Hệ thống thông tin trong công nghiệp - Chương 3 ppt

© 2004, HOÀNG MINH SƠN Chương 1 Hệ thống thông tin công nghiệp 08.01.07 Chương 3: Vấn ₫ề thời gian thực 2 © 2004, HOÀNG MINH SƠN Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS Chương 3: Nội dung 1. Khái niệm “hệ thời gian thực” 2. Xử lý thời gian thực 3. Hệ điều hành thời gian thực 4. Giao tiếp thời gian thực 5. Lập trình thời gian thực 3 © 2004, HOÀNG MINH SƠN Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS 3.1 Hệ thời gian thực là gì? “A real-time system is one in which the correctness of the system depends not only on the logical results, but also on the time at which the results are produced, ” Một hệ thời gian thực là một hệ thống mà sự hoạt ₫ộng tin cậy của nó không chỉ phụ thuộc vào sự chính xác của kết quả, mà còn phụ thuộc vào thời ₫iểm ₫ưa ra kết quả ₫ể phản ứng với sự kiện bên ngoài. Hệ thống có lỗi khi thời gian yêu cầu không ₫ược thoả mãn. JOHN A. STANKOVIC ET AL.: Strategic Directions in Real-Time and Embedded Systems. ACM Computing Surveys, Vol. 28, No. 4, December 1996 Thời gian thực không phải là thời gian tuyệt đối Tính năng thờigian thực không đồng nghĩa với tốc độ tính toán rất nhanh Tính năng thời gian thực = tính chính xác + tính kịp thời 4 © 2004, HOÀNG MINH SƠN Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS Các dạng của “tính kịp thời” Thời gian Sự kiện Phản ứng t s t p T a) Chính xác tại (t = t p ) Thời gian Sự kiện Phản ứng t s t p2 T b) Trong khoảng (t p2 ≤ t ≤ t p2 ) Thời gian Sự kiện Phản ứng t s t p T c) Chậm nhất là (t ≥ t p ) t p1 Thời gian Sự kiện Phản ứng t s t p T d) Sớm nhất là (t ≥ t p ) 5 © 2004, HOÀNG MINH SƠN Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS HT ₫iều khiển có phải là hệ TGT? Mỗi hệ thống điều khiển là một hệ thời gian thực Chất lượng điều khiển không chỉ phụ thuộc vào thuật toán điều khiển, mà còn phụ thuộc vào khả năng phản ứng của hệ thống, thời điểm đọc tín hiệu đầu vào (tín hiệu đo), vào thời gian tính toán luật điều khiển và thời điểm đưa ra tín hiệu điều khiển Tính năng thời gian thực của một HTĐK phụ thuộc cả vào phần cứng và phần mềm và vào kiến trúc hệ thống  Phần cứng: Tốc độ tính toán của vi xử lý, tốc độ chuyển đổi DA/AD, cơ chế vào/ra, chậm trễ trong các thiết bị  Phần mềm: Thuật toán điều khiển, phương pháp lập trình, tổ chức thực hiện chương trình Tính năng TGT của một HTĐK liên quan tới tính mạng con người Phần lớn các hệ thời gian thực là các hệ thống điều khiển 6 © 2004, HOÀNG MINH SƠN Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS Hai dạng hệ thống TGT tiêu biểu 1. Hệ thống nhúng (Embedded Systems) — Các hệ thống điềukhiển chuyên dụng, đặc chủng cho các thiếtbị, máy móc đơn lẻ — Máy tính điềukhiểnlàmột phần không tách rờicủa thiếtbịđược điềukhiển — Dựa trên nềnvi xử lý, nhân thời gian thực, hệđiềuhành thời gian thực — Ví dụứng dụng: công nghiệp hàng không-vũ trụ, robot công nghiệp, phương tiện giao thông, 2. Hệ thống điềukhiển công nghiệp (Industrial Control Systems) — Distributed Control Systems (DCS), Programmable Logic Controllers (PLC), Soft-PLCs — Các hệ thống điềukhiểnphân cấp, phân tán — Ứng dụng trong CN chế biến, CN chế tạo 7 © 2004, HOÀNG MINH SƠN Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS Chiếcxehơicólàmộthệ TGT? Hơn 50 máy vi tính bên trong (μP) nốimạng Chúng ta có nên tìm hiểu nguyên lý hoạt động của chúng? 8 © 2004, HOÀNG MINH SƠN Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS Bus trường có phải là một hệ TGT? Sensor I/O Controller I/O Actuator Sensor I/O Actuator I/O Bus trường T sd T in T out T ad T c T s T io T a T bus 9 © 2004, HOÀNG MINH SƠN Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS Tính năng thời gian thực là yêu cầu chung của hầu hết các hệ thống thông tin công nghiệp! 10 © 2004, HOÀNG MINH SƠN Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS Đặc ₫iểm của mộthệ thời gian thực  Tính phản ứng:Hệ thống phải phản ứng với các sự kiện xuất hiện vào các thời điểm không biết trước.  Tính nhanh nhạy:Hệ thống phải xử lý thông tin một cách nhanh chóng để có thể đưa ra kết quả phản ứng một cách kịp thời.  Tính ₫ồng thời:Hệ thống phải có khả năng phản ứng và xử lý đồng thời nhiều sự kiện diễn ra.  Tính tiền ₫ịnh:Dự đoán trước được thời gian phản ứng tiêu biểu, thời gian phản ứng chậm nhất cũng như trình tự đưa ra các phản ứng. [...]... (tính tiền ₫ịnh) Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS 11 Tại sao phải nghiên cứu về xử lý TGT? © 2004, HOÀNG MINH SƠN Xử lý thời gian thực là nguyên lý làm việc cơ bản của mỗi hệ thống điều khiển và của mỗi hệ thống thông tin công nghiệp, nhìn từ quan điểm tin học Chất lượng điều khiển và độ tin cậy của hệ thống điều khiển không chỉ phụ thuộc vào thuật toán ₫iều khiển, công nghệ phần cứng, mà... ngắt thời gian © 2005 - HMS 15 Phân loại tác vụ (IEC 61 13 1 -3 ) Chờ tới chu kỳ Thời gian Mã thực thi Mã thực thi Chờ sự kiện Sự kiện Mã thực thi © 2004, HOÀNG MINH SƠN Tác vụ mặc định Tác vụ tuần hoàn Tác vụ sự kiện Ví dụ: - Điều khiển logic - Kiểm tra lỗi Ví dụ: - Điều chỉnh vòng kín - Xử lý truyền thông Ví dụ: - Điều khiển trình tự - Xử lý sự cố Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS 16 Các hình... khiển) Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS 34 Hỏi tuần tự (Polling, Scanning) — — — — Một trạm đóng vai trò Master Cơ chế hỏi/đáp tuần tự theo trình tự đặt trước Đơn giản, tiền định Áp dụng cho trao đổi dữ liệu tuần hoàn Master Slave1 Slave2 Slave3 Message1 Response1 © 2004, HOÀNG MINH SƠN Message2 Response2 Chương 3: Vấn đề thời gian thực Message3 Response3 © 2005 - HMS 35 Tay đôi (Peer-To-Peer)... vụ độc lập với chương trình điều khiển -> giải pháp PLC và DCS Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS 24 Cấu trúc tiêu biểu của một hệ ₫iều hành thời gian thực CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG GIAO DIỆN LẬP TRÌNH ỨNG DỤNG QUẢN LÝ BỘ NHỚ QUẢN LÝ TASK QUẢN LÝ VÀO/RA XỬ LÝ GIAO TIẾP QUẢN LÝ SỰ KIỆN © 2004, HOÀNG MINH SƠN GIAO DIỆN PHẦN CỨNG Chương 3: Vấn đề thời... động tạo hiệu quả cao nhất A A A © 2004, HOÀNG MINH SƠN A Ví dụ: A Các hệ thống xây dựng theo công nghệ Agent, Multi-Agent Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS 33 Các cơ chế giao tiếp Dữ liệu toàn cục (Global Data) © 2004, HOÀNG MINH SƠN — Giống như một vùng nhớ chung — Mỗi trạm đều chứa một ảnh của bảng dữ liệu toàn cục, trong đó có toàn bộ dữ liệu cần trao đổi của tất cả các trạm khác — Mỗi... thực Hệ điều hành thời gian thực là một hệ điều hành hỗ trợ các chương trình ứng dụng xử lý thời gian thực Hầu hết các bộ điều khiển công nghiệp (PLC, DCS, ) đều hoạt động trên nền một hệ điều hành thời gian thực (RTOS, Real-time Operating System) Bản thân hệ điều hành thời gian thực cũng là một hệ thời gian thực Một hệ điều hành thời gian thực bao giờ cũng là một hệ đa nhiệm (multitasking), hỗ trợ xử... thời gian thực của hệ thống — Cần sự thỏa hiệp giữa tính năng thời gian thực và hiệu suất sử dụng tài nguyên máy tính © 2004, HOÀNG MINH SƠN Cơ chế lập lịch — Lập lệnh tĩnh: thứ tự thực hiện các tác vụ được xác định trước khi hệ thống đi vào hoạt động — Lập lệnh động: thứ tự thực hiện các tác vụ được xác định trong khi hệ thống đang hoạt động Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS 19 Phương pháp... bus? Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS 27 Ví dụ minh họa: Hệ ĐK qua mạng Không đồng bộ trong các chu kỳ hoạt động của các thiết bị Controller Đặc tính khác nhau của các chệ bus T Thời gian trễ bất định Chù kỳ trích mẫu biến thiên Tbus Tin © 2004, HOÀNG MINH SƠN I/O Tout Bus trường I/O Tio Tad Tsd Sensor I/O I/O Sensor Chương 3: Vấn đề thời gian thực Ts Ta Actuator Actuator © 2005 - HMS... thực PHẦN CỨNG MÁY TÍNH © 2005 - HMS 25 Ví dụ phát triển: MicroC/OS-II CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG MÃ XỬ LÝ ĐỘC LẬP CẤU HÌNH µC/OS-II OS_CORE.C OS_FLAG.C OS_CFG.H OS_MBOX.C INCLUDE.H OS_MEM.C OS_TASK.C OS_TIME.C uCOS_II.C uCOS_II.H © 2004, HOÀNG MINH SƠN CHUYỂN MÃ µC/OS-II OS_CPU.H OS_CPU_A ASM PHẦN MỀM OS_CPU_C.C CPU Chương 3: Vấn đề thời gian thực TIMER PHẦN CỨNG © 2005 - HMS 26 3. 4 Giao tiếp thời gian thực... một chương trình => sử dụng an toàn hơn nhưng giao tiếp giữa các process phức tạp — Tiến trình nhẹ cân (lightweight process, thread): Thường thuộc một process, các thread của một process cùng chia sẻ một không gian địa chỉ => giao tiếp đơn giản thông qua các biến toàn cục, nhưng cần thận trọng Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS 21 © 2004, HOÀNG MINH SƠN 3. 3 Hệ ₫iều hành thời gian thực Hệ điều . HOÀNG MINH SƠN Chương 1 Hệ thống thông tin công nghiệp 08.01.07 Chương 3: Vấn ₫ề thời gian thực 2 © 2004, HOÀNG MINH SƠN Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS Chương 3: Nội dung 1. . gian thực, hệ iềuhành thời gian thực — Ví dụứng dụng: công nghiệp hàng không-vũ trụ, robot công nghiệp, phương tiện giao thông, 2. Hệ thống điềukhiển công nghiệp (Industrial. SƠN Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS Tính năng thời gian thực là yêu cầu chung của hầu hết các hệ thống thông tin công nghiệp! 10 © 2004, HOÀNG MINH SƠN Chương 3: Vấn đề thời