridad

…Un fallo en un sistema de control puede hacer que el sistema controlado se comporte de forma peligrosa o antieconómica

…Es importante asegurar que si el sistema de control falla lo haga de forma que el sistema controlado quede en un estado seguro => hay que tener en cuenta los posibles fallos o excepciones en el diseño

Características de los STR

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Robustez

…Embarcados en sistemas con movimiento o que pueden ser transportados, sujetos a vibraciones e incluso impactos (coches, robots, instrumentación portátil, ...)

…No siempre trabajan en condiciones óptimas de temperatura, humedad, limpieza.

…Factor de protección IP: IP65

„Primer dígito: protección ante entrada de sólidos (polvo)

„Segundo dígito: protección ante la entrada de líquidos

Características de los STR

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Bajo consumo

…Muchos de estos sistemas están alimentados con baterías o pilas. Menor consumo => mayor autonomía

…En muchos casos necesidades de bajo voltaje (3V)

Bajo peso

…Característica de agradecer en sistemas portátiles …No depende únicamente del computador embarcado y su

periferia sino también de la alimentación (baterías) o de los sensores y actuadores

Características de los STR

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Bajo precio

…Aplicable a electrónica de consumo y otros dispositivos con mercados muy competitivos (p.e. telefonía móvil)

Pequeñas dimensiones

…Las dimensiones de un sistema empotrado no dependen sólo de sí mismo sino también del espacio disponible en el sistema que controla y/o monitoriza.

…Característica a tener muy en cuenta por los problemas que acarrea

Características de los STR

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Micros y herramientas de desarrollo

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CLASIFICACIÓN COMPUTADORES

Supercomputadores Servidores Estaciones de trabajo PC's

Calculadoras

Computadores específicos Computadores/PC's + tarjetas E/S Autómatas Programables Reguladores digitales

Tarjetas microprocesadores + tarjetas E/S + bus VME PC's + tarjetas E/S + bus ISA/PCI/CAN

Microcontroladores, DSPs Cálculo científico

Gestión (bancos, empresas) Bases de datos

Control industrial Simuladores de vuelo Robótica

Electrodomésticos Aeronáutica Teléfonos móviles

CONTROL / TIEMPO REAL

EMPOTRADOSNO EMPOTRADOS

NO CONTROL

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LOS MICROS

Microprocesadores(Propósito general, Caches y manejo eficiente de memoria) …+ Periféricos (E/S paralelo, serie, A/D, PWM, ...)

…+ RAM/ROM integradas …- caches

…- manejo memoria

Microcontroladores(Propósito específico: control, RAM + ROM) 4-bit → 8-bit → 16-bit → 32-bit

„ ↑ periféricos: CAN, Ethernet, LCD, motores PP, ...

„ ↑ aplicaciones: capacidades DSP

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LOS MICROS

Fabricantes de microcontroladores

INTEL 8048-8051-80C196-80386

MOTOROLA 6805-68HC11-68HC12

HITACHI HD64180

PHILIPS 8051

SGS-THOMSON ST-62XX

NATIONAL SMC. COP400-COP800

ZILOG Z8, Z86XX

TEXAS INST. TMS370

TOSHIBA 68HC11

MICROCHIP PIC

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LOS MICROS

Microprocesadores: Circuito de computación integrado en un chip.

Microcontroladores Dispositivo integrado que incluye un microprocesador, memoria y dispositivos periféricos (dispositivos de entrada/salida, convertidores A/D, puertos de comunicación, etc.).

4-bit → 8-bit → 16-bit → 32-bit

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Prestaciones: ¿Cumple especificaciones? Análisis del rendimiento medio o del peor caso (en esto influye tanto el hardware como el software).

Ej: Control de inyección de un vehículo versus servidor web.

Tecnología: alimentación, consumo.

Coste: (desde 1€ a 300 € o más)

Fiabilidad: Fundamental en aplicaciones de soporte vital

Ejs: El primer Airbus llevaba Z80 (8 bits, ~1970). El primer Pentium III era defectuoso.

Experiencia y soporte: (Referencias en páginas Web: Pentium : >37.500.000, Sparc : 8.730.000, 8051 : 333.000, 68HC11 -> 110.000, Z80 -> 131.000)

Compatibilidad: 8086 → 80186 → 80386 → 80486 → Pentium 6802 → 6809 → 6811 → 6812

Disponibilidad y segundas fuentes: La evolución tecnológica y el mercado hacen obsoletos los productos de forma muy rápida. Siempre conviene tener una segunda fuente que garantice el suministro.

Criterios de selección μP/μC

Herramientas de desarrollo (precio, complejidad, prestaciones) Otros factores:

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Tiempo de desarrollo (es un factor fundamental en la actualidad)

Repercusión del tiempo de desarrollo sobre los beneficios: Pequeños retrasos en el tiempo de puesta en el mercado pueden producir grandes pérdidas.

• Vida media de un producto: La vida media de los productos tecnológicos es cada vez más corta (hoy en día, en torno a 2 años).

• Obsolescencia de la tecnología: La rápida evolución de la tecnología hace que los tiempos de desarrollo deban ser cortos para mantener competitividad.

Ej: Hacemos un diseño de un smartphone, que hoy es competitivo (a 540MHz, y un consumo de 0.45 mW/MHz), pero tardamos dos años. Cuando salga al mercado puede no ser competitivo (podría haber otros a 900 MHz y 0.3 mW/MHz).

T0 T0+4 Ventas (unidades) Producto A

Producto B

Tiempo (meses)

T0+12 T0+24

Beneficio:~área bajo cada curva

Criterios de selección μP/μC

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Herramientas de desarrollo

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„ Simuladores

…Un simulador ejecuta un programa destinado a un μP/μC en un computador de propósito general (p.e. un PC)

…Los contenidos de la memoria y registros pueden ser observados y alterados

…No soporta interrupciones reales ni (generalmente) hardware adicional

…La velocidad de ejecución es menor que en el μP/μC

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„ Debuggers residentes

…Residente en el μP/μC, el programa se ejecuta en el μP/μC.

Permite visualizar la ejecución desde una terminal o computador …Utiliza recursos del μP/μC (un puerto de comunicación, una

interrupción y memoria) y ralentiza la ejecución (acceso a memoria y registros y comunicación)

…Visualización y actualización de memoria, breakpoints, ...

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„ Emuladores

…Hardware que “emula” al μP/μC (lo sustituye en la plataforma) y además permite obtener información y actuar sobre la aplicación sin gastar recursos del μP/μC ni alterar la evolución temporal …Se comunica por una parte con un computador o terminal (vía

RS232 o similar) y por otra con el sistema receptor del μP/μC (mediante el POD (placa emuladora del micro seleccionado))

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Clasificación de los STR

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Clasificación de los Sistemas de Tiempo Real

Críticos No críticos

Centralizados Distribuidos

Basados en reloj Basados en eventos Interactivos Estrictos No estrictos Firmes

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donde:

tc(i) intervalo entre los ciclos i-1 e i.

te(i) tiempo de respuesta de la i-ésima ocurrencia del evento e.

t_s intervalo periódico o cíclico . Te máximo tiempo permitido para el evento e.

t_a tiempo de respuesta medio permitido para el evento e medido en el intervalo de T.

n número de ocurrencias del evento e dentro del intervalo T, o el número de veces que se repite el ciclo durante el intervalo T.

a tolerancia temporal.

( )

tc =s± te

( )

t t t

s s n

i c

n T a n i

=

±

=

∑= () 1

1

t t t

s a n

i e

n T n i

=

≤

∑= () 1

1

ESTRICTAS NO ESTRICTAS

Periódicas Aperiódicas Periódicas Aperiódicas o cíclicas o acíclicas o cíclicas o acíclicas

Restricciones temporales

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Propiedades deseables de los STR

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ƒ

El tiempo en que los valores de salida son obtenidos es importante

ƒ Robustez:

El sistema no debe fallar cuando este sometido a condiciones extremas.

ƒ Predecible.

ƒ Tolerancia a fallos:

Los fallos de software o hardware no deben afectar el funcionamiento del sistema.

ƒ Mantenimiento:

El sistema debe ser modular para facilitar las modificaciones necesarias a lo largo de su vida útil.

ƒ Probable:

Fácil de probar que las restricciones temporales (plazos,

Propiedades deseables de los STR

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La especificación de un STR frecuentemente relaciona un evento en el entorno con acciones que deben realizarse.

Por ejemplo, si el sistema de control de un automóvil identifica una situación de choque, entonces el airbag del conductor debe de inflarse dentro de cierto límite de tiempo.

Este límite es normalmente referido como deadline. Algunos deadlineson hard y otros soft.

Plazo, Deadline

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Tiempo real no quiere decir realizar todo rápido, ya que aunque esto ocurra, es posible, debido a la interacción entre tareas y recursos, que el resultado no sea oportuno.

- Tiempo real no significa rápido

- Tiempo Real significa justamente a tiempo (predecible)

Tiempo real

Rápido

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Temas relacionados con Tiempo Real

…Especificación y verificación …Teoría de planificación …Sistemas operativos …Lenguajes de programación …Metodologías de diseño …Bases de datos distribuidas …Inteligencia artificial …Tolerancia a fallos

…Arquitecturas de computadores …Comunicación

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‰ Introducción

‰ Definiciones de STR

‰ Estructura de los STR

‰ Aplicaciones de los STR

‰ Características de los STR

‰ Micros y herramientas de desarrollo

‰ Clasificación de los STR

‰ Propiedades deseables de los STR

Resumen

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TEMA 1

Introducción y conceptos

básicos