Introducción y conceptos básicosjossan/doct/cystr/fich/Tema1_x2.pdf2 3 Introducción 4 Sistemas Informáticos en Tiempo Real Corrección del comportamiento del sistema Naturaleza

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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 sistemaNaturaleza de los resultados de los cálculosInstantes físicos de producción de resultadosRespeto a la causalidad

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

Cambios de estado en función del tiempo físicoSoftware 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)

InterfazHombre - Máquina

InterfazInstrumentación

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Definiciones de STR

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¿Sistema de tiempo real?

Definición 1Un STR es cualquier sistema en el cual el instante en que se

produce la salida es significativo. Esto es porque la salida estárelacionada con la variación de la entrada, ésta última se corresponde con una variable del mundo físico.

Definición 2Cualquier 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 3Un 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.


Definición 4Un STR estricto es un sistema en el cual la salida se debe

producir en el tiempo especificado.

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Definición 5Un 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 6Los STR son sistemas donde el computador está dedicado a la

monitorización y/o control de algún equipo físico.


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Un STR es un sistema donde:

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

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

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


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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


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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 corrección de 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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Sistema de control

Sistema controlado

Consignas

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

SensorA/D

D/AYr* e* u* u ua

Ys* Ys

YT

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 decontrol digital

Recopilación deInformación

Información arecuperar o visualizar

InterfazOperador

Interfaz Sistemaa controlar

Sistema demonitorizaciónremota

RelojTiempo

Real

Base de datos

Consola de Operador

Pantallas

Computador de Tiempo Real

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Elementos de un Sistema de Tiempo Real

tareatarea

tarea

SO

Comunicaciones

Software de Tiempo Real

E/SDigital

&Analógica Otras

E/S

RelojComputador

T

SP

CAD

ADC

DACScreen

Switch

Termo-sensor

Calentador

Transductorde presion

Válvulas

Entorno

Entender laAplicacion

Caracterizar yDiseñar el Sistema

Controlarel Sistema

Monitorizarel 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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Sistema de control de fluido

Tubería

Fluxómetro

Válvula

Interfaz

ComputadorTiempo

Lectura delsensor de flujo

Procesamiento

Activar salidaángulo válvula

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Planta de tostado de grano

Tanque FuelHorno

Depósito

Tubería

fuel

grano

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Estación de empaquetado

Controladorde Línea

ComputadorInterruptor

Línea de ensamblado

Caja

0 = stop

1 = run

Campana

Interrupción

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Sistema de Control de Procesos

Computadorde Control

de Procesos

Sustanciasquímicas yMateriales

Válvula Transductor deTemperatura Agitador Productos

Terminados

PLANTA

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Sistema de Control de Producción

Sistemade Control

de Producción

Piezas ycomponentes

Máquinas-Herramienta Manipuladores Cinta tramsportadora

ProductosTerminados

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Sistemas de Mando y Control (C2) y Sistemas C3I

Temperatura, Presión, Potencia, ...

Terminales

Computador de Mandoy Control

Comando

Sensores/Actuadores

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EJEMPLOS

Ejemplos de sistemas empotrados

Electrónica de consumoVideos, HIFI, televisión, ...Lavadoras, frigorificos, lavaplatos, ...

AutomóvilesControl velocidad, climatización, visualizaciónABS, ASRInyección

TelecomunicacionesRadio trunking, teléfonos móviles GSM, GPS

Aviónica, espacialComputadores de vuelo, de misiónPathfinder

DefensaBombas y misiles inteligentesVehículos, dirección de tiro, ...

InstrumentaciónSistemas de adquisición de datosSensores, actuadoresAcondicionamiento de señalIndustrialQuímica-farmacéuticaBiomédica…

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EJEMPLO

Computador de un coche

Km/hKm

Cont. Velocidad Tª Hora

Computador Control

EmpotradoCalefacción

Aire Acondicionado

Sistema Inyección

Pedales

Ruedas

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EJEMPLO

Varias tareas:

Control automático de velocidadControl climatizaciónABSairbagESP, ASR,...Visualización:

velocidadrpmconsumonivelesalarmas...

Ordenes del conductor: comienzo control velocidadestablecimiento temperatura interiorpuesta 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.).

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EJEMPLO

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

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ConcurrenciaLos componentes del sistema controlado o monitorizado funcionan simultáneamenteEl sistema de control debe atenderlo y generar las acciones de control o visualización de forma simultáneaUn computador ejecuta sus acciones de forma secuencial →RAPIDEZ → se puede hacer que el computador ejecute sus acciones de forma aparentemente simultáneaComputadores multiprocesador o sistemas con varios computadoresLa concurrencia requiere de herramientas especiales : Lenguajes concurrentes de alto nivel (lenguaje secuencial + Sistema Operativo).

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Tamaño y complejidad

Afecta sobre todo al software.La complejidad no depende únicamente del tamañoUn 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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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 fijoPunto flotante

Los valores marcados con * son discretos

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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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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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Implantación Eficiente

Es importante que el lenguaje ofrezca facilidadesControl del tiempoManejo claro de las excepcionesComunicación entre procesos de controlGran 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 antieconómicaEs 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


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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


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Bajo consumoMuchos de estos sistemas están alimentados con baterías o pilas. Menor consumo => mayor autonomíaEn muchos casos necesidades de bajo voltaje (3V)

Bajo pesoCaracterística de agradecer en sistemas portátilesNo depende únicamente del computador embarcado y su periferia sino también de la alimentación (baterías) o de los sensores y actuadores


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

Pequeñas dimensionesLas 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


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CLASIFICACIÓN COMPUTADORES

Supercomputadores Servidores Estaciones de trabajo PC'sCalculadoras

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

EM

POT

RA

DO

SN

O

EM

POT

RA

DO

SNO 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 microcontroladoresINTEL 8048-8051-80C196-80386MOTOROLA 6805-68HC11-68HC12HITACHI HD64180PHILIPS 8051SGS-THOMSON ST-62XXNATIONAL SMC. COP400-COP800ZILOG Z8, Z86XXTEXAS INST. TMS370TOSHIBA 68HC11MICROCHIP 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 → 6812Disponibilidad 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

Requisitos y coste:

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 alteradosNo soporta interrupciones reales ni (generalmente) hardware adicionalLa 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 computadorUtiliza 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 temporalSe 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 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.

ts intervalo periódico o cíclico .

Te máximo tiempo permitido para el evento e.

ta 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.

( ) ai tt sc ±= ( ) Tt ee i ≤

t

tt

s

sn

ic

Tn

ain

=

±=∑=

)(11

t

tt

s

an

ie

Tn

in

=

≤∑=

)(11

ESTRICTAS NO ESTRICTASPeriódicas Aperiódicas Periódicas Aperiódicaso cíclicas o acíclicas o cíclicas o acíclicas

Restricciones temporales

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

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

Predecible.

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

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

Probable: Fácil de probar que las restricciones temporales (plazos, deadlines) se satisfagan.


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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 deadline son 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 vs 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







Resumen

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TEMA 1

Introducción y conceptos básicos

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