PDF de programación - Tecnología de sistemas de tiempo real

ditdit

UPM

Tecnología de sistemas de

tiempo real

Juan Antonio de la Puente

DIT/UPM

Copyright © 2007, Juan Antonio de la Puente

Motivación

 Los métodos, las herramientas y la tecnología que se

usan para construir otros tipos de sistemas no sirven para
los sistemas de tiempo real
– no son suficientemente fiables
– sólo contemplan el tiempo de respuesta medio, no el peor
– no garantizan los requisitos temporales

 Las plataformas de desarrollo y ejecución suelen ser

diferentes
– es difícil hacer pruebas en la plataforma de ejecución
– es difícil medir los tiempos con precisión

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Diseño de sistemas de tiempo real

 El diseño de un sistema tiene varios aspectos

– funcional: relación entre valores de entrada y de salida
– concurrente: actividades concurrentes, sincronización,

comunicación

– temporal: requisitos temporales
– arquitectónico: componentes, relaciones entre ellos

 Cada aspecto se expresa mejor con un tipo de notación.

Por ejemplo:
– Simulink para el aspecto funcional
– UML (con perfiles específicos) para el diseño detallado de

componentes

– AADL (Analysable Architecture Description Language) para los

aspectos de concurrencia y arquitectura

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Ejemplo: Simulink

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Ejemplo: AADL

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systemCDU_Processor_Software.Implp_CDU_Display_Manager : processCDU_Display_Manager.Impl<ndo>_to_<destcpm>_<sw>_Out_Socket<ndo>_to_<destcpm>_<sw>_Out<rate>thread<vm>_<rate><rate>thread<vm>_<rate>p_Communications_Manager : processCommunications_Manager.Impl<rate>thread<vm>_<rate><rate>thread<vm>_<rate><rate>thread<vm>_<rate><rate>thread<vm>_<rate><rate>thread<vm>_<rate><rate>thread<vm>_<rate><rate>thread<vm>_<rate><rate>thread<vm>_<rate><rate>thread<vm>_<rate>p_Flight_Manager : processFlight_Manager.Implp_CDU_IO_Manager : processCDU_IO_Manager.Impl<ndo>_to_<destcpm>_<sw>_Out<ndo>_to_<destcpm>_<sw>_Out<ndo>_to_<destcpm>_<sw>_Out<ndo>_from_<srccpm>_<sw>_In<ndo>_to_<destcpm>_<sw>_Out<ndo>_to_<destcpm>_<sw>_Out_Socket<ndo>_to_<destcpm>_<sw>_Out_Socket<ndo>_to_<destcpm>_<sw>_Out_Socket<ndo>_to_<destcpm>_<sw>_Out_Socket<ndo>_from_<srccpm>_<sw>_In<ndo>_from_<srccpm>_<sw>_In<ndo>_from_<srccpm>_<sw>_In<ndo>_from_<srccpm>_<sw>_In<ndo>_from_<srccpm>_<sw>_In_Group<ndo>_from_<srccpm>_<sw>_In_Group<ndo>_from_<srccpm>_<sw>_In_Group<ndo>_from_<srccpm>_<sw>_In_Group<ndo>_from_<srccpm>_<sw>_In_Group<ndo>_from_<srccpm>_<sw>_In_Group<ndo>_from_<srccpm>_<sw>_InEjemplo: UML

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Arquitectura global

aplicación

máquina simbólica

sistema operativo

hardware

lenguaje de programación

llamadas al sistema
+ lenguaje de máquina

lenguaje de máquina

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Desarrollo cruzado

fuentes

compilador

objetos

montador

RTS
lib

RTS
lib

Plataforma de desarrollo

depurador

simulador

ejecutable

Plataforma de ejecución

monitor

programa
cargado

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Lenguajes de programación

 Un lenguaje de programación de sistemas de tiempo real

debe facilitar la realización de sistemas
– concurrentes,
– fiables,
– con un comportamiento temporal analizable

 Hay varias clases de lenguajes de interés para STR:

– Lenguajes ensambladores

» flexibles y eficientes, pero costosos y poco fiables

– Lenguajes secuenciales (Fortran, C, C++)

» necesitan un SO para concurrencia y tiempo real

– Lenguajes concurrentes (Ada, Java, ...)

» concurrencia y tiempo real incluidos en el lenguaje

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 Es un lenguaje muy utilizado para programación de

sistemas

 Es un lenguaje

– estructurado, con bloques
– sin tipado fuerte
– muy flexible (pero a veces poco seguro)

 No tiene integrada la concurrencia ni el tiempo real

– se consigue invocando servicios del sistema operativo de forma

explícita

 No facilita la descomposición en módulos ni la

programación con objetos
– se puede hacer con C++

» extensión de C para programar con objetos
» no se suele usar en STR por problemas de fiabilidad

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Ejemplo: tarea periódica

void periodic () {
struct timespec next, period;

if (clock_gettime (CLOCK_MONOTONIC, &next) != 0) error();
period.tv_sec = 0;
period.tv_nsec = 10.0E6; /* 10 ms */

while (1) {
if (clock_nanosleep (CLOCK_MONOTONIC, TIMER_ABSTIME,
&next, 0) != 0) error();
acción periódica
next = next + period;
}
}

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Ada

 Es un lenguaje diseñado específicamente para

sistemas de tiempo real empotrados
– concurrencia
– tiempo real
– acceso al hardware e interrupciones

 Es un lenguaje descendiente de Pascal

– estructura en bloques
– fuertemente tipado

 Está pensado para construir sistemas grandes y

cambiantes
– paquetes (módulos) y esquemas genéricos
– extensión de tipos con herencia
– biblioteca jerárquica
– interfaces normalizadas con otros lenguajes (C, Fortran)

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Ada 2005

 Es la versión actual de Ada
 La norma define

– un núcleo común para todas las implementaciones

(core language)

– unos anexos especializados para

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» programación de sistemas
» sistemas de tiempo real
» sistemas de alta integridad
» sistemas distribuidos
» sistemas de información
» cálculo numérico
– Los anexos definen

» paquetes de biblioteca
» mecanismos de implementación

No añaden sintaxis ni vocabulario al lenguaje

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Ejemplo: tarea periódica

use Ada.Real_Time;
task body Periodic is
Period : constant Time_Span := Milliseconds(10);
Next_Time : Time := Clock;
begin
-- iniciación
loop
delay until Next_Time;
-- acción periódica
Next_Time := Next_Time + Period;
end loop;
end Periodic;

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Novedades en Ada 2005

 Mejor soporte para sistemas de tiempo real

– perfil de Ravenscar
– relojes y temporizadores de tiempo de ejecución
– nuevos métodos de planificación del procesador

 Mejoras en la programación mediante objetos

– interfaces

 Mejoras en la estructura de los programas y en las

reglas de visibilidad de las declaraciones

 Mejoras en la biblioteca estándar
 Otras mejoras en el lenguaje

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Perfiles para sistemas críticos

 El documento Guide for the use of the Ada programming

language in high-integrity systems define subconjuntos
seguros de Ada para aplicaciones críticas

 SPARK es un lenguaje que permite el uso de técnicas de

análisis estático
– subconjunto de Ada + anotaciones

 El perfil de Ravenscar define un subconjunto seguro de la
parte concurrente de Ada, y los correspondientes servicios
de sistema operativo

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Java

 Es un lenguaje pensado para construir sistemas

distribuidos
– basado en objetos dinámicos
– con concurrencia integrada en el lenguaje
– bibliotecas de clases (APIs) muy útiles
– pensado para que el código objeto sea portátil

» interpretado por una máquina virtual (JVM)
» “write once, run everywhere”

 La definición original no es adecuada para tiempo real

– la planificación de actividades concurrentes no está bien definida
– los mecanismos de sincronización son inadecuados
– la gestión dinámica de memoria introduce indeterminismo
– la medida del tiempo no es suficientemente precisa
– otros problemas con excepciones y concurrencia

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Java para tiempo real

 Real-Time Specification for Java (RTSJ)

– basada en un máquina virtual extendida para STR
– hay una implementación de referencia (TimeSys)
– y otras comerciales (por ejemplo, Jamaica)
– investigación: Java para sistemas de alta integridad (HIJA)

 Los compiladores y las máquinas virtuales para Java de

tiempo real no están todavía completamente maduros
– lo más complicado es la gestión de memoria y la recogida de

basura

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Ejemplo: tarea periódica

public class Periodic extends RealTimeThread {
public Periodic() {
super();
setReleaseParameters (
new PeriodicParameters (
new AbsoluteTime ( 0,0),
new RelativeTime (10,0),
...)
);
}

/* start */
/* period */

public void run() {
while (true) {
actividad periódica
waitForNextPeriod ();
}
}
}

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Lenguajes síncronos

 Se basan en un modelo matemático sencillo

– los sucesos son instantáneos
– las acciones también
– puede haber sucesos y reacciones simultáneos
– se puede efectuar un