Chương 1
Hệ thống
thông tin công nghiệp
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Vấn ₫ề thời gian thực
1/19/2006
Chương 3: Nội dung
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
1.
2.
3.
4.
5.
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 3: Vấn đề thời gian thực
© 2005 - HMS
2
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.
© 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
Thời gian thực không phải là thời gian tuyệt đối
Tính năng thời gian thực không đồng nghĩa với tốc độ
tính toán rất nhanh
Tính năng thời gian thực = tính chính xác + tính kịp
thời
Chương 3: Vấn đề thời gian thực
© 2005 - HMS
3
Các dạng của “tính kịp thời”
Sự kiện Phản ứng
Sự kiện Phản ứng
T
tp
ts
a)
T
Thời gian
Chính xác tại ... (t = tp)
Sự kiện Phản ứng
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Thời gian
b) Trong khoảng ... (tp2 ≤ t ≤ tp2 )
Sự kiện Phản ứng
T
ts
tp1 tp2
ts
T
tp
Thời gian
c) Chậm nhất là ... (t ≥ tp)
Chương 3: Vấn đề thời gian thực
ts
tp
Thời gian
d) Sớm nhất là ... (t ≥ tp)
© 2005 - HMS
4
HT ₫iều khiển có phải là hệ TGT?
Mỗi hệ thống điều khiển là một hệ thời gian thực
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
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
Chương 3: Vấn đề thời gian thực
© 2005 - HMS
5
Hai dạng hệ thống TGT tiêu biểu
1. Hệ thống nhúng (Embedded Systems)
— Các hệ thống điều khiển chuyên dụng, đặc chủng cho
các thiết bị, máy móc đơn lẻ
— Máy tính điều khiển là một phần không tách rời của
thiết bị được điều khiển
— Dựa trên nền 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 thông, ...
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
2. 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 trong CN chế biến, CN chế tạo
Chương 3: Vấn đề thời gian thực
© 2005 - HMS
6
Chiếc xe hơi có là một hệ TGT?
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Hơn 50 máy vi tính bên trong (μP) nối mạng
Chúng ta có nên tìm hiểu nguyên lý hoạt động của
chúng?
Chương 3: Vấn đề thời gian thực
© 2005 - HMS
7
Bus trường có phải là một hệ TGT?
Controller
Tc
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
8
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Tính năng thời gian thực là yêu cầu
chung của hầu hết các hệ thống thông
tin công nghiệp!
Chương 3: Vấn đề thời gian thực
© 2005 - HMS
9
Đặc ₫iểm của một hệ thời gian thực
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
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.
Chương 3: Vấn đề thời gian thực
© 2005 - HMS
10
3.2 Xử lý thời gian thực là gì?
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Xử lý thời gian thực là hình thức xử lý thông tin trong
một hệ thống ₫ể ₫ảm bảo tính năng thời gian thực của
nó.
Luôn liên quan với các sự kiện bên ngoài (tính phản
ứng)
Yêu cầu cao về hiệu suất phần mềm (tính nhanh nhạy)
Đòi hỏi xử lý ₫ồng thời nhiều tác vụ (tính ₫ồng thời)
Đòi hỏi cơ sở lý thuyết chặt chẽ phục vụ phân tích và
đánh giá (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 còn phụ thuộc một cách tất
yếu vào phương pháp xử lý thời gian thực
Chúng ta còn biết quá ít về cơ chế thực hiện các chức
năng phần mềm bên trong một bộ điều khiển (số)
Chương 3: Vấn đề thời gian thực
© 2005 - HMS
12
Các hình thức cơ bản của xử lý TGT
Khả năng phản ứng đồng thời với các sự kiện bên
ngoài: Xử lý đa nhiệm
Đáp ứng yêu cầu về thời gian của nhiều “tác vụ”:
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
— Xử lý song song
— Xử lý phân tán
— Xử lý cạnh tranh
Chương 3: Vấn đề thời gian thực
© 2005 - HMS
13
Tác vụ và xử lý ₫a nhiệm
Một quá trình tính toán cho một nhiệm vụ cụ thể, có
thể được thực hiện đồng thời, ví dụ:
—
—
—
—
—
Các
Các
Các
Các
...
tác
tác
tác
tác
vụ
vụ
vụ
vụ
xử lý giá trị vào/ra
điều chỉnh
điều khiển logic
xử lý biến cố
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Một tác vụ là sự thi hành một chương trình hoặc một
phần chương trình
— Một chương trình chạy nhiều lần => nhiều tác vụ
— Một đoạn mã chương trình (ví dụ một hàm) được gọi tuần
hoàn với các chu kỳ khác nhau => nhiều tác vụ khác
nhau
Multitasking (đa nhiệm): khả năng thi hành đồng thời
nhiều tác vụ
Chương 3: Vấn đề thời gian thực
© 2005 - HMS
14
Các trạng thái của một tác vụ
DORMANT
READY
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
WAITING
RUNNING
Chương 3: Vấn đề thời gian thực
Trạng thái nghỉ, chưa tồn tại (Dormant,
Nonexistence): Task trong bộ nhớ nhưng
hệ điều hành không quản lý.
Trạng thái sẵn sàng (Ready state): Khi
nó có thể được điều hoạt nhưng hiện
đang có một Task khác có mức ưu tiên
cao hơn đang được thực hiện.
Trạng thái chạy (Running state): Khi nó
đang được điều khiển bởi CPU
Trạng thái đợi (Waiting state) : Khi nó
đang chờ một sự kiện xảy ra để được
sẵn sàng như một sự kiện vào/ra, khi
tài nguyên chung có thể sử dụng hay là
khi có các ngắt thời gian.
© 2005 - HMS
15
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 3: Vấn đề thời gian thực
© 2005 - HMS
16
Các hình thức xử lý ₫ồng thời
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Xử lý song song: Các tác vụ (task) được phân chia
thực hiện song song trên nhiều bộ xử lý
Xử lý cạnh tranh: Nhiều tác vụ chia sẻ thời gian của
một bộ xử lý.
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
các hệ thống điều khiển (có thể kết hợp với xử lý
phân tán)
Chương 3: Vấn đề thời gian thực
© 2005 - HMS
17
Xử lý cạnh tranh
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 3: Vấn đề thời gian thực
© 2005 - HMS
18
Phương pháp lập lịch
Vấn đề:
— Bên cạnh hiệu năng của phần cứng máy tính, thì
phương pháp lập lịch có ảnh hưởng lớn tới tính năng
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 lập lịch
Sách lược lập lịch
— FIFO: đến trước sẽ được thực hiện trước.
— Non-preemptive: không chen hàng, các tác vụ được thực
hiện bình thường dựa trên mức ưu tiên của chúng.
— Preemptive: chen hàng, chọn một tác vụ để thực hiện
trước các tác vụ khác.
— Round-robin/Time-slicing: Mỗi tác vụ có mức ưu tiên như
nhau được thực hiện một số “lát thời gian”
— Mức ưu tiên cố định/động: các tác vụ được đặt các mức
ưu tiên cố định hoặc có thể thay đổi nếu cần.
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Thuật toán lập lịch
— Rate monotonic: càng thường xuyên càng được ưu tiên.
— Deadline monotonic: càng gấp càng được ưu tiên.
— Least laxity: tỷ lệ thời gian tính toán/thời hạn cuối cùng
(deadline) càng lớn càng được ưu tiên.
Chương 3: Vấn đề thời gian thực
© 2005 - HMS
20
- Xem thêm -