SEM0544 Desenvolvimento de Produtos Mecatrônicos

Transcrição

1 SEM0544 Desenvolvimento de Produtos Mecatrônicos Sistemas de Tempo Real Não se trata de seguir uma receita de bolo! Estímulo para pensar em hardware e software de uma forma diferente. Pontos de vista controvertidos? Glauco Caurin Dalton Matsuo Jean Minar Jorge Felix Herrera Jose Martins Jr. Kelen Teixeira Vivaldini Leonardo Pedro

2 Programa de Aulas Aula Data Descrição Exercícios / Prática 1 26/2 Organização do Curso Conceitos e História de Sistemas de Operacionais Tempo Real. 2 5/03 Considerações de hardware Entrega da Lista de exercícios / /03 Apresentação do IDE Workbench Conceitos de RTOS (Escalonamento e Gerenciamento de Memória) Treinamento introdutorio no Workbench Avaliação 1 Entrega da Lista de exercícios /03 Tratamento de interrupções Avaliação /04 Conceitos de Device Driver Prática com Workbench 7 16/04 RTOS (Sincronização e Comunicação entre Processos) 8 23/04 Comunicação em Rede - I 9 30/04 Comunicação em Rede - II Avaliação 3 Entrega da Lista de exercícios 3

3 Programa de Aulas Aula Data Descrição Prática 10 7/05 Prática com o Workbench com placa Digilent (Jean) Prática com o Workbench com placa Digilent (Jean) 11 14/ /05 Controle de versão (Dalton) Noções de Engenharia de Software Rational Rose Real Time, Rhapsody, outras ferramentas de modelagem de tempo real (Jorge) Entrega da Lista de exercícios / / / /06 Conceitos de Board Support Package - BSP Avaliação 4 Hardware in the Loop (Leonardo) Avaliação 5 Entrega de projeto Avaliação 5 Entrega de projeto Avaliação 5 Entrega de projeto Avaliação 5 Entrega de projeto

4 Bibliografia e Material de Aula Laplante, P.A.,Real Time Systems Design and Analysis, IEEE Press, 3rd. Edition, 2004 Tanenbaum, Modern Operating Systems, 2nd Edition Agrawala, A. K., Real-Time System Design MISRA-C 2004 Guidelines for the use of the C language in critical systems MISRA, Development Guidelines For Vehicle Based Software, 1994 Mechatronics Real Time Linux

5 Guia para o Design de Produtos Mecatrônicos O Nome do Jogo: Melhor, + Rapido, + Economico

6 Desafios

7 Identificação de Dependências, Requisitos: Chave para as tomadas de decisões

8 Design Conceitual da Máquina e Design Mecânico

9 Exemplo Projeto Sistema Limpa Grades

10 Exemplo Projeto Sistema Limpa Grades

11 PROPOSTAS PRELIMINARES DE CONJUNTO DE LIMPEZA

12 ANALISE PRELIMINAR DA ESTRUTURA SUBMETIDA A ESFORÇOS

13 ESTIMATIVA DE ESFORÇOS HIDRODINAMICOS

14 Design Elétrico - Eletronico

15 Design do Software Embarcado

16 Design do Software Embarcado

17 Robô Kuka

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21 Virginia Tech Usuário LabVIEW Robotics Software and NI RIO Hardware Bundle for Autonomous System Design

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23 Sistema idrive da BMW Roteador wireless Linksys WRT54G (versões 5.0 e posterior) Mitel ICP 3000 IP PBX Impressoras Xerox Phaser

24 Mars Reconnaissance Orbiter

25 Linguagens de Programação Preferenciais C, C++ ADA Java Antigas Assembly FORTRAN, PASCAL e até VB Pre-Requisitos Programação Cálculo Discreto Probabilidade e Estatística

26 Introdução Sistemas que precisam ser processados num ritmo regular e temporizado: Aviões - Sequencias de pulso de acelerômetro para determinar sua posição Sistemas que precisam ser processados rapidamente em situações não regular: Alarme de superaquecimento numa usina nuclear Aplicações que de certa forma requerem tipicamente soluçoes de TEMPO-REAL Guichê de aeroporto 5 minutos?? Tempo real??

27 1.Terminologia 1.1 Conceitos do sistemas Programas do Sistema software de propósito genérico software que se relaciona com o hardware subordinado software que serve como ferramenta (compiler, assemblers e linkers) Programas Aplicativos software de propósito especifico Definição 1 Sistema é um Mapeamento de um conjunto de entradas em um conjunto de saídas Definição 2 Tempo de resposta do sistema: O tempo entre a apresentação de um conjunto de entradas para um sistema (estimulo) e a realização do comportamento desejado (resposta)

28 1.Terminologia 1.1 Definições de Tempo Real Definição 3 Um sistema de tempo real é um sistema que deve satisfazer restrições de tempo de resposta explícitos (associados), caso contrario esta sujeito a severas consequências, inclusive de falência. Definição 4 Um sistema falido é um sistema que não é capaz de atender um ou mais dos requisitos estipulados pelas especificações formais Definição 5 Um sistema de tempo real é aquele cuja correção lógica é baseada tanto nas saídas corretas como em sua boa temporização

29 Quando um sistema é de Tempo Real? 1.Terminologia Definição 6 Soft Real-Time System é aquele cuja performance se degrada as não é destruida por falhas em atender as respostas com restrições de tempo. Definição 7 Hard Real-Time System é aquele em que falhas em atender um unico prazo de resposta pode induzir à falencia completa e catastrófica do sistema. Definição 8 Firm Real-Time System é aquele em que falhas em atender algumas respostas com restrições de tempo, não levarão à falencia total do sistema. Mas a perda de mais do que algumas pode induzir à falência completa e catastrófica do sistema.

30 1.Terminologia A Natureza do tempo Fim de um Prazo é um instante no Tempo! Como são definidos os Prazos? Fisica dos processos Suposições e palpites Importância da imprecisão dos relógios!

31 1.Terminologia 1.1 Eventos e Determinismo Mudanças de estado resultam em mudanças no controle de fluxo de um programa Definição 10 Definição 9 EVENTO - Toda ocorrência que força o program counter a mudar não sequencialmente é considerada alteraçao no fluxo do programa Tempo de liberação (release time) instante quando um caso de uma tarefa agendada esta pronto para rodar, geralmente associado a uma interrupção

32 1.Terminologia Eventos Síncronos e Eventos Assíncronos Eventos Síncronos -> Ocorrem em tempos previsíveis dentro do fluxo de controle Eventos Assíncronos -> Ocorrem em tempos imprevisiveis dentro do fluxo de controle Eventos Periódicos e Aperiódicos

33 1.Terminologia Eventos Síncronos e Eventos Assíncronos Periódico Aperiódico Esporádico Sincrono Código Cíclico Instrução de Ramificações : Processos ramificação Traps agendados por código interno Assíncrono Interrupção Interrupções Excessões gerada por frequentes mas geradas clock de período não externamentos fixo

34 1.Terminologia Determinismo Manter o controle é fundamental! O software deve ser capaz de prever e evitar cenarios instaveis Perigo Outra característica de sistema controlados por software: A CPU busca continuamente e executa instruções do programa na área de memória ao invés de outras áreas de dados ou áreas indesejadas da memória Controle de software e hardware é mantido quando se consegue prever o próximo estado, dado o estado atual e o conjunto de entradas Definição 11 Um sistema é determinístico se por cada estado possível e cada conjunto de entradas um único conjunto de saídas e o próximo estado do sistema pode ser determinado Determinismo de eventos próximos estados e saídas de um sistema são conhecidos para entradas que disparam eventos

35 1.Terminologia 1.4 Utilização da CPU Definição 12 Fator de Carga Temporal U é a medida da porcentagem de tempo de processamento não ocioso Utilização Zoneamento (Classificação) Aplicação Típica 0 25 Poder de processamento excessivo - CPU deve ser mais poderosa que o necessário Varias Muito Seguro Varias Seguro Varias 69 Limite Teórico Sistemas Embarcados Questionável Sistemas Embarcados Perigoso Sistemas Embarcados 100+ Sobrecarregado Sistemas Embarcados

36 1.Terminologia 1.4 Utilização da CPU Período de Execução p Freqüência de Execução f Tempo de Execuça e worst case Fator de utilização - u

37 2. Desafios do Design de Sistemas de Tempo Real

38 2. Desafios do Design de Sistemas de Tempo Real Problemas que requerem a atenção: Seleção de software e Hardware e avaliaçao de COMPROMISSO custo x (sistema distribuído, paralelismo e sincronismo) Especificação e design do RTS e representação correta do seu comportamento temporal Nuances das linguagens de programação Design e gerenciamento de testes, seleção de equipamentos de desenvolvimento e teste Aproveitar as vantagens de sistemas abertos, avaliar a interoperabilidade entre eles (Padrão de Tempo Real CORBA). Medição e Previsão de tempos de respostas e sua redução. Execução de analises de escalonamento (agendamento), ou seja, determinando e garantindo a satisfação deadlines.

39 3. Exemplos de Sistemas de Tempo Real Sistema de medidas inercial 10 ms medidas em x,y,z pulsos de acelerômetros Tarefa fornecer para um display a 40 ms vetores de posição, velocidade e aceleração Tarefas com correlação de tempo Sistema de monitoramento de usina nuclear Lidar com três eventos sinalizados por interrupção 1o. Evento disparado por qualquer sinal severo entre os vários pontos de segurança Resposta em 1 s 2o. Evento indica que o núcleo alcançou uma sobretemperatura Resposta em 1 ms Display de operação atualizado 30 vezes por segundo Como se consegue que uma indicação de eminência de derretimento interrompa qualquer outro processo

40 3. Exemplos de Sistemas de Tempo Real Sistema de reserva de lugares em aviões Lidar com três eventos sinalizados por interrupção Tempo de retorno de qualquer transação deve ser menor que 15 s Sem overbooking (sistema ideal) Vários agentes podem querer acessar o sistema ao mesmo tempo Trancamento de gravação, Mecanismos de comunicação que protegem o banco de dados de reservas contra alterações de mais de um atendente por vez, Como isto é feito????? Sistema de inspeção de garrafas Fabrica da Kaizer Limpeza, Nível de Liquido, Presença de Tampa, etc... Sistema de controle de semáforo em um cruzamento com duas vias de mão dupla

41 4. Falsos Conceitos 1. Sistemas de Tempo real são a mesma coisa que sistemas rápidos 2. Analise de taxa monofônica resolveram o problema de tempo real 3. Existem metodologias universais amplamente aceitas para a especificação e design de sistemas de tempo real 4. Não existe nunca a necessidade de se construir um sistema de tempo real, pois já existem muitos sistemas comerciais 5. O estudo de sistema de tempo real é preponderantemente um estudo da teoria de agendamentos

42 5. Breve Histórico Avanços Teoricos Sistemas de hardware pioneiros Desenvolvimentos de Hardware Softwares Pioneiros Suporte de Sistemas operacionais comerciais

43 Exercícios 1.1 Considere um sistema de pagamento para uma pequena firma de manufatura. Descreva 3 cenários diferentes nos quais o sistema pode ser justificado como Hard, Firm e Soft Real Time 1.2 Discuta se os seguintes sistemas são Hard, Firm ou Soft Real Time: (a) O sistema de banco de dados de publicações disponíveis na Biblioteca da EESC. (b) O banco de dados da policia que fornece informações sobre veículos roubados (c) Uma maquina de jogos eletrônicos que opera com moeda (d) Um sistema de notas de uma Universidade (e) Um switch controlado por computador utilizado em uma compania de telefonia local como roteador 1.3 Considere um sistema de controle de tempo real para armamentos abordo de um avião caça. Discuta quais dos seguintes eventos podem ser considerados síncronos e quais seria assíncronos: (a) Um clock de interrupção gerado externamente com 10 ms (b) Um trap de divisão por zero (c) Um software de teste de falha embutido (d) Um sinal discreto gerado por um piloto apertando um botão de disparo de um foguete (e) Um sinal discreto indicando falta de combustível

44 Exercícios 1.4 Descreva um sistema completamente não-tempo real, ou seja, não ha restrições qualquer tempo de resposta. 1.5 Para os seguintes conceitos, preencha as células da tabela de taxonomia com os descritores para possíveis eventos. Estime os tempos para os eventos periódicos (a) Controle de elevador: este sistema controla todos os aspectos de um conjunto elevadores que serve a um predio de 40 andares no centro de São Paulo. (b) Controle Automotivo: este sistema para evitar colisões on-board usa dados de uma variedade de sensores e toma decisões e afeta comportamentos para evitar colisões ou proteger os ocupantes num evento de colisão iminente. O sistema pode ter a necessidade de tomar o comando do automóvel do motorista. 1.6 Para o sistema do exercício 1.2 quais seriam os tempos de resposta razoáveis para todos os eventos? 1.7 Para os sistemas exemplo apresentados no capitulo, enumere alguns eventos possíveis e marque se eles são periódicos, esporádico, assíncronos. Discuta tempos de resposta razoáveis para os eventos.