Bài giảng Hệ thống thông tin công nghiệp - Chương 3: Vấn đề thời gian thực. Những nội dung chính trong chương này gồm có: Khái niệm “hệ thời gian thực”, xử lý thời gian thực, hệ điều hành thời gian thực, giao tiếp thời gian thực, lập trình thời gian thực.
Chương Hệ thống thơng tin cơng nghiệp © 2004, HOÀNG MINH SƠN Chương 3: Vấn ₫ề thời gian thực 08.01.07 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 3: Nội dung Khái niệm “hệ thời gian thực” Xử lý thời gian thực Hệ điều hành thời gian thực Giao tiếp thời gian thực Lập trình thời gian thực © 2004, HỒNG MINH SƠN Chương 3: Vấn đề thời gian thực CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 3.1 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, ” Một hệ thời gian thực hệ thống mà hoạt ₫ộng tin cậy khơng phụ thuộc vào xác kết quả, mà phụ thuộc vào thời ₫iểm ₫ưa kết ₫ể phản ứng với kiện bên ngồi Hệ thống có lỗi thời gian u cầu khơng ₫ược thoả mãn © 2004, HỒNG MINH SƠN 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 thời gian tuyệt đối Tính thời gian thực khơng đồng nghĩa với tốc độ tính tốn nhanh Tính thời gian thực = tính xác + tính kịp thời Chương 3: Vấn đề thời gian thực CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt Các dạng “tính kịp thời” Sự kiện Phản ứng Sự kiện Phản ứng T ts a) T Thời gian Chính xác (t = tp) Sự kiện Phản ứng © 2004, HỒNG MINH SƠN Thời gian b) Trong khoảng (tp2 ≤ t ≤ tp2 ) Sự kiện Phản ứng T ts tp1 tp2 ts T Thời gian c) Chậm (t ≥ tp) Chương 3: Vấn đề thời gian thực CuuDuongThanCong.com ts Thời gian d) Sớm (t ≥ tp) © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt HT ₫iều khiển có phải hệ TGT? Mỗi hệ thống điều khiển hệ thời gian thực © 2004, HỒNG MINH SƠN Chất lượng điều khiển khơng phụ thuộc vào thuật tốn điều khiển, mà cịn phụ thuộc vào khả phản ứng hệ thống, thời điểm đọc tín hiệu đầu vào (tín hiệu đo), vào thời gian tính tốn luật điều khiển thời điểm đưa tín hiệu điều khiển Tính thời gian thực HTĐK phụ thuộc vào phần cứng phần mềm vào kiến trúc hệ thống Phần cứng: Tốc độ tính tốn vi xử lý, tốc độ chuyển đổi DA/AD, chế vào/ra, chậm trễ thiết bị Phần mềm: Thuật toán điều khiển, phương pháp lập trình, tổ chức thực chương trình Tính TGT HTĐK liên quan tới tính mạng người Phần lớn hệ thời gian thực hệ thống điều khiển Chương 3: Vấn đề thời gian thực CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt Hai dạng hệ thống TGT tiêu biểu Hệ thống nhúng (Embedded Systems) — Các hệ thống điều khiển chuyên dụng, đặc chủng cho thiết bị, máy móc đơn lẻ — Máy tính điều khiển phần không tách rời thiết bị điều khiển — Dựa vi xử lý, nhân thời gian thực, hệ điều hành thời gian thực — Ví dụ ứng dụng: công nghiệp hàng không-vũ trụ, robot công nghiệp, phương tiện giao thơng, © 2004, HỒNG MINH SƠN Hệ thống điều khiển công nghiệp (Industrial Control Systems) — Distributed Control Systems (DCS), Programmable Logic Controllers (PLC), Soft-PLCs — Các hệ thống điều khiển phân cấp, phân tán — Ứng dụng CN chế biến, CN chế tạo Chương 3: Vấn đề thời gian thực CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt Chiếc xe có hệ TGT? © 2004, HỒNG MINH SƠN Hơn 50 máy vi tính bên (μP) nối mạng Chúng ta có nên tìm hiểu nguyên lý hoạt động chúng? Chương 3: Vấn đề thời gian thực CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt Bus trường có phải hệ TGT? Controller Tc Tbus Tin © 2004, HỒNG MINH SƠN I/O Tout Bus trường I/O Tio I/O I/O Tad Tsd Sensor Sensor Chương 3: Vấn đề thời gian thực CuuDuongThanCong.com Ts Ta Actuator Actuator © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt © 2004, HỒNG MINH SƠN Tính thời gian thực yêu cầu chung hầu hết hệ thống thông tin công nghiệp! Chương 3: Vấn đề thời gian thực CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt Đặc ₫iểm hệ thời gian thực © 2004, HỒNG MINH SƠN Tính phản ứng: Hệ thống phải phản ứng với kiện xuất vào thời điểm trước Tính nhanh nhạy: Hệ thống phải xử lý thơng tin cách nhanh chóng để đưa kết phản ứng cách kịp thời Tính ₫ồng thời: Hệ thống phải có khả phản ứng xử lý đồng thời nhiều kiện diễn Tính tiền ₫ịnh: Dự đốn trước thời gian phản ứng tiêu biểu, thời gian phản ứng chậm trình tự đưa phản ứng Chương 3: Vấn đề thời gian thực CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 10 RTOS hệ thống ₫iều khiển Yêu cầu đặc biệt — Mã nhỏ, gọn — Đơn giản, dễ sử dụng, dễ lập trình — Thời gian phản ứng với kiện (ví dụ xuất ngắt truyền thơng, ngắt vào/ra, ) đủ ngắn — Quản lý hiệu tác vụ tuần hồn, đảm bảo xác chu kỳ thời gian, độ rung nhỏ (jitter) — Quản lý vào/ra hiệu quả, đơn giản © 2004, HỒNG MINH SƠN Hai dạng thực hiện: — Mã nguồn: Nhân thời gian thực, dịch liên kết với CTĐK tạo thành chương trình -> giải pháp vi điều khiển — Mã chạy cài đặt sẵn thiết bị: Hệ điều hành thời gian thực đầy đủ, cung cấp dịch vụ độc lập với chương trình điều khiển -> giải pháp PLC DCS Chương 3: Vấn đề thời gian thực CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 24 Cấu trúc tiêu biểu 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 PHẦN CỨNG MÁY TÍNH Chương 3: Vấn đề thời gian thực CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 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, HỒNG 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 CuuDuongThanCong.com TIMER PHẦN CỨNG © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 26 3.4 Giao tiếp thời gian thực © 2004, HỒNG MINH SƠN Một hệ thống điều khiển nhà máy bao gồm nhiều thành phần => nhu cầu giao tiếp Tính thời gian thực hệ thống khơng phụ thuộc vào tính thời gian thực thành phần, mà phụ thuộc vào cấu trúc liên kết hình thức giao tiếp thành phần! Tính thời gian thực hệ thống truyền thông phụ thuộc vào yếu tố gì? — — — — Tốc độ truyền? Cấu trúc mạng? Phương pháp kiểm soát truy nhập bus? Chương 3: Vấn đề thời gian thực CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 27 Ví dụ minh họa: Hệ ĐK qua mạng Không đồng chu kỳ hoạt động thiết bị Controller Đặc tính khác cácTchệ bus Thời gian trễ bất định Chù kỳ trích mẫu biến thiên Tbus Tin © 2004, HỒNG MINH SƠN I/O Tout Bus trường I/O Tio I/O I/O Tad Tsd Sensor Sensor Chương 3: Vấn đề thời gian thực CuuDuongThanCong.com Ts Ta Actuator Actuator © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 28 Các thơng số ₫ặc trưng © 2004, HỒNG MINH SƠN Chu kỳ bus: Khoảng thời gian nhỏ mà tất trạm mạng tham gia giao tiếp lần (không phải hệ thống hoạt động theo chu kỳ) Thời gian phản ứng (tiêu biểu trường hợp xấu nhất): Khoảng thời gian từ lúc nhận yêu cầu tới lúc hoàn thành nhiệm vụ trao đổi thông tin Độ rung (jitter): Khoảng thời gian sai lệch so với thời điểm lý tưởng => Quan trọng: Các thông số tiền định hay bất định (mức độ bất định nào?)! Chương 3: Vấn đề thời gian thực CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 29 Các kiến trúc giao tiếp Kiến trúc Master/Slave — — — — 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, khơng Vai trị chủ động thuộc Master Ví dụ: Bộ điều khiển © 2004, HỒNG MINH SƠN Master Slave Slave Slave Ví dụ: Các vào/ra phân tán, thiết bị trường Chương 3: Vấn đề thời gian thực CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 30 Kiến trúc Client/Server — Server thực dịch vụ chung, phục vụ client — Giữa client khơng cần thiết có giao tiếp trực tiếp — Vai trò chủ động giao tiếp thuộc client Ví dụ: Các trạm vận hành © 2004, HỒNG MINH SƠN Client Client Server Client Server Ví dụ: Các điều khiển trạm quản lý liệu Chương 3: Vấn đề thời gian thực CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 31 Kiến trúc bình đẳng — Các trạm có vai trị bình đẳng, phải phối hợp hoạt động, hình thức giao tiếp trực tiếp với khơng qua trung gian A A A © 2004, HỒNG MINH SƠN A Ví dụ: Các trạm điều khiển phân tán thiết bị trường thông minh Chương 3: Vấn đề thời gian thực CuuDuongThanCong.com A © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 32 Kiến trúc tự trị — Các trạm có vai trị bình đẳng, hoạt động hoàn toàn độc lập phối hợp hoạt động tạo hiệu cao A A A © 2004, HỒNG MINH SƠN A Ví dụ: A Các hệ thống xây dựng theo công nghệ Agent, Multi-Agent Chương 3: Vấn đề thời gian thực CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 33 Các chế giao tiếp Dữ liệu tồn cục (Global Data) © 2004, HỒNG MINH SƠN — Giống vùng nhớ chung — Mỗi trạm chứa ảnh bảng liệu toàn cục, có tồn 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 (ví dụ trạm điều khiển) Chương 3: Vấn đề thời gian thực CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 34 Hỏi (Polling, Scanning) — — — — Một trạm đóng vai trị Master Cơ chế hỏi/đáp theo trình tự đặt trước Đơn giản, tiền định Áp dụng cho trao đổi liệu tuần hoàn Master Slave1 Slave2 Slave3 Message1 Response1 Message2 © 2004, HỒNG MINH SƠN Response2 Message3 Response3 Chương 3: Vấn đề thời gian thực CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 35 Tay đơi (Peer-To-Peer) — Hình thức có liên kết khơng liên kết, cấu hình trước khơng cấu hình trước, có xác nhận khơng xác nhận, có u cầu khơng có u cầu — Linh hoạt thủ tục phức tạp — Áp dụng cho trao đổi liệu tuần hồn khơng tuần hồn, thích hợp cho tất kiến trúc khác © 2004, HOÀNG MINH SƠN 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 khơng tuần hồn, thích hợp cho kiến trúc Client/Server kiến trúc bình đẳng Chương 3: Vấn đề thời gian thực CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 36 Hộp thư (Mailbox) © 2004, HỒNG 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, khơng 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 3: Vấn đề thời gian thực CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 37 Tài liệu tham khảo © 2004, HỒNG MINH SƠN Hoàng Minh Sơn: “Hệ thời gian thực điều khiển thời gian thực”, Tạp chí Tự động hóa ngày nay, số xx/2004 (file *.pdf có sẵn) Chương 3: Vấn đề thời gian thực CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 38 .. .Chương 3: Nội dung Khái niệm ? ?hệ thời gian thực? ?? Xử lý thời gian thực Hệ điều hành thời gian thực Giao tiếp thời gian thực Lập trình thời gian thực © 2004, HỒNG MINH SƠN Chương 3: Vấn đề thời. .. Phần lớn hệ thời gian thực hệ thống điều khiển Chương 3: Vấn đề thời gian thực CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt Hai dạng hệ thống TGT tiêu biểu Hệ thống nhúng... điều hành thời gian thực hệ thời gian thực Một hệ điều hành thời gian thực hệ đa nhiệm (multitasking), hỗ trợ xử lý cạnh trạnh hoặc/và xử lý song song Chương 3: Vấn đề thời gian thực CuuDuongThanCong.com