xử lý thời gian thực và xử lý phân tán

© 2004, HOÀNG MINH SƠN Chương Hệ thống ₫iều khiển phân tán Chương 7: Xử lý thời gian thực xử lý phân tán 13.09.06 Chương 7: Nội dung © 2004, HOÀNG MINH SƠN 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 Khái niệm “thời gian thực” Hệ điều hành thời gian thực Khái niệm “xử lý phân tán” Các kiến trúc xử lý phân tán Các chế giao tiếp hệ phân tán Chương 7: Xử lý thời gian thực xử lý phân tán © 2005 - HMS 7.1 Khái niệm thời gian thực Tại cần nghiên cứu xử lý thời gian thực Xử lý thời gian thực nguyên lý làm việc điều khiển, nhìn từ quan điểm tin học ƒ Chất lượng điều khiển độ tin cậy hệ thống điều khiển không phụ thuộc vào thuật toán điều khiển, công nghệ phần cứng, mà phụ thuộc cách tất yếu vào phương pháp xử lý thời gian thực ƒ Chúng ta biết chế thực chức bên điều khiển (số) © 2004, HOÀNG MINH SƠN ƒ ƒ Chúng ta biết tương đối chế giao tiếp thành phần mềm hệ thống điều khiển phân tán Chương 7: Xử lý thời gian thực xử lý phân tán © 2005 - HMS Hệ thời gian thực 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 © 2004, HOÀNG MINH SƠN JOHN A STANKOVIC ET AL.: Strategic Directions in Real-Time and Embedded Systems ACM Computing Surveys, Vol 28, No 4, December 1996 Mỗi hệ thống điều khiển hệ thời gian thực Phần lớn hệ thời gian thực hệ thống điều khiển Chương 7: Xử lý thời gian thực xử lý phân tán © 2005 - HMS Vấn ₫ề thời gian hệ ĐK qua mạng Controller Tc Tin © 2004, HOÀNG MINH SƠN I/O Tout Bus trường I/O I/O I/O Ta Ts Sensor Sensor Chương 7: Xử lý thời gian thực xử lý phân tán Actuator Sensor © 2005 - HMS Chiếc xe có hệ thời gian thực? © 2004, HOÀNG MINH SƠN Hơn 30 máy vi tính bên (µP) nối mạng Chúng ta có nên tìm hiểu nguyên lý hoạt động chúng? Chương 7: Xử lý thời gian thực xử lý phân tán © 2005 - HMS Nội dung liên ngành Hệ thời gian thực © 2004, HOÀNG MINH SƠN Kỹ thuật điều khiển Khoa học máy tính Hệ điều khiển phân tán Công nghệ truyền thông Mạng truyền thông công nghiệp Chương 7: Xử lý thời gian thực xử lý phân tán Hệ phân tán © 2005 - HMS Một hệ thời gian thực có ₫ặc ₫iểm: ƒ Tính phản ứng: Hệ thống phải phản ứng với kiện xuất vào thời điểm trước ƒ Tính nhanh nhạy: Hệ thống phải xử lý thông tin cách nhanh chóng để đưa kết phản ứng cách kịp thời © 2004, HOÀNG MINH SƠN ƒ Tính đồng thời: Hệ thống phải có khả phản ứng xử lý đồng thời nhiều kiện diễn ƒ Tính tiền định: Dự đoán trước thời gian phản ứng tiêu biểu, thời gian phản ứng chậm trình tự đưa phản ứng Chương 7: Xử lý thời gian thực xử lý phân tán © 2005 - HMS Xử lý thời gian thực gì? Xử lý thời gian thực hình thức xử lý thông tin hệ thống để đảm bảo tính thời gian thực © 2004, HOÀNG MINH SƠN Luôn liên quan với kiện bên (tính phản ứng) Yêu cầu cao hiệu suất phần mềm (tính nhanh nhạy) Đòi hỏi xử lý đồng thời nhiều tác vụ (tính đồng thời) Đòi hỏi sở lý thuyết chặt chẽ phục vụ phân tích đánh giá (tính tiền định) Chương 7: Xử lý thời gian thực xử lý phân tán © 2005 - HMS Khái niệm “tác vụ” (task) ƒ Một trình tính toán cho nhiệm vụ cụ thể, thực đồng thời, ví dụ: – – – – – Các tác vụ xử lý giá trị vào/ra Các tác vụ điều chỉnh Các tác vụ điều khiển logic Các tác vụ xử lý biến cố © 2004, HOÀNG MINH SƠN ƒ Một tác vụ thi hành chương trình phần chương trình – Một chương trình chạy nhiều lần => nhiều tác vụ – Một đoạn mã chương trình (ví dụ hàm) gọi tuần hoàn với chu kỳ khác => nhiều tác vụ khác ƒ Multitasking (đa nhiệm): khả thi hành đồng thời nhiều tác vụ Chương 7: Xử lý thời gian thực xử lý phân tán © 2005 - HMS 10 Xử lý cạnh tranh ƒ Các vấn đề: © 2004, HOÀNG MINH SƠN – Tổ chức, lập lịch phân chia tài nguyên cho tác vụ – Giao tiếp tác vụ – Đồng hóa tác vụ Chương 7: Xử lý thời gian thực xử lý phân tán © 2005 - HMS 13 7.2 Hệ ₫iều hành thời gian thực ƒ Hệ điều hành thời gian thực hệ điều hành hỗ trợ chương trình ứng dụng xử lý thời gian thực ƒ Hầu hết điều khiển công nghiệp (PLC, DCS, ) hoạt động hệ điều hành thời gian thực (RTOS, Real-time Operating System) © 2004, HOÀNG MINH SƠN ƒ Bản thân hệ điều hành thời gian thực hệ thời gian thực ƒ Một hệ điều hành thời gian thực hệ đa nhiệm (multitasking), hỗ trợ xử lý cạnh trạnh hoặc/và xử lý song song Chương 7: Xử lý thời gian thực xử lý phân tán © 2005 - HMS 14 Các nhiệm vụ hệ ₫iều hành thời gian thực ₫iều khiển ƒ Nạp chương trình, hỗ trợ thử nghiệm, gỡ rối chương trình ƒ Quản lý liệu vào/ra quản lý truyền thông – Giúp chương trình ứng dụng dễ dàng truy cập liệu mà không cần quan tâm tới chế phần cứng cụ thể © 2004, HOÀNG MINH SƠN ƒ Quản lý tác vụ: – Lập lịch: Phân chia thời gian CPU cho thi hành tác vụ khác (trong xử lý cạnh tranh) – Hỗ trợ đồng hóa trình: Giúp tác vụ chia sẻ tài nguyên sử dụng chung (bộ nhớ, cổng vào/ra, ) – Hỗ trợ giao tiếp liên trình: Giúp tác vụ thực giao tiếp, trao đổi liệu phối hợp hoạt động ƒ Các chức kiểm tra, chẩn đoán lỗi Chương 7: Xử lý thời gian thực xử lý phân tán © 2005 - HMS 15 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 PHẦN CỨNG MÁY TÍNH Chương 7: Xử lý thời gian thực xử lý phân tán © 2005 - HMS 16 Phương pháp lập lịch ƒ Cơ chế lập lịch – Lập lệnh tĩnh: thứ tự thực tác vụ xác định trước hệ thống vào hoạt động – Lập lệnh động: thứ tự thực tác vụ xác định hệ thống hoạt động ƒ Sách lược lập lịch – FIFO: đến trước thực trước – Mức ưu tiên cố định/động: tác vụ đặt mức ưu tiên cố định thay đổi cần – Preemptive: chen hàng, chọn tác vụ để thực trước tác vụ khác – Non-preemptive: không chen hàng, tác vụ thực bình thường dựa mức ưu tiên chúng © 2004, HOÀNG MINH SƠN ƒ Thuật toán lập lịch – Rate monotonic: thường xuyên ưu tiên – Deadline monotonic: gấp ưu tiên – Least laxity: tỷ lệ thời gian tính toán/thời hạn cuối (deadline) lớn ưu tiên Chương 7: Xử lý thời gian thực xử lý phân tán © 2005 - HMS 17 7.3 Khái niệm xử lý phân tán ƒ Xử lý phân tán hình thức xử lý thông tin tất yếu hệ thống phân tán nói chung hệ thống điều khiển phân tán nói riêng ƒ Xử lý phân tán giúp nâng cao lực xử lý thông tin hệ thống, góp phần cải thiện tính thời gian thực, nâng cao độ tin cậy tính linh hoạt hệ thống © 2004, HOÀNG MINH SƠN ƒ Phân biệt khái niệm: – – – – – Xử lý cục => ứng dụng đơn độc Xử lý cạnh tranh => ứng dụng đa nhiệm Xử lý tập trung => ứng dụng tập trung Xử lý nối mạng => ứng dụng mạng (giao tiếp hiện) Xử lý phân tán => ứng dụng phân tán (giao tiếp ngầm) Chương 7: Xử lý thời gian thực xử lý phân tán © 2005 - HMS 18 Giao tiếp ngầm Ù Giao tiếp B A Hệ thống truyền thông ƒ Giao tiếp (explicit communication): – Hoạt động giao tiếp coi chức riêng – Sử dụng dịch vụ giao tiếp (ví dụ lập trình) cần biết rõ hệ thống truyền thông (kiến trúc giao thức) A B © 2004, HOÀNG MINH SƠN Hệ thống truyền thông ‰ Giao tiếp ngầm (implicit communication): – Hoạt động giao tiếp thực ngầm cần thiết – Sử dụng dịch vụ giao tiếp (ví dụ lập trình) cần biết rõ hệ thống truyền thông (kiến trúc giao thức) Chương 7: Xử lý thời gian thực xử lý phân tán © 2005 - HMS 19 7.4 Các kiến trúc xử lý phân tán ƒ Kiến trúc Master/Slave – – – – Chức xử lý thông tin phân chia nhiều trạm tớ Một trạm chủ phối hợp hoạt động nhiều trạm tớ Các trạm tớ có vai trò, nhiệm vụ tương tự Các trạm tớ giao tiếp trực tiếp, không Ví dụ: Bộ điều khiển © 2004, HOÀNG MINH SƠN Master Slave Slave Slave Ví dụ: Các vào/ra phân tán, thiết bị trường Chương 7: Xử lý thời gian thực xử lý phân tán © 2005 - HMS 20 ƒ Kiến trúc Client/Server – Chức xử lý thông tin phân chia thành hai phần khác nhau, phần sử dụng chung cho nhiều toán thực server, phần riêng thực client – Giữa client không cần thiết có giao tiếp trực tiếp – Vai trò chủ động giao tiếp thuộc client Ví dụ: Các trạm vận hành © 2004, HOÀNG MINH SƠN Client Client Server Client Server Ví dụ: Các điều khiển trạm quản lý liệu Chương 7: Xử lý thời gian thực xử lý phân tán © 2005 - HMS 21 ƒ Kiến trúc bình đẳng – Các trạm có vai trò bình đẳng, phải phối hợp hoạt động, hình thức giao tiếp trực tiếp với không qua trung gian A A A © 2004, HOÀNG MINH SƠN A Ví dụ: A Các trạm điều khiển phân tán (kiến trúc PLC/DCS) thiết bị trường thông minh (kiến trúc FCS) Chương 7: Xử lý thời gian thực xử lý phân tán © 2005 - HMS 22 ƒ Kiến trúc tự trị – Các trạm có vai trò bình đẳng, hoạt động hoàn toàn độc lập phối hợp hoạt động tạo hiệu cao A A A © 2004, HOÀNG MINH SƠN A Ví dụ: A Các hệ thống xây dựng theo công nghệ Agent, Multi-Agent Chương 7: Xử lý thời gian thực xử lý phân tán © 2005 - HMS 23 7.5 Các chế giao tiếp hệ ĐKPT ƒ Dữ liệu toàn cục (Global Data) © 2004, HOÀNG MINH SƠN – Giống vùng nhớ chung – Mỗi trạm chứa ảnh bảng liệu toàn cục, có toàn liệu cần trao đổi tất trạm khác – Mỗi trạm gửi phần liệu tới tất trạm, trạm tự cập nhật ảnh bảng liệu toàn cục – Đơn giản, tiền định hiệu – Áp dụng cho lượng liệu nhỏ, tuần hoàn, thích hợp kiến trúc bình đẳng (ví dụ trạm điều khiển) Chương 7: Xử lý thời gian thực xử lý phân tán © 2005 - HMS 24 ƒ Hỏi (Polling, Scanning) – – – – Một trạm đóng vai trò Master Cơ chế hỏi/đáp theo trình tự đặt trước Đơn giản, tiền định, hiệu cao Áp dụng cho trao đổi liệu tuần hoàn, thích hợp kiến trúc Master/Slave Master Slave1 Slave2 Slave3 Message1 Response1 © 2004, HOÀNG MINH SƠN Message2 Response2 Message3 Response3 Chương 7: Xử lý thời gian thực xử lý phân tán © 2005 - HMS 25 ƒ Tay đôi (Peer-To-Peer) – Hình thức có liên kết không liên kết, cấu hình trước không cấu hình trước, có xác nhận không xác nhận, có yêu cầu yêu cầu – Linh hoạt thủ tục phức tạp – Áp dụng cho trao đổi liệu tuần hoàn không tuần hoàn, thích hợp cho tất kiến trúc khác © 2004, HOÀNG MINH SƠN ƒ Chào/đặt hàng (Subscriber/Publisher) – Nội dung thông báo trạm chủ chào trạm client đặt theo chế tuần hoàn theo kiện – Thông báo gửi tới trạm đặt (có thể gửi riêng gửi đồng loạt) – Linh hoạt, tiền định, hiệu suất cao – Áp dụng cho trao đổi liệu tuần hoàn không tuần hoàn, thích hợp cho kiến trúc Client/Server kiến trúc bình đẳng Chương 7: Xử lý thời gian thực xử lý phân tán © 2005 - HMS 26 ƒ Hộp thư (Mailbox) © 2004, HOÀNG MINH SƠN – Các trạm sử dụng môi trường trung gian files, sở liệu chương trình server khác để ghi đọc liệu – Mỗi thư mang liệu mã cước (nội dung thư hoặc/và người nhận) – Gửi nhận thư diễn thời điểm – Linh hoạt hiệu quả, không đảm bảo tính thời gian thực – Áp dụng cho trao đổi liệu có tính chất quan trọng, thích hợp cho kiến trúc Client/Server kiến trúc tự trị Mailbox 1-3 xxxxx yy 2-4 xxxxx zz Chương 7: Xử lý thời gian thực xử lý phân tán © 2005 - HMS 27 [...]... tiên – Least laxity: tỷ lệ thời gian tính toán /thời hạn cuối cùng (deadline) càng lớn càng được ưu tiên Chương 7: Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán © 2005 - HMS 17 7.3 Khái niệm xử lý phân tán ƒ Xử lý phân tán là hình thức xử lý thông tin tất yếu của các hệ thống phân tán nói chung và các hệ thống điều khiển phân tán nói riêng ƒ Xử lý phân tán giúp nâng cao năng lực xử lý thông tin của một hệ thống,... thể kết hợp với xử lý phân tán) Chương 7: Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán © 2005 - HMS 12 Xử lý cạnh tranh ƒ Các vấn đề: © 2004, HOÀNG MINH SƠN – Tổ chức, lập lịch phân chia tài nguyên cho các tác vụ – Giao tiếp giữa các tác vụ – Đồng bộ hóa giữa các tác vụ Chương 7: Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán © 2005 - HMS 13 7.2 Hệ ₫iều hành thời gian thực ƒ Hệ điều hành thời gian thực là một hệ... tính năng thời gian thực, nâng cao độ tin cậy và tính linh hoạt của hệ thống © 2004, HOÀNG MINH SƠN ƒ Phân biệt các khái niệm: – – – – – Xử lý cục bộ => ứng dụng đơn độc Xử lý cạnh tranh => ứng dụng đa nhiệm Xử lý tập trung => ứng dụng tập trung Xử lý nối mạng => ứng dụng mạng (giao tiếp hiện) Xử lý phân tán => ứng dụng phân tán (giao tiếp ngầm) Chương 7: Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán © 2005... dụng xử lý thời gian thực ƒ 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) © 2004, HOÀNG MINH SƠN ƒ Bản thân hệ điều hành thời gian thực cũng là một hệ thời gian thực ƒ Một hệ điều hành thời gian thực bao giờ cũng là một hệ đa nhiệm (multitasking), hỗ trợ xử lý cạnh trạnh hoặc /và xử lý song song Chương 7: Xử lý. .. quản lý dữ liệu Chương 7: Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán © 2005 - HMS 21 ƒ Kiến trúc bình đẳng – Các trạm có vai trò bình đẳng, phải phối hợp hoạt động, hình thức giao tiếp trực tiếp với nhau không qua trung gian A A A © 2004, HOÀNG MINH SƠN A Ví dụ: A Các trạm điều khiển phân tán (kiến trúc PLC/DCS) hoặc các thiết bị trường thông minh (kiến trúc FCS) Chương 7: Xử lý thời gian thực và xử lý phân. .. phân tán © 2005 - HMS 11 Các hình thức xử lý ₫ồng thời ƒ Xử lý song song: Các tác vụ (task) được phân chia thực hiện song song trên nhiều bộ xử lý ƒ Xử lý cạnh tranh: Nhiều tác vụ chia sẻ thời gian của một bộ xử lý © 2004, HOÀNG MINH SƠN ƒ Xử lý phân tán: Mỗi (nhóm) tác vụ được thực hiện riêng trên một máy tính (trường hợp đặc biệt của xử lý song song) Xử lý cạnh tranh là hình thức quan trọng nhất trong.. .Phân loại tác vụ (IEC 61131-3) Chờ tới chu kỳ Thời gian © 2004, HOÀNG MINH SƠN Mã thực thi Mã thực thi Chờ sự kiện Sự kiện Mã thực thi 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 7: Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán © 2005 - HMS 11 Các hình thức xử lý. .. 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 PHẦN CỨNG MÁY TÍNH Chương 7: Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán © 2005 - HMS 16 Phương pháp lập lịch ƒ 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... khiển © 2004, HOÀNG MINH SƠN Master Slave Slave Slave Ví dụ: Các vào/ra phân tán, các thiết bị trường Chương 7: Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán © 2005 - HMS 20 ƒ Kiến trúc Client/Server – Chức năng xử lý thông tin được phân chia thành hai phần khác nhau, phần sử dụng chung cho nhiều bài toán được thực hiện trên các server, phần riêng thực hiện trên từng client – Giữa các client không cần thiết có... (implicit communication): – Hoạt động giao tiếp được thực hiện ngầm khi cần thiết – Sử dụng dịch vụ giao tiếp (ví dụ lập trình) cần biết rõ về hệ thống truyền thông (kiến trúc giao thức) Chương 7: Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán © 2005 - HMS 19 7.4 Các kiến trúc xử lý phân tán ƒ Kiến trúc Master/Slave – – – – Chức năng xử lý thông tin được phân chia trên nhiều trạm tớ Một trạm chủ phối hợp hoạt ... are produced © 2004, HOÀNG MINH SƠN JOHN A STANKOVIC ET AL.: Strategic Directions in Real-Time and Embedded Systems ACM Computing Surveys, Vol 28, No 4, December 1996 Mỗi hệ thống điều khiển... gian thực ƒ Hầu hết điều khiển công nghiệp (PLC, DCS, ) hoạt động hệ điều hành thời gian thực (RTOS, Real-time Operating System) © 2004, HOÀNG MINH SƠN ƒ Bản thân hệ điều hành thời gian thực