© 2004, HOÀNG MINH SƠN Chương 1 Hệ thống thông tin công nghiệp 1/19/2006 Chương 3: Vấn ₫ề thờigianthực 2 © 2004, HOÀNG MINH SƠN Chương 3: Vấn đề thờigianthực © 2005 - HMS Chương 3: Nội dung 1. Khái niệm “hệ thờigianthực” 2. Xử lý thờigianthực 3. Hệ điều hành thời gian thực 4. Giao tiếpthờigianthực 5. Lập trình thời gian thực 3 © 2004, HOÀNG MINH SƠN Chương 3: Vấn đề thờigianthực © 2005 - HMS 3.1 Hệ thờigianthực 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 thờigianthựclàmộthệ 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. JOHN A. STANKOVIC ET AL.: Strategic Directions in Real-Time and Embedded Systems. ACM Computing Surveys, Vol. 28, No. 4, December 1996 Thờigianthựckhôngphảilàthờigiantuyệt đối Tính năng thờigianthựckhôngđồng nghĩavớitốc độ tính toán rấtnhanh Tính năng thờigianthực= tínhchínhxác+ tính kịp thời 4 © 2004, HOÀNG MINH SƠN Chương 3: Vấn đề thờigianthực © 2005 - HMS Các dạng của“tínhkịpthời” Thờigian Sự kiện Phản ứng t s t p T a) Chính xác tại (t = t p ) Thờigian Sự kiện Phản ứng t s t p2 T b) Trong khoảng (t p2 ≤ t ≤ t p2 ) Thờigian Sự kiện Phản ứng t s t p T c) Chậmnhất là (t ≥ t p ) t p1 Thờigian Sự kiện Phản ứng t s t p T d) Sớmnhất là (t ≥ t p ) 5 © 2004, HOÀNG MINH SƠN Chương 3: Vấn đề thờigianthực © 2005 - HMS HT ₫iềukhiểncóphảilàhệ TGT? Mỗihệ thống điềukhiểnlàmộthệ thờigianthực Chấtlượng điềukhiểnkhôngchỉ phụ thuộcvàothuật toán điềukhiển, mà còn phụ thuộc vào khả năng phản ứng củahệ thống, thời điểm đọc tín hiệu đầu vào (tín hiệu đo), vào thời gian tính toán luật điềukhiểnvàthời điểm đưaratínhiệu điềukhiển Tính năng thờigianthựccủamộtHTĐKphụ thuộccả vào phầncứng và phầnmềmvàvàokiến trúc hệ thống  Phầncứng: Tốc độ tính toán củavi xử lý, tốc độ chuyển đổi DA/AD, cơ chế vào/ra, chậmtrễ trong các thiếtbị  Phầnmềm: Thuậttoánđiềukhiển, phương pháp lập trình, tổ chứcthựchiệnchương trình Tính năng TGT củamộtHTĐKliênquantớitínhmạng con người Phầnlớncáchệ thờigianthựclàcáchệ thống điều khiển 6 © 2004, HOÀNG MINH SƠN Chương 3: Vấn đề thờigianthực © 2005 - HMS Hai dạng hệ thống TGT tiêu biểu 1. Hệ thống nhúng (Embedded Systems) —Cáchệ thống điềukhiển chuyên dụng, đặc chủng cho các thiếtbị, máy móc đơn lẻ —Máytínhđiềukhiểnlàmột phần không tách rờicủa thiếtbịđ ược điềukhiển —Dựa trên nềnvi xử lý, nhân thời gian thực, hệđiềuhành thời gian thực —Vídụứng dụng: công nghiệp hàng không-vũ trụ, robot công nghiệp, phương tiện giao thông, 2. Hệ thống điềukhiển công nghiệp (Industrial Control Systems) — Distributed Control Systems (DCS), Programmable Logic Controllers (PLC), Soft-PLCs —Cáchệ thống điềukhiểnphân cấp, phân tán — Ứng dụng trong CN chế biến, CN chế tạo 7 © 2004, HOÀNG MINH SƠN Chương 3: Vấn đề thờigianthực © 2005 - HMS Chiếcxehơicólàmộthệ TGT? Hơn 50 máy vi tính bên trong (μP) nốimạng Chúng ta có nên tìm hiểu nguyên lý hoạt động của chúng? 8 © 2004, HOÀNG MINH SƠN Chương 3: Vấn đề thờigianthực © 2005 - HMS Bus trường có phảilàmộthệ TGT? Sensor I/O Controller I/O Actuator Sensor I/O Actuator I/O Bus trường T sd T in T out T ad T c T s T io T a T bus 9 © 2004, HOÀNG MINH SƠN Chương 3: Vấn đề thờigianthực © 2005 - HMS Tính năng thờigianthực là yêu cầu chung củahầuhếtcáchệ thống thông tin công nghiệp! 10 © 2004, HOÀNG MINH SƠN Chương 3: Vấn đề thờigianthực © 2005 - HMS Đặc ₫iểmcủamộthệ thờigianthực  Tính phản ứng: Hệ thống phảiphản ứng vớicácsự kiệnxuấthiệnvàocácthời điểmkhôngbiếttrước.  Tính nhanh nhạy: Hệ thống phảixử lý thông tin một cách nhanh chóng để có thểđưarakếtquả phản ứng mộtcáchkịpthời.  Tính ₫ồng thời: Hệ thống phảicókhả năng phản ứng và xử lý đồng thờinhiềusự kiệndiễnra.  Tính tiền ₫ịnh: Dựđoán trước đượcthờigianphản ứng tiêu biểu, thờigianphản ứng chậmnhấtcũng như trình tựđưaracácphản ứng. [...]... (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... HOÀNG MINH SƠN A Ví dụ: A Các hệ thống xây dựng theo công nghệ Agent, Multi-Agent Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS 33 Các cơ chế giao tiếp Dữ liệu toàn cục (Global Data) © 2004, HOÀNG MINH SƠN — Giống như một vùng nhớ chung — Mỗi trạm đều chứa một ảnh của bảng dữ liệu toàn cục, trong đó có toàn bộ dữ liệu cần trao đổi của tất cả các trạm khác — Mỗi trạm gửi phần dữ liệu của nó tới tất cả các... thực Hệ điều hành thời gian thực là một hệ điều hành hỗ trợ các chương trình ứng dụng xử lý thời gian thực 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) Bản thân hệ điều hành thời gian thực cũng là một hệ thời gian thực Một hệ điều hành thời gian thực bao giờ cũng là một hệ đa nhiệm (multitasking), hỗ trợ xử... vụ độc lập với chương trình điều khiển -> giải pháp PLC và DCS Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS 24 Cấu trúc tiêu biểu của một 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 Chương 3: Vấn đề thời... 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 -... một hệ đa nhiệm (multitasking), hỗ trợ xử lý cạnh trạnh hoặc/và xử lý song song Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS 22 Vai trò của RTOS trong bộ ₫iều khiển Nạp chương trình, hỗ trợ thử nghiệm, gỡ rối chương trình Quản lý dữ liệu vào/ra và quản lý truyền thông — Giúp các chương trình ứng dụng dễ dàng truy cập dữ liệu mà không cần quan tâm tới cơ chế phần cứng cụ thể © 2004, HOÀNG MINH SƠN Quản... một chương trình => sử dụng an toàn hơn nhưng giao tiếp giữa các process phức tạp — Tiến trình nhẹ cân (lightweight process, thread): Thường thuộc một process, các thread của một process cùng chia sẻ một không gian địa chỉ => giao tiếp đơn giản thông qua các biến toàn cục, nhưng cần thận trọng Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS 21 © 2004, HOÀNG MINH SƠN 3. 3 Hệ ₫iều hành thời gian thực Hệ điều... của một hệ thống không chỉ phụ thuộc vào tính năng thời gian thực của từng thành phần, mà còn phụ thuộc vào cấu trúc liên kết và hình thức giao tiếp giữa các thành phần! Tính năng thời gian thực của hệ thống truyền thông phụ thuộc vào những yếu tố gì? — — — — Tốc độ truyền? Cấu trúc mạng? Phương pháp kiểm soát truy nhập bus? Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS 27 Ví dụ minh họa: Hệ ĐK qua... 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 READY WAITING © 2004, HOÀNG MINH SƠN DORMANT RUNNING Chương. .. cạnh tranh) — Hỗ trợ ₫ồng bộ hóa tiến trình: Giúp các tác vụ chia sẻ tài nguyên sử dụng chung (bộ nhớ, cổng vào/ra, ) — Hỗ trợ giao tiếp liên tiến trình: Giúp các tác vụ thực hiện giao tiếp, trao đổi dữ liệu hoặc phối hợp hoạt động Các chức năng kiểm tra, chẩn đoán lỗi Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS 23 RTOS trong các hệ thống ₫iều khiển Yêu cầu đặc biệt — Mã rất nhỏ, gọn — Đơn giản, dễ . SƠN Chương 1 Hệ thống thông tin công nghiệp 1/19/2006 Chương 3: Vấn ₫ề thờigianthực 2 © 2004, HOÀNG MINH SƠN Chương 3: Vấn đề thờigianthực © 2005 - HMS Chương. thực, hệ iềuhành thời gian thực —Vídụứng dụng: công nghiệp hàng không-vũ trụ, robot công nghiệp, phương tiện giao thông, 2. Hệ thống điềukhiển công nghiệp