PDF de programación - Capitulo 1. Introducción a los sistemas en tiempo real

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS EN TIEMPO



REAL



1.

1.1
1.2

1.3

1.2.1
1.2.2
1.2.3
1.2.4

Introducción a los sistemas en tiempo real............................................................... 2
Definición de sistema de tiempo real. .............................................................. 2
Ejemplos de sistemas de tiempo real................................................................ 3
Control de procesos .................................................................................. 3
Control de fabricación .............................................................................. 3
Comunicación, mando y control............................................................... 4
Sistema de computador embebido generalizado. ..................................... 4
Características de los sistemas de tiempo real.................................................. 4
1.3.1
Grande y complejo.................................................................................... 4
1.3.2 Manipulación de números reales. ............................................................. 5
1.3.3
Extremadamente fiables y seguros. .......................................................... 5
Control concurrente de los distintos componentes separados del sistema.
1.3.4
5

Funcionalidades de tiempo real. ............................................................... 6
1.3.5
1.3.6
Interacciones con interfaces hardware...................................................... 6
Implementación eficiente y entorno de ejecución. ................................... 7
1.3.7



Rafael Álvarez García
Última revisión 29-10-07
[email protected]


Nota importante:

Este documento no pretende reemplazar al material propuesto por la UNED
para la asignatura Sistemas en Tiempo Real.

Cualquier sugerencia, comentario o corrección sobre este documento,
envíelo a [email protected] para poder realizar los cambios
necesarios.



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1. Introducción a los sistemas en tiempo real.


A medida que los computadores son mas pequeños, rápidos, fiables y baratos, su rango
de aplicaciones se amplía, Construidos inicialmente para resolver ecuaciones, su influencia
se ha extendido a todos los ordenes de la vida, desde lavadoras a control de trafico aéreo.

1.1 Definición de sistema de tiempo real.


Cualquier sistema en el que el tiempo en el que se produce la salida es significativa.
Esto generalmente es porque la entrada corresponde a algún movimiento en el mundo
físico, y la salida está relacionada con dicho movimiento. El intervalo de tiempo entre la
entrada y la salida debe ser lo suficientemente pequeño para una temporalidad aceptable.


En resumen Un STR es sistema informático que:


•

Interacciona repetidamente con su entrono físico.

• Responde a los estímulos que recibe del mismo dentro de un plazo de

tiempo determinado.


Para que el funcionamiento del sistema sea correcto no basta con que las acciones sean

correctas, sino que tienen que ejecutarse dentro del intervalo de tiempo especificado.


El tiempo en que se ejecutan las acciones del sistemas es significativo.

Las actividades de un STR se llaman Tareas.

Las tareas tienen varios tipos de propiedades:



• Funcionales, que hacen.
• Temporales, cuando lo hacen.
• Fiabilidad, seguridad, etc


El comportamiento temporal de las tareas se especifica mediante sus atributos

temporales:



• cuándo se ejecutan: esquema de activación.

o

o

Periódica. A intervalos regulares con periodo T.
Aperiódica. Cada vez que ocurre un hecho determinado.

• qué plazo tienen para ejecutar cada acción.

o

o

Absoluto. Tiempo límite para terminar.
Relativo. Intervalo desde la activación.


Se trata de garantizar que todas las veces que se ejecuta una tarea termina dentro de

ese plazo.


Tipos de requisitos temporales:



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• Tiempo real estricto (hard realtime)

o Todas las acciones deben ocurrir dentro del plazo especificado.
o ejemplo: control de frenado



• Tiempo real flexible (soft realtime)

o se pueden perder plazos de vez en cuando
o el valor de la respuesta decrece con el tiempo
o ejemplo: adquisición de datos

• Tiempo real firme (firm realtime)

o se pueden perder plazos ocasionalmente
o una respuesta tardía no tiene valor
o ejemplo: sistemas multimedia



En un mismo sistema puede haber tareas con distintos tipos de requisitos temporales

1.2 Ejemplos de sistemas de tiempo real.

1.2.1 Control de procesos


El primer uso de un computador como componente en un sistema mas grande de
ingeniería se produjo en la industria de control de procesos en los primeros años de la
década de I960. Actualmente, es norma habitual el uso de los microprocesadores.


En la figura siguiente podemos comprobar el ordenador se encarga de controlar la
temperatura de un deposito de agua mediante un sensor, que sería el registro de entrada, y
un calefactor, que sería el registro salida.

1.2.2 Control de fabricación


El uso de computadores en fabricación ha llegado a ser esencial para mantener bajos los
costes de producción e incrementar la productividad, Los computadores han permitido la
integración del proceso completo de fabricación, desde el diseño a la propia fabricación. En
este área del control de producción es donde los sistemas embebidos están mejor ilustrados.



3



1.2.3 Comunicación, mando y control.


Aunque comunicación, mando y control es una expresión militar, existe un amplio
rango de aplicaciones dispares que exhiben características semejantes; por ejemplo, la
reserva de plazas de una compañía aérea, las funcionalidades medicas para cuidado
automático del paciente, el control del trafico aéreo y la contabilidad bancaria remota. Cada
uno de estos sistemas consta de un conjunto complejo de políticas, dispositivos de recogida
de información y procedimientos administrativos que permiten apoyar decisiones y
proporcionar los medios mediante los cuales puedan ser implementadas. A menudo, los
dispositivos de recogida de información y los instrumentos requeridos para implementar
decisiones están distribuidos sobre un área geográfica amplia.



1.2.4 Sistema de computador embebido generalizado.


En cada uno de los ejemplos mostrados, el computador interacciona directamente con el
equipa-miento físico en el mundo real. Con el fin de controlar esos dispositivos del mundo
real, el computador necesitara hacer un muestreo los dispositivos de medida a intervalos
regulares; por lo tanto, se precisa un reloj de tiempo real. Normalmente, existe también una
consola de operador para permitir la intervención manual. El operador humano se mantiene
constantemente informado del estado del sistema mediante displays de varios tipos,
incluyendo graficas.



1.3 Características de los sistemas de tiempo real.


Un sistema de tiempo real posee muchas características (bien inherentes bien
impuestas) que se señalan en las siguientes secciones. Evidentemente, no todos los sistemas
de tiempo real presentan todas estas características; sin embargo, cualquier lenguaje de
propósito general (y cualquier sistema operativo) que vaya a ser utilizado para la
programación efectiva de sistemas de tiempo real debe tener funcionalidades que soporten
estas características.

1.3.1 Grande y complejo.



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Algunos STR tienen millones de líneas de código.

La variedad de funciones aumenta la complejidad incluso en sistemas relativamente

pequeños

1.3.2 Manipulación de números reales.


Como se ha indicado anteriormente, muchos sistemas de tiempo real implican el control
de alguna actividad de ingeniería. Con el fin de calcular que cambios deben realizarse en la
variables de entrada para que tenga lugar un efecto deseable en el vector de salida, es
necesario tener un modelo matemático de la planta. El objetivo de las distintas disciplinas de
la teoría de control es la derivación de estos modelos. Muchas veces, una planta se modela
como un conjunto de ecuaciones diferenciales de primer orden. Estas enlazan la salida del
sistema con el estado interno de la planta y sus variables de entrada. Cambiar la salida del
sistema implica resolver estas ecuaciones para conseguir los valores de entrada requeridos.


Debido a estas dificultades -la complejidad del modelo y el número de entradas y salidas
distintas (pero no independientes)-, la mayoría de los controladores se implementan
mediante computadores.


Con un computador se pueden resolver las ecuaciones diferenciales mediante técnicas
numéricas, aunque los propios algoritmos necesitan ser adaptados para tener en cuenta el
hecho de que las salidas de la planta se estén haciendo un muestreo. El diseño de los
algoritmos de control es un tema fuera del alcance de este libro; la implementación de estos
algoritmos es, sin embargo, una implicación directa. Ellos pueden ser matemáticamente
complejos y necesitar un grado de precisión elevado. Un requisito fundamental de un
lenguaje de programación de tiempo real es, por tanto, la capacidad para manipular
números reales o de coma flotante.

1.3.3 Extremadamente fiables y seguros.


El fallo de un sistema implicado en la transferencia automática de fondos entre bancos
puede conducir a que millones de euros se pierdan, un componente incorrecto en la
generación de electricidad podría redundar en el fallo de un sistema de soporte vital, como
una unidad de cuidados intensivos, y la rotura