R-TOOL: UMA FERRAMENTA PARA ANÁLISE DE ESCALONABILIDADE DE MENSAGENS EM UMA REDE TIPO P-NET

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1 R-TOOL: UMA FERRAMENTA PARA ANÁLISE DE ESCALONABILIDADE DE MENSAGENS EM UMA REDE TIPO P-NET A. Dequech M.Santos K. Fonseca L. Scandelari Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná CEFET-PR Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial CPGEI Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Tecnologia em Telecomunicações CPDTT Avenida Sete de Setembro, Curitiba Paraná - Brasil RESUMO P-NET é um padrão de barramento industrial que permite a interconexão de controladores de processos, sensores e atuadores em ambientes industriais, além da coleta de dados e configuração de nós e sensores. Vários trabalhos já abordaram o tema de análise de escalonabilidade tempo-real em redes P-NET (TOVAR, et al, 1999a), (TOVAR, et al, 1999b) (TOVAR, 1998) (TOVAR; VASQUES, 1998), entretanto, esta análise se torna uma tarefa manual extremamente complexa e passível de erros quando envolve muitas mensagens. Este trabalho apresenta uma Ferramenta para Análise de Escalonabilidade de mensagens em redes P-NET para atender a demanda de análises automatizadas. São apresentados os resultados da implementação e uso da ferramenta proposta e uma comparação em termos de uso e aplicações com a ferramenta desenvolvida por YANAGA, FONSECA (2001), baseada em uma nova arquitetura proposta por TOVAR, et al (1999a) para o P-NET. 1 INTRODUÇÃO Sistemas tempo-real são definidos como sistemas onde a sua exatidão não depende somente dos resultados lógicos, mas também do tempo em que estes resultados levam para serem alcançados (STANKOVIC;RAMAMRITHAM, 1988). A análise de escalonabilidade destes sistemas permite verificar a priori o atendimento ou não de restrições temporais especificadas em projeto. No entanto, esta análise pode ser uma tarefa extremamente complexa e passível de erros e, dependendo do número de mensagens e nós, praticamente impossível. Este fato motiva a busca para automatização dos processos necessários para este tipo de análise.

2 Redes Fieldbus são sistemas de comunicação dedicados à interconexão de controladores de processos, sensores e atuadores, nos menores níveis da hierarquia da automação, onde o respeito a restrições de tempo é freqüentemente um requisito obrigatório (TOVAR; VASQUES, 1998). Um exemplo de rede Fieldbus é a rede P-NET. Em redes P-NET, o barramento é compartilhado por um conjunto de nós, implicando assim na existência de uma disputa de acesso ao meio. Considerando o modelo de arquitetura OSI/ISO, a camada responsável pelo controle desta disputa é a camada MAC (Medium Access Control). Esta camada em redes P-NET adota o esquema FCFS (First-Come-First-Serve) para uso do barramento. Este esquema não leva em consideração as restrições de tempo individuais das mensagens e conseqüentemente as penaliza em termos do seu pior caso de tempo de resposta (WCRT), ou seja, o intervalo de tempo desde o momento em que é colocada na fila de envio até a sua chegada ao seu usuário consumidor (TOVAR, et al, 1999a). Em TOVAR,et al (1999a) uma nova arquitetura para redes P-NET baseada em esquema de prioridades locais é proposta, substituindo assim o esquema FCFS. A ferramenta proposta por YANAGA; FONSECA (2001), doravante denominada Y-TOOL, permite a análise de escalonabilidade de mensagens em redes P-NET para esta arquitetura. A ferramenta aqui apresentada, doravante denominada R-TOOL diferencia-se da Y-TOOL, por abranger o esquema tradicional de escalonamento de mensagens, o FCFS, bem como considerar a taxa de utilização atual do token, ao invés de sempre considerar o pior caso no tempo de rotação do token. As próximas seções são organizadas como citado a seguir: na seção 2 descreve-se o funcionamento da camada MAC em redes P-NET, a seção 3 abrange as análises de escalonabilidade de mensagens Worst-Case Response-Time (WCRT) apresentadas em TOVAR, et al (1999a) e em TOVAR, et al (1998). A descrição da ferramenta proposta compõe a seção 4 enquanto a seção 5 descreve a nova arquitetura das redes P-NET, baseado em um mecanismo de prioridade local, proposta por TOVAR,et al (1999b). A seção 6 trata da comparação entre a ferramenta proposta com a ferramenta apresentada por YANAGA; FONSECA (2001). Na seção 7 são apresentadas as conclusões e a bibliografia consultada.

3 2 PROTOCOLO DE CONTROLE DE ACESSO AO MEIO O P-NET é um padrão multi-master baseado em um protocolo de passagem de token, porém, sem a transmissão explícita de tokens entre os masters, onde um master envia uma requisição a um slave e este retorna uma resposta imediatamente. Ao invés da passagem explícita de um tokem entre os masters, cada master possui informações suficientes para determinar se possui ou não o direito de acesso ao meio de transmissão. Esse esquema é conhecido como Virtual Token Passing (VTP). O número máximo de masters em um barramento P-NET é de 32. O padrão P-NET possui taxa de transmissão de bps. Esta é a maior taxa de transmissão possível de ser alcançada, levando em consideração as restrições práticas impostas pela velocidade dos microprocessadores, das UARTS e o comprimento dos cabos da rede.(cenelec, 1996) Figura 1: Exemplo da Passagem Virtual do Token Em uma rede P-NET cada master possui um endereço único, além de ter o conhecimento do total de masters existentes no barramento, permitindo assim a sincronização da localização do token no protocolo. O esquema VTP é implementado com a utilização de dois contadores. O primeiro, Access Counter (AC), armazena o endereço do master que possui o direito de acesso ao barramento. Se o barramento permanecer ocioso por 40 períodos de bit (520µs a uma taxa de

4 76800bps) após o término da resposta do slave à requisição de um master, cada um dos ACs de todos os masters serão incrementados em uma unidade. Então, o master que possuir endereço igual ao valor de AC passa a ter o direito de transmissão sobre o barramento. Quando o AC é incrementado e ultrapassa o número total de masters existentes na rede, o valor de AC passa a ser 1. O segundo contador, o Idle Bus Bit Period Counter (IBBPC), é incrementado a cada período de bit que o barramento permanecer inativo. Sendo o barramento utilizado, o contador é zerado. Como citado anteriormente, quando o barramento permanece ocioso por 40 períodos de bit após a resposta de um slave, todos ACs são incrementados em um, permitindo assim o acesso do próximo master ao barramento. Mas se o master não tiver o que transmitir (ou mesmo não estiver presente), o barramento continuará inativo. Então, após um período de 130µs (10 períodos de bit), o IBBPC alcançará 50, 60, 70..., e todos ACs serão novamente incrementados, permitindo o próximo master acessar o barramento. A passagem do tokem virtual continuará a cada 130µs, até que algum master solicite acesso ao barramento (TOVAR, et al, 1999a). visita do token. O padrão P-NET também define que cada master pode enviar somente uma mensagem por Um slave pode acessar o barramento entre 11 e 30 períodos de bit após o recebimento de uma requisição, medido a partir do último bit do último byte do frame recebido. Logo, o atraso máximo permitido é de 390µs (que corresponde a 30 períodos de bit). Se o valor do IBBPC for maior ou igual a 360, o master que possui o token envia um sinal de sincronismo chamado sync. O sync é um byte que contém o endereço do master que possui o token. Todos os contadores IBBPC serão zerados, ocorrendo assim a sincronização dos contadores ACs. A Figura 1 demonstra o esquema VTP. 3 ANÁLISE DE ESCALONABILIDADE O pior caso de tempo de resposta (Worst-Case Response Time - WCRT) de uma mensagem é o tempo medido a partir do instante em que a mensagem é inserida em uma fila de saída, até o

5 momento em que a resposta da mensagem enviada é completamente recebida. Basicamente este tempo é composto pelo tempo gasto na fila de saída e o tempo de envio da mensagem e recebimento de sua resposta (tempo de transmissão). Em TOVAR, et al, (1999), analisam o comportamento da camada MAC do P-NET e propõem uma análise WCRT para as mensagens P-NET. Esta análise é baseada no conhecimento do tempo máximo de rotação do token. Porém, esta análise é imprecisa e pessimista pois considera sempre o pior tempo de rotação do token para cada um dos masters da rede. Então, (TOVAR, et al, 1998) melhora a análise considerando a utilização atual do token, ao invés de sempre considerar o pior tempo de rotação do token. É com base nesta análise que a Ferramenta para Análise de Escalonabilidade proposta no trabalho será desenvolvida. Figura 2: Arquitetura do P-NET Ambos estudos mostram que a camada MAC do P-NET penaliza o WCRT das mensagens devido à política FCFS para mensagens pendentes. A Figura 2 apresenta um diagrama de componentes da arquitetura P-NET aqui citados. 4 FERRAMENTA PROPOSTA Uma análise de escalonabilidade é de extrema importância no desenvolvimento de aplicações de controle industrial com restrições temporais a serem atendidas com garantia. Um grande conjunto de mensagens implica em alta complexidade para solução dos modelos analíticos como os apresentados em TOVAR, et al, (1999a), (TOVAR, et al, (1999b), TOVAR, et al, (1998) (TOVAR ; VASQUES, 1998). A R-TOOL é uma automatização para solução destes modelos de

6 análise de escalonabilidade para Redes P-NET. A interface principal da ferramenta proposta é mostrada na Figura 3. Figura 3: Interface da Ferramenta R-TOOL A R-TOOL foi desenvolvida de acordo com a análise em TOVAR, et al, (1998), a qual resulta no WCRT das mensagens considerando sempre a utilização atual do token, ao invés de considerar o pior tempo de rotação do token para cada um dos masters como apresentado em TOVAR et al, (1999b). A ferramenta suporta até 32 masters (que é o número máximo permitido pelo padrão P- NET), e um número ilimitado de mensagens para cada master. Os parâmetros necessários para as mensagens são carga, período e deadline. A carga de uma mensagem indica o total de bytes utilizados para a transmissão tanto do frame de requisição quanto do frame de resposta. A R-TOOL converte os bytes de uma mensagem em bits como requerido pelo padrão P-NET - o qual 1 byte corresponde a 11 bits. Já os parâmetros período e deadline são definidos em ms e são freqüentemente utilizados nas análises de sistemas em tempo real como TOVAR, et al, (1998), O desenvolvimento da ferramenta foi Java. Esta escolha foi determinada pelo fato de que a ferramenta desenvolvida por YANAGA; FONSECA (2001) também foi desenvolvida em Java,

7 podendo ocorrer assim, como trabalho futuro, a integração entre as análises realizadas por cada uma das ferramentas em uma única aplicação. 5 UMA NOVA ARQUITETURA PARA O P-NET Em TOVAR, et al, (1999b), TOVAR, et al, (1998), mostram que o WCRT das mensagens é penalizado pela política FCFS adotada pelo P-NET para o tratamento de mensagens pendentes. Para solucionar esse problema imposto pelo esquema FCFS, é proposto em TOVAR, et al, (1999a) um modelo para adicionar um mecanismo baseado em prioridade local. Esse mecanismo deve ser implementado na camada de aplicação de cada um dos masters para se preservar a compatibilidade com o padrão P-NET. A Figura 3 mostra a arquitetura proposta. A fila ordenada por prioridade é implementada na camada de aplicação dos masters e a fila de saída na pilha de comunicação é composta por somente uma mensagem. Figura 4: Arquitetura proposta por TOVAR, et al, (1999a) Cada mensagem gerada pela camada de aplicação é inserida na fila ordenada. Todo o momento que a fila na pilha de comunicação é esvaziada, uma mensagem da fila ordenada é inserida na fila da pilha de comunicação. Embora vários esquemas de prioridade fixa pudessem ter sido utilizados, o esquema deadline monotonic (DM) para prioridade fixa foi escolhido em TOVAR, et al, (1999a). Esta arquitetura é mostrada na Figura 4 para a qual a ferramenta Y-TOOL YANAGA; FONSECA (2001) foi desenvolvida para automatizar a análise de escalonabilidade de mensagens.

8 6 COMPARAÇÃO ENTRE AS FERRAMENTAS A principal diferença entre a R-TOOL e a Y-TOOL (YANAGA; FONSECA, 2001) está no tipo de implementação de rede P-NET (determinado pela arquitetura adotada) para a qual a ferramenta faz a análise de escalonabilidade. A R-TOOL faz a análise apresentada em TOVAR, et al, (1998), onde o modelo considera a camada MAC implementando o esquema de FCFS para transmissão das mensagens (arquitetura original da P-NET). Já a Y-TOOL baseia-se na análise apresentada em TOVAR, et al, (1999a), a qual é adicionada a arquitetura original da P-NET, um mecanismo baseado em prioridades locais. Assim sendo, os resultados apresentados pela R-TOOL podem ser diretamente utilizados por aqueles que utilizam a arquitetura padrão das redes P-NET comerciais. Uma comparação de resultados de ambas as ferramentas para um mesmo conjunto de mensagens permitiria ao projetista optar pela arquitetura tradicional do P-NET ou por uma implementação da arquitetura modificada. Outra diferença está nos parâmetros requeridos por cada ferramenta para a execução da análise de escalonabilidade. Os parâmetros que devem ser fornecidos pelo usuário na R-TOOL são as características das mensagens de cada master da rede: o nome da mensagem, a carga, o período e o deadline. Um exemplo para estes valores é apresentado na Tabela 1. O valor da carga em geral dado em bytes indica o total de bytes utilizados para a transmissão tanto do frame de requisição quanto do frame de resposta de uma mensagem. Na tabela o valor da carga é transformado em unidades de tempo. Cada byte da carga em uma rede P-NET corresponde a 11 bits, a estes acrescentam-se o tempo de reação do master (master Reaction Time - 7 bits), o tempo de permanência do escravo (Slave s turnaround time - 30 bits) e o tempo para passar o token após um ciclo de mensagem ter transcorrido (40 bits). Para o exemplo da tabela 1, 67 bytes equivalem a 10,58ms a bps, ou seja, (67x11) bits e cada bit a taxa de 76800bps equivale a 13 µs, tal que 814x13µ=10,58ms. Os valores do período e deadline já estão em milisegundos Em YANAGA; FONSECA (2001), a entrada de dados requer, além dos parâmetros citados acima, a prioridade das mensagens e o valor de jitter. Este último parâmetro nem sempre pode ser obtido trivialmente. A ordem em que aparecem as mensagens (da esquerda para a direita) é da maior prioridade para a menor.

9 Máster Mensagens (Carga =67 bytes; Período; Deadline) Velocidade necessária Pior tempo de resposta conclusão Master 1 3 (10,58; 14; (10,58; 20; (10,58; 20; 460,82 kbps 95,78 ms >D 14) 20) 20) Master 2 1 (10,58; 12; 12) 264,97 kbps 42,39 ms >D Master 3 3 (10,58; 14; 14) (10,58; 20; 20) (10,58; 20; 20) 460,82 kbps 95,78 ms >D Master 4 2 (10,58; 14; 14) (10,58; 20; 20) 230,41 kbps 74,32 ms >D Tabela 1: Resultado da análise através das ferramentas R-TOOL e Y-TOOL A apresentação dos resultados também difere: YANAGA; FONSECA (2001) apresenta o valor necessário da velocidade de uma rede P-NET para que o conjunto de mensagens de um master seja escalonável, enquanto R-TOOL apresenta o pior tempo de resposta das mensagens de um determinado master, levando-se em consideração as mensagens dos demais masters da rede. Acreditamos ser esta apresentação mais interessante quando se deseja saber se há ou não violação de atendimento de restrições temporais basta somente comparar o resultado de WCRT com o deadline da mensagem. A Tabela 2 apresenta um exemplo de uso de ambas as ferramentas citadas para um conjunto escalonável de mensagens. Master Mensagens (Carga; Período; Deadline) Velocidade necessária Pior tempo conclusão de resposta Master 2 (13,87; 90, 90) (13,87; 90, 90) 58,34 kbps 85,05 ms <D 1 Master 1 (13,87; 80, 80) 65,12 kbps 52,99 ms <D 2 Master 2 (13,87; 90, 90) (13,87; 90, 90) 58,14 kbps 85,05 ms <D 3 Master 2 (13,87; 90, 90) (13,87; 90, 90) 58,08 kbps 85,05 ms <D 4 Master 1 (13,87; 90, 90) (13,87; 90, 90) 65,12 kbps 52,99 ms <D 5 Tabela 2: Resultado da análise através das ferramentas R-TOOL e Y-TOOL

10 7 CONCLUSÃO Este artigo apresenta a ferramenta R-TOOL desenvolvida em Java, com o objetivo de auxiliar a análise de escalonabilidade de um conjunto de mensagens em uma rede P-NET na forma usual de sua aplicação comercial. A ferramenta apresenta a solução do modelo de análise apresentado em TOVAR et, al, (1998). O artigo apresenta ainda uma comparação entre a R-TOOL e a ferramenta Y-TOOL descrita em YANAGA; FONSECA (2001). O desenvolvimento da R- TOOL se fez de forma a ser integrável às demais ferramentas já desenvolvidas no CPGEI (YANAGA; FONSECA, 2001) (CARREIRO, 2000) (CARREIRO; FONSECA, 2001) e deve ser estendida para abranger outros soluções de modelos analíticos para análise de escalonabilidade de mensagens, sejam estes para redes P-NET ou outros tipos de redes tipo Fieldbus. A utilização da R- TOOL pretende reduzir o tempo e minimizar erros quando da solução de modelos analíticos para análise de escalonabilidade de mensagens, através da automatização da solução de diversos modelos. O uso desta ferramenta torna também transparente o processo de solução dos modelos e permite o uso da mesma por usuários não familiarizados com a teoria de análise de escalonabilidade de sistemas de comunicação tempo-real. Embora Yanaga faz uma ressalva quanto ao uso de Java em sistemas em tempo real, ele justifica seu uso devido à relativa abundância de Java Virtual Machines (JVM) para uma grande quantidade de plataformas. Embora a utilização de Java em sistemas em tempo real é ainda um ponto que deve ser analisado, justifica-se a sua escolha devido a portabilidade oferecida pela linguagem,uma vez que as redes P-NET podem ser compostas por uma grande variedade de dispositivos, incluindo PCs rodando Windows ou Unix. 8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS TOVAR, E., VASQUES, F., BURNS A. Adding Local Priority-Based Dispatching Mechanisms to P-NET Networks: A Fixed Priority Approach. Proceedings of the 11 th Euromicro Conference on Real-Time Systems. Páginas YANAGA, E, FONSECA, K:. A P-NET Schedulability Analysis Tool. Anais do III Workshop de Tempo Real - WTR. 2001, SBRC 2001, Florianópolis-SC STANKOVIC, J., RAMAMRITHAM, K. Tutorial: Hard Real-Time Systems IEEE, 1988, pag

11 CENELEC General Purpose Field Communication System. Vol. 1/3 (P-NET). CENELEC TOVAR,E, VASQUES, F. BURNS. A. Supporting Real-Time Distributed Computer Controlled Systems with Multihop P-NET Networks. Control Engineering Practice. Setembro, TOVAR,E, VASQUES, F. BURNS. A. Communication Response Time in P-NET Networks: Worst-Case Analysis Considering the Actual Token Utilization. Journal of Real-Time Systems. Dezembro, TOVAR,E, VASQUES, F Scheduling Real-Time Communications with P-NET. Digest 98/306 of the IEEE Colloquium on Real-Time Systems. York, England. Abril, CARREIRO F. B., Proposta de uma Ferramenta para Análise de Escalonabilidade de sistemas Tempo-real., Dissertação de Mestrado Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná, Curitiba, Abril CARREIRO F. B., FONSECA, K.: Uma Ferramenta para Análise de garantia de comunicação tempo-real em redes Fieldbus, Anais do III Workshop de Tempo Real - WTR. 2001, SBRC 2001, Florianópolis-SC