Khỏi niệm hệ thời gian thực khụng đồng nghĩa với khỏi niệm hệ xử lý tốc độ cao, xử lý nhanh. Nếu ta cho rằng, phải là cỏc ứng dụng điều khiển cú yờu cầu thời gian tớnh toỏn rất nhanh mới gọi là điều khiển thời gian thực, thỡ một cõu hỏi sẽ được đặt ra là: như thế nào mới được gọi là nhanh? Ta cú thể thống nhất là, cỡ một vài micro-giõy là rất nhanh, tuy nhiờn nếu một vài chục micro-giõy thỡ sao, một trăm micro-giõy thỡ sao? Nếu một trăm micro-giõy mới gọi là nhanh, thỡ 101, 102, ... cú nhanh khụng? Cỏc hệ điều khiển với chu kỳ trớch mẫu 5ms, 6 ms, 7ms cú được gọi là hệ thời gian thực hay khụng? Tốc độ khụng phản ỏnh thời gian thực nhưng để cú đặc tớnh thời gian thực thỡ phụ thuộc rất nhiều vào tốc độ. Tốc độ càng cao thỡ sai số càng nhỏ và càng dễ thực hiện cỏc tỏc vụ thời gian thực.
174
Đ Đặc điểm của hệ thời gian thực
ỹ Tớnh bị động: Hệ thống phải phản ứng với cỏc sự kiện xuất hiện vào cỏc thời điểm thường khụng biết trước. Vớ dụ, sự vượt ngưỡng của một giỏ trị đo, sự thay đổi trạng thỏi của một thiết bị quỏ trỡnh phải dẫn đến cỏc phản ứng trong bộ điều khiển.
ỹ Tớnh chuẩn xỏc chức năng và chớnh xỏc về thời gian: Cỏc chức năng phải được thực hiện chuẩn xỏc. Cỏc tớnh toỏn, xử lý phải cho ra kết quả trong một chu kỡ thời gian đó xỏc định trước. Chớnh xỏc về thời gian sẽ cho phộp hệ đưa ra đỏp ứng một cỏch kịp thời. Tuy tớnh chớnh xỏc thời gian là một đặc điểm tiờu lịch, nhưng một hệ thống cú tớnh năng thời gian thực khụng nhất thiết phải cú đỏp ứng thật nhanh mà quan trọng hơn là phải cú phản ứng kịp thời đối với cỏc yờu cầu, tỏc động bờn ngoài.
Hóy khảo sỏt cỏc vớ dụ sau đõy để làm rừ yếu tố thời gian trong hệ thống thời gian thực: ts là thời điểm một sự kiện xảy ra từ thiết bị và tỏc động tới hệ thống;
T là khoản thời gian thực hiện cỏc tớnh toỏn, xử lý từ ts tới tp để cú đỏp ứng đầu ra. tp là thời điểm ra đỏp ứng.
Ta sẽ cú cỏc trường hợp sau đõy:
a) Đỏp ứng đỳng theo yờu cầu tại tp: đỏp ứng chớnh xỏc. b) Đỏp ứng xẩy ra trong khoản <tpq, tp2>.
c) Đỏp ứng xảy ra trong khoản <ts, tp>. d) Đỏp ứng xảy ra từ tp cho tới …
175
Cú thể cũn cú cỏc phõn tớch khỏc đề cập tới thời điểm phải đưa ra đỏp ứng cho tỏc động của sự kiện, qua đõy ta thấy rừ hơn yờu cầu về tớnh thời gian thực của hệ thống thời gian thực: chớnh xỏc (a), chớnh xỏc tương đối (b, c) và tương đối lừng lẻo. Như vậy khi ỏp dụng, ta cú cỏc thiết bị ghộp nối mà đặc thự kĩ thuật chắc chắn sẽ rơi vào cỏc trường hợp trờn, giỳp hỡnh thành chiến thuật xử lý. Ở mụ hỡnh trờn khung thời gian T là yếu tố quan trọng, vỡ đú là khung thời gian khụng thể nhỏ hơn được khi xem xột trờn một HTN thời gian thực, tuy nhiờn T khỏc nhau cho cỏc hệ thống khỏc nhau. Giải phỏp cho T phụ thuộc vào lựa chọn thiết kế phần cứng (đặc biệt là tốc độ của CPU) và kĩ năng viết phần mềm hệ thống và phần mềm ứng dụng.
ỹ Tớnh đồng thời: Hệ thống phải cú khả năng phản ứng và xử lý đồng thời nhiều sự kiện diễn ra. Vớ dụ, cựng một lỳc một hệ thống trong vai trũ là một bộ điều khiển PID, được yờu cầu thực hiện nhiều vũng điều chỉnh, giỏm sỏt ngưỡng giỏ trị nhiều đầu vào, cảnh giới trạng thỏi làm việc của một số thiết bị khỏc
ỹ Tớnh tiền định: Dự đoỏn trước được thời gian phản ứng tiờu lịch, thời gian phản ứng chậm nhất cũng như trỡnh tự đưa ra cỏc đỏp ứng. Vớ dụ, nếu một bộ điều khiển phải xử lý đồng thời nhiều nhiệm vụ, ta phải tham gia quyết định được về trỡnh tự thực hiện cỏc cụng việc và đỏnh giỏ được thời gian xử lý mỗi cụng việc. Như vậy người sử dụng mới cú cơ sở để đỏnh giỏ về khả năng đỏp ứng tớnh thời gian thực của hệ thống.
Đ Xử lý thời gian thực
Xử lý thời gian thực là hỡnh thức xử lý thụng tin trong một hệ thống để đảm bảo tớnh năng thời gian thực của nú. Như vậy, xử lý thời gian thực cũng cú cỏc đặc điểm tiờu lịch nờu trờn như tớnh bị động, tớnh chuẩn xỏc, thời gian chớnh xỏc, tớnh đồng thời và tớnh tiền định. Để cú thể phản ứng với nhiều sự kiện diễn ra cựng một lỳc, một hệ thống xử lý thời gian thực sử dụng cỏc quỏ trỡnh tớnh toỏn đồng thời.
Quỏ trỡnh tớnh toỏn là một tiến trỡnh thực hiện một hoặc một phần chương trỡnh theo tuần tự do hệ điều hành quản lý trờn một mỏy tớnh, cú thể tồn tại đồng thời với cỏc quỏ trỡnh khỏc kể cả trong thời gian thực hiện lệnh và thời gian xếp hàng chờ đợi thực hiện.
Cỏc hỡnh thức tổ chức cỏc quỏ trỡnh tớnh toỏn đồng thời:
ỹ Xử lý cạnh tranh: Nhiều quỏ trỡnh tớnh toỏn chia sẻ thời gian sử dụng của một bộ xử lý.
ỹ Xử lý song song: Cỏc quỏ trỡnh tớnh toỏn được phõn chia thực hiện song song trờn nhiều bộ xử lý của một mỏy tớnh.
ỹ Xử lý phõn tỏn: Mỗi quỏ trỡnh tớnh toỏn được thực hiện riờng trờn một mỏy tớnh. Trong cỏc hỡnh thức trờn đõy thỡ hỡnh thức xử lý cạnh tranh cú vai trũ chủ chốt. Mặc dự hệ thống điều khiển cú thể cú nhiều trạm, và mỗi trạm cú thể là một hệ đa vi xử lý, số lượng cỏc quỏ trỡnh tớnh toỏn cần thực hiện thường bao giờ cũng lớn hơn số lượng vi xử lý. Trong khi một vi xử lý khụng thể thực hiện song song nhiều lệnh, nú phải phõn chia thời gian để thực hiện xen kẽ nhiều nhiệm vụ khỏc nhau theo thứ tự tựy theo mức ưu tiờn và phương phỏp lập lịch.
176
Đ Phõn loại hệ thời gian thực
Như trỡnh bày trờn thỡ hệ thời gian thực cú tớnh ràng buộc thời gian và mọi xử lý đều cú thời hạn chút (deadline). Vậy thời gian ở đõy qui chiếu theo cỏch nào ? Giống như trờn mỏy tớnh núi chung ta cú hệ thời gian thực mềm (soft real time system) và hệ thời gian thực cứng (hard real time system). Hai loại hệ thời gian thực này khỏc nhau ở chổ nào, đú cỏch đỏnh giỏ sự dung sai của thời hạn chút, tớnh hữu ớch của cỏc kết quả tớnh toỏn sau thời hạn chút, và sự đỏnh giỏ ngặt nghốo khi rơi vào thời hạn chút. Với hệ thời gian thực cứng, mức độ dung sai của thời hạn chút là rất nhỏ cú thể bằng khụng, cỏc kết quả tớnh toỏn sau hạn chút khụng cú giỏ trị, do đú những phỏt sinh sau hạn chút được coi là thảm họa. Trong khi đú dung sai ở hệ thời gian thực mềm là con số khỏc khụng, cỏc kết quả tớnh toỏn sau hạn chút lại cú tớnh chất khấu hao, cho nờn giỏ trị của kết quả vào lỳc đi qua hạn chút vẫn cú ớch.
ỹ hệ thời gian thực cứng: là hệ mà dung sai tới hạn chút xấp xỉ bằng khụng. Núi cỏch khỏc phải đỳng thời điểm nếu khụng sẽ là thảm họa. Cỏc tiờu chớ hệ thống như sau:
- Phải đảm bảo khụng để bất kỡ một sự kiện tới hạn (critical event) nào bị sự cố trong bất kỡ hoàn cảnh nào của hệ thống;
- Độ trễ đỏp ứng cho sự kiện rất nhỏ (xột theo từng lớp ứng dụng); - Cỏc sự kiện cú tớnh chu kỡ phải được đảm bảo thực hiện đỳng chu kỡ.
Khi thiết kế hệ này cần tớnh để kết quả tớnh toỏn cú được trước hạn chút trước khi hệ phỏt ra đỏp ứng.
ỹ hệ thời gian thực mềm: là hệ phải hợp thời gian nhưng hạn chút cú tớnh mềm dẻo. Như vậy hạn chút cú thể cú nhiều mức, hạn chút với thời gian T ước tớnh với trị trung bỡnh, xỏc xuất đỏp ứng đưa ra nằm trong cỏc mức độ khỏc nhau với độ trễ trung bỡnh và chấp nhận được. Tuy khụng gõy ra thảm họa hệ thống nhưng phải trả giỏ khi độ trể hệ thống tăng tỷ lệ thuận tựy thuộc vào ứng dụng. Cần cú cơ chế bự trừ để loại trừ độ trễ này.
(
ỹ real time computing:
Đ the objective is to meet the individual timing requirement of each task
Đ correct behavior depends on both (1) correct computation and (2) time at which results are produced
Đ system that must react within precise timing constraints to events in the environment
Đ characterized by a deadline
Đ should be predictable (when the timing constraints cannot be met, this must be notified in advance, so that an alternative (scheduling) plan may be planned, and possibly avoid the catastrophe)
Đ real time applications
Đ the most important features timeliness, design for peak load, predictability, fault tolerance, maintainability.
177
ỹ Difference between Hard and Soft Real-Time Systems
Hard Real-time systems
A real-time task is said to be hard, if missing its deadline may cause catastrophic consequences on the environment under control. Examples are sensory data acquisition, detection of critical conditions, actuator servoing.
Soft Real-time systems
A real-time task is called soft, if meeting its deadline is desirable for performance reasons, but missing its deadline does not cause serious damage to the environment and does not jeopardize correct system behavior. Examples are command interpreter of the user interface, displaying messages on the screen
A hard real-time system guarantees that critical tasks complete on time. This goal requires that all delays in the system be bounded from the retrieval of the stored data to the time that it takes the operating system to finish any request made of it. A soft real time system where a critical real-time task gets priority over other tasks and retains that priority until it completes. As in hard real time systems kernel delays need to be bounded
)
Hệ thời gian thực gắn liền với tương lai của cỏc hệ thống nhỳng. Cỏc HTN trước đõy đơn
giản, như cỏc thiết bị hoạt động độc lập (automous device), cú chu kỡ sống dài. Tuy nhiờn ngày nay, cụng nghiệp nhỳng đẫ trải nghiệm một sự chuyển đổi mạnh mẽ với cỏc số liệu như sau (bỏo cỏo của Gartner Group):
ỹ Chu kỡ phỏt triển trờn thị trường nhanh chúng, chỉ trong vũng 6 đến chớn thỏng;
ỹ Toàn cầu húa đó dẫn đến xỏc định lại thi trường và khụng gian ứng dụng;
ỹ Kiểu kết nối cỏc hệ thống cú dõy và khụng dõy, trở thành khụng thể thiếu ở cỏc thiết bị nhỳng;
ỹ Cỏc thiết bị điện tử ngày càng tinh vi;
ỹ Kết nối cỏc HTN là lĩnh vực ứng dụng mới và phụ thuộc vào hạ tầng mạng (LAN, Internet, Extranet, …);
ỹ Tốc độ xử lớ ngày càng nhanh theo tỉ lệ transitor trờn chip theo định luật More: tổng số transistors/vi mạch tưng gấp đụi cứ sau 18 thỏng.
Tất cả những điều đú với hệ thời gian thực sẽ làm cho HTN cú đặc tớnh “xử sự chớnh xỏc theo thời gian thực”.
178