12. Progettare Sistemi Real-Time

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12. Progettare Sistemi Real-Time

• Progettare sistemi software il cui comportamento
  è condizionato da vincoli di tempo
• Mostreremo perché i sistemi real-time sono
  progettati come insieme di processi concorrenti
  che cooperano
• Mostreremo lutilità dei modelli di stato nella
  progettazione di sistemi real-time
• Descriveremo la piattaforma di supporto richiesta
  da questi sistemi
• Introdurremo architetture generiche per alcuni
  tipi di sistemi real-time

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Sistemi Real-time

• Sistemi che effettuano il monitoraggio o il
  controllo del loro ambiente
• Sono sempre associati a dispositivi hardware
• Sensori Raccolgono dati dallambiente del
  sistema
• Attuatori Modificano (in qualche modo)
  lambiente del sistema
• Il fattore tempo è critico I sistemi real-time
  devono rispondere entro un tempo specificato

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Hard/Soft Real-Time Systems

• Un sistema real-time è un sistema il cui corretto
  funzionamento dipende dai risultati prodotti dal
  sistema e dal tempo necessario per produrre tali
  risultati.
• Un sistema real-time soft è un sistema le cui
  operazioni subiscono un degrado se i risultati
  non sono prodotti nei tempi specificato
• Un sistema real-time hard è un sistema in cui
  le operazioni sono errate se i risultati non sono
  prodotti nei tempi specificati

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Sistemi a Stimolo/Risposta

• Dato uno stimolo, il sistema deve produrre una
  risposta entro un tempo specificato
• Stimoli periodici stimoli che si verificano a
  intervalli di tempo predicibili
• Ad esempio un sensore che rileva la temperatura
  dellambiente può essere consultato 10 volte al
  secondo
• Stimoli aperiodici stimoli che si verificano a
  tempi non predicibili
• Per esempio, un black-out elettrico può causare
  uninterruzione che deve essere elaborata da un
  sistema di shut-down automatico.

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Architettura di un sistema Real-Time

• Larchitettura del sistema deve permettere switch
  veloci tra i gestori degli stimoli
• I vincoli di tempo legati ai diversi stimoli
  possono essere diversi un semplice loop
  sequenziale può non essere adeguato
• I sistemi real-time sono di solito progettati
  come processi cooperativi con una centralina che
  controlla questi processi

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Architettura di un sistema real-time
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Elementi del sistema

• Processi di controllo dei sensori
• Raccolgono informazioni dai sensori. Possono
  bufferizzare linformazione raccolta in risposta
  allo stimolo del sensore
• Processi che elaborano dati
• Sono responsabili dellelaborazione di dati
  raccolti e producono la risposta del sistema
• Processi di controllo degli attuatori
• Generano segnali di controllo per gli attuatori

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Processi sensore/attuatore
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Progettazione del sistema

• Le decisioni di progettazione sono molto legate a
  requisiti non funzionali del sistema
• Partiziona le funzionalità dellhardware e del
  software
• Identifica gli stimoli che devono essere
  elaborati, le risposte corrispondenti, e i
  vincoli di tempo associati ad ogni stimolo
• Aggrega i processi stimolo/risposta in processi
  concorrenti. Ad ogni classe di stimolo e risposta
  può essere associato un processo

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Progettazione del sistema

• Progetta gli algoritmi corrispondenti ad ogni
  classe stimolo/risposta, garantendo che
  rispondano ai requisiti di tempo
• Progetta un sistema di scheduling che assicuri
  che i processi vengano attivati al momento
  opportuno
• Integra il sistema con un real-time executive
  (RTE) o con il sistema operativo
• Esegui simulazioni e sperimentazioni per
  assicurare che i vincoli di tempo siano
  soddisfatti dal sistema
• I vincoli di tempo possono imporre luso di
  costrutti a basso livello o labbandono di
  progettazione OO per ragioni di efficienza

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Modello macchina a stati finiti

• Leffetto di uno stimolo può essere modellato
  come passaggio da uno stato ad un altro, usando
  una modellizzazione con macchina a stati finiti
• I modelli FMS sono difficilmente strutturabili.
  Sistemi anche semplici possono avere un modello
  complesso
• Per gestire la complessità in un modello di
  macchina a stati finiti si possono usare
  diagrammi di thread che mostrano le sequenze
  legate ad ogni singolo evento

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Macchina a stati finiti microonde
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Stati del forno a microonde
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Stimoli del forno a microonde
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Diagramma di thread

• Usati per strutturare e presentare linformazione
  del modello a stati finiti
• Mostra lelaborazione end-to-end di un
  particolare insieme di stimoli
• Per ogni combinazione di messaggi, bisogna
  produrre un diagramma dei threads. Questo rende
  impraticabile questo approccio in presenza di
  stimoli multipli

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Thread piena potenza
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Real-time executives

• Un Real-time executive è un sistema operativo
  specializzato che gestisce processi in sistemi
  real-time allocazione di processori e di memoria
  
• Non include facilities come la gestione di files
• Componenti
• Real Time Clock offre informazioni per lo
  scheduling
• Gestore Interruzioni gestisce richieste
  aperiodiche di servizi
• Scheduler seleziona il prossimo processo da
  eseguire
• Resource manager alloca risorse (processori e
  memoria)
• Dispatcher determina linizio dellesecuzione
  dei processi

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Real-time Executive
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Componenti di un sistema non-stop

• Configuration manager
• Responsabile della riconfigurazione dinamica del
  sistema software e hardware. I moduli hardware
  devono essere sostituiti e deve essere fatto
  lupgrade di quelli software senza che il sistema
  si blocchi.
• Fault manager
• Responsabile dellindividuaizone di guasti
  hardware o software, e delle azioni conseguenti
  (ad es. attivare il gruppo di continuità) per
  assicurare che il sistema continui ad operare.

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Assegnare priorità ai processi

• La gestione di alcuni stimoli può avere priorità
  su altre
• Livelli di priorità legati alle interruzioni. La
  priorità più alta viene data ai processi che
  richiedono risposta veloce
• Livelli di priorità legati al clock. Legati a
  processi periodici
• Altre combinazioni

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Gestione delle interruzioni

• Il controllo viene trasferito automaticamente a
  una locazione di memoria predeterminata
• Questa locazione contiene unistruzione per
  saltare alla routine corrispondente allinterrupt
• Ulteriori interruzioni sono disabilitate
  linterrupt viene gestito e il controllo
  restituito al processo interrotto
• Le routines di servizio delle interruzioni devono
  essere semplici e veloci.

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Gestione dei processi periodici

• Nella maggior parte dei sistemi real-time, ci
  sono diverse classi di processi periodici, ognuno
  con una diversa
• periodicità (il tempo tra unesecuzione e
  laltra),
• tempo di esecuzione
• scadenza (il tempo entro cui il processo deve
  essere completato)
• Il clock scatta periodicamente ed ogni scatto
  causa un interrupt che schedula il process
  manager per processi periodici
• Il process manager seleziona un processo che è
  pronto per essere eseguito

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Gestione di processi con RTE
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Switch di processi

• Lo scheduler sceglie il prossimo processo che
  deve essere eseguito. Questo dipende da una
  strategia di scheduling che deve tener conto del
  livello priorità dei singoli processi
• Il resource manager alloca memoria e un
  processore al processo che deve essere eseguito
• il dispatcher prende un processo dalla lista di
  quelli pronti per essere eseguiti, lo carica in
  un processore e ne inizia lesecuzione

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Sistemi di monitoraggio e di controllo

• Sistemi che comprendono sensori che attuano
  periodicamente delle verifiche sul proprio
  ambiente e che attivano azioni in risposta ai
  valori dei sensori
• I sistemi di monitoraggio esaminano i sensori e
  ne riportano i risultati
• I sistemi di controllo prendono i valori dei
  sensori e controllano gli attuatori hardware

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Sistema di allarme anti-intrusione

• Sensori
• Sensori dambiente, alle finestre, alle porte
• Azioni
• Quando un intruso viene segnalato, la polizia
  viene allertata immediatamente
• Si accendono le luci nelle stanze con sensori
  attivi
• Viene attivata una sirena
• Il sistema passa automaticamente al gruppo di
  continuità appena viene segnalato una caduta di
  tensione elettrica

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Stimoli da elaborare

• Black-out elettrico
• Segnale aperiodico generato monitorando il
  circuito. Quando viene ricevuto il sistema deve
  attivare entro 50 ms. il gruppo di continuità
• Allarme dintrusione
• Stimolo generato dai sensori del sistema. La
  risposta è una chiamata alla polizia,
  laccensione delle luci e della sirena

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Requisiti sui tempi di risposta
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(No Transcript)
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Sistemi di controllo

• Il sistema di allarme è soprattutto un sistema di
  monitoraggio. Colleziona dati dai sensori, ma non
  ha un controllo real-time degli attuatori
• I sistemi di controllo sono simili, ma in
  risposta ai valori dei sensori, i sistemi mandano
  segnali agli attuatori
• Esempio di sistemi di monitoraggio e controllo è
  un sistema che controlla la temperatura e accende
  o spegne la caldaia ed i termosifoni in un
  sistema di riscaldamento

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Sistema di controllo della temperatura
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Sistemi di acquisizione dati

• Raccolgono dati da sensori per essere
  successivamente elaborati e analizzati
• Il processo di raccolta dati e di elaborazione
  possono avere periodicità e deadlines diverse
• La raccolta dati può essere più veloce
  dellelaborazione (es. raccolta di informazioni
  su unesplosione)
• Le differenze di velocità possono essere trattate
  usando buffers circolari (o ad anello)

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Raccolta dati di un reattore

• Il sistema raccoglie dati da sensori che
  monitorano il flusso di neutroni da un reattore
  nucleare
• Il flusso dei dati viene posto su un buffer per
  essere elaborato successivamente
• Il buffer ad anello è a sua volta implementato
  come un processo concorrente, così che la
  raccolta dati e lelaborazione possano essere
  sincronizzati

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Monitoraggio del flusso di un reattore
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Un buffer ad anello
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Mutua esclusione

• Il produttore raccoglie dati e li aggiunge al
  buffer. Il consumatore elabora i dati dal buffer
  e rende disponibili i risultati
• I processi produttore e consumatore devono essere
  mutuamente esclusivi.
• Il buffer deve inibire il processo del produttore
  quando è pieno, e deve interrompere il processo
  del consumatore quando tenta di prendere
  informazione dal buffer vuoto