Tempo-Real, Sistemas Distribuídos e Dependabilidade

Transcrição

1 Tempo-Real, Sistemas Distribuídos e Dependabilidade As propriedades temporais e a dependabilidade Os sistemas distribuídos e a dependabilidade Bibliografia H. Kopetz, Design Principles for Distributed Embedded Applications, Kluwer Academic Publishers, N. Nissanke, Real-Time Systems, Prentice-Hall, Noção de Tempo-Real O meio envolvente com o qual o sistema computorizado interage (processo físico) possui o seu próprio ritmo de evolução, i.e., a sua própria dinâmica. Esse ritmo é inerente ao próprio processo físico e não pode ser controlado externamente. Designa-se por Tempo-Real. 2 1

2 Noção de Tempo-Real Assim, o meio envolvente impõe ao sistema requisitos temporais de acordo com o seu tempo-real, i.e., a sua dinâmica. Para que o sistema computorizado seja capaz de interagir com o seu meio envolvente, tem de actuar sobre ele a tempo, i.e., de acordo com o respectivo tempo-real. 3 Noção de Tempo-Real Notar que tempo-real não significa rapidez mas apenas um rítmo de evolução próprio de um certo processo físico. Notar igualmente o antagonismo face a situações em que o ritmo de evolução pode ser controlado quer pelo operador quer pelo próprio sistema de controlo (e.g., o sistema de reservas de viagens de avião, sistemas bancários de controlo de contas). Nestes casos, perante um excesso de solicitações, o sistema atrasa a resposta a cada uma continuando o respectivo processamento ao ritmo que possível. 4 2

3 Requisitos temporais Controlo de nível num depósito de líquido Xsp Controlador X(t) Alarme Qi Xmax Qo 5 Requisitos temporais Controlo de nível num depósito de líquido X(t) X2 Set-point d X(t) d t X1 tm tsub atraso do processo tempo de subida Tempo-real 6 3

4 Requisitos temporais Período de amostragem Ts (~< 1/10 tsub) (controlo quase-contínuo) Atraso máximo na actuação da válvula dmax (< Ts) (atraso de controlo pode ser facilmente compensado) Variações no atraso de actuação da válvula (jitter) jo,max (<< dmax ) Variações no atraso de leitura do nível (jitter) js,max (<< dmax ) (difíceis de compensar degradação da qualidade do controlo) Atraso máximo na sinalização de alarme dal,max 7 Requisitos temporais Evento periódico de amostragem Leitura do sensor Execução do algorítmo de controlo Actuação Leitura do sensor Actuação js t = n * Ts d max d n Ts jo 8 4

5 Falhas temporais Falhas de omissão (omission) Inexistência de um ou mais eventos de saída do sistema Falhas de temporização (timing) Alteração dos instantes de ocorrência de um ou mais eventos de saída Falhas de sincronização (clock) Alteração da ordem de ocorrência de um ou mais eventos de saída Crash eventos de saída omissão eventos de saída eventos tardios eventos de saída n-2 n n-1 n+1 eventos de saída crash tempo Omissão de todos os eventos de saída após um certo instante. Atraso máximo para geração de uma saída tempo tempo tempo 9 Sistema de controlo distribuído Controlo de espessura laminar por estiragem (abordagem centralizada) Controlador (e.g., PLC) Consola de operador v1 v2 v3 Drives Sensores X1 X2 X3 Xo Espessura da lâmina 10 5

6 Sistema de controlo distribuído Controlo de espessura laminar por estiragem (abordagem distribuída) Controlador Consola de operador Barramento de campo v1 v2 v3 Drives Sensores X1 X2 X3 Xo Espessura da lâmina 11 Sistema de controlo distribuído Elementos do sistema fisicamente distribuídos por uma dada área (sensores, drives, controladores, consola) Interligados por um sistema de comunicação partilhado (barramento de campo) O meio partilhado simplifica a cablagem e aumenta a flexibilidade do sistema Cada elemento ligado ao sistema de comunicação é um nodo A comunicação é efectuada por troca de mensagens 12 6

7 Sistema de controlo distribuído Noção de Nodo Equipamento de campo µp / µc Componente inteligente que inclui: Microprocessador / microcontrolador Controlador de comunicações Benefícios: Facilidade de configuração, teste e auto-verificação Melhor precisão nas leituras das grandezas físicas (acondicionamento e digitalização do sinal na fonte) Menores custos de produção e instalação / Maior fiabilidade... Interface Controlador de comunicações Sistema de comunicação Sistema de controlo distribuído Mensagens de estado Transportam informação de estado do sistema. São normalmente utilizadas em malhas de controlo. A informação pode ser re-escrita. Mensagens de eventos Transportam informação de eventos. São normalmente utilizadas na monitorização de condições de ocorrência esporádica. A informação não se pode perder e não pode ser processada mais do que uma vez. Evento Alteração significativa do estado do sistema. 14 7

8 Sistema de controlo distribuído Transacção de tempo-real Sequência de acções (de computação e comunicação) que devem ser executadas desde a leitura de uma(s) determinada(s) grandeza(s) física(s) até à geração do(s) valor(es) de actuação correspondente. Os requisitos temporais aplicam-se, agora, às transacções temporeal (e.g., sequência desde a leitura das espessuras até à actualização das velocidades dos drives) e incluem atrasos de comunicação devidos à transmissão das mensagens. 15 Sistema de controlo distribuído Vantagens da abordagem distribuída Extensibilidade do sistema Composabilidade relativamente às propriedades dos nodos Confinamento de erros aos vários nodos Tolerância a falhas através da réplica de nodos 16 8

9 Sistema de controlo distribuído Problemas da abordagem distribuída Atomicidade espacial / temporal das transacções Coerência entre valores locais (imagens) de grandezas partilhadas Transmissão ordenada e atempada de mensagens Criticalidade do sistema de comunicação Causas principais: Erros de transmissão => perda de mensagens Conflito de acesso ao meio de comunicação Dessincronização entre os vários nodos 17 9