Probleme administrative SISTEME EMBEDDED DISTRIBUITE ŞI DE TIMP REAL Fişa disciplinei: 3C+4P Accesla : http://etc.unitbv.ro/~romanca/sdtr-master Sau: http://www.unitbv.ro/dec/despredepartament.aspx -> Membri Prof.dr.ing. Mihai Romanca romanca@unitbv.ro Şef lucr.dr.ing Kertész Csaba-Zoltán- csaba.kertesz@unitbv.ro Studenţii sunt îndemnaţi să-şi tipărească slide-urile în avans şi să le utilizeze pentru a lua notiţe în clasă 2 Obiective disciplină Prezentarea şi descrierea conceptelor şi metodelor ştiinţifice de proiectare aplicabile sistemelor cu calculator încorporat distribuite şi de timp real Identificarea tendinţelor cercetării ştiinţifice în domeniu Elaborarea de proiecte de aplicaţii în domeniile: Reţele de senzori wireless Control industrial Domotică Electronică medicală Electronică auto Comunicaţii Bunuri de larg consum Cuprins curs 1. Introducere în sisteme embedded distribuite şi de timp real 2. Reţele de senzori wireless, arhitectura, sincronizare în timp, localizare resurse, rutare eficientă energetic, procesare distribuită, securitatea reţelei de senzori 3. Reţele de sisteme embedded auto. Tendințe în sistemele de comunicații auto, Comunicare declanşată de timp, tehnologii CAN, FlexRay, LIN, 4. Reţele de sisteme embedded în automatizări industriale. Sisteme Fieldbus, Real-Time Ethernet, Rețele industriale hibride / wireless de timp real 5. Reţele de sisteme embedded în controlul şi automatizarea clădirilor. Comunicaţii de date pentru automatizări distribuite în clădiri 3 4
Bibliografie 1. http://etc.unitbv.ro/~romanca/sdtr-master 2. Platforma e-learning TBD 3. Richard ZurawskiEditor, Embedded Systems Handbook second ed. -Networked Embedded Systems, 2009 by Taylor & Francis Group, ISBN-13: 978-1-4398-0761-3 (volumutilizatpentruprezentări la toate capitolele) 4. Hermann Kopetz, Real-Time Systems -Design Principles for Distributed Embedded Applications, Second Edition, ISBN 978-1- 4419-8236-0, DOI 10.1007/978-1-4419-8237-7, Springer Science, 2011 5. HennessyJ., PattersonD,Computer Architecture: A Quantitative Approach, 5th Edition, ebook ISBN: 9780123838735, ISBN: 9780123838728, Elsevier 2012, Appendix E Embedded Systems, http://booksite.mkp.com/9780123838728/references/appendix_e.pdf Forme de evaluare EVALUARE Evaluare Procent din nota finală Examen scris 40% Proiect Evaluare la curs Se alocă temele de proiect în prima săptămână de şcoală. Se pot elabora şi teme, sub formă de lucrare ştiinţifică originală, publicabilă, referitoare la stadiul actual, sau tendinţe ale cercetării în domeniu, pe baza tematicii propuse şi a structurii cursului. Formatul electronic se transmite coordonatorului de proiect cu cel puţin 1 săptămână înainte de colocviu, pentru validare, verificare originalitate şi feedback Participare la discuţii tematice, intrebari legate de cursul curent, teste, cu menţionare nominală în catalogul de prezenţă 50% 10% 5 6 Sistem embedded Un sistem cu calculator încorporat este: un sistem software care este complet încapsulat de resursa hardware pe care o controlează un sistem care conține cel puțin un calculator programabil(de obicei, sub forma unui microcontroler, a unui microprocesor sau a unui procesor DSP) și care este utilizat de persoane care, în principiu, nu sunt conștiente că lucrează cu un calculator un sistem pe bază de microprocesor construit pentru a controla anumite funcţii particulareşi care nu este construit pentru a fi programat de utilizatorul final, cum este la PC un sistem ce foloseşte o combinaţie de hardware şi software ( o maşină computaţională ) pentru a rezolva o funcţie specifică lucrând într-un mediu reactiv şi care impune constrângeri de timp. Sisteme distribuite şi de timp real? Def.1. Un sistem în timp real este celcare trebuie să proceseze informația și să producă un răspuns într-un timp limitat, altfel riscând consecințe grave într-un sistem cu o constrângere de timp real, nu este indicatsă ai o acțiune corectă sau un răspuns corect după un anumit termen trebuie să producă răspunsul înainte de termenul limită, altfel este inutil! Def.2. Orice activitate, procesare a informațiilor, sau sistem care trebuie să răspundă stimulilor de intrare generați extern într-o perioadă finită și specificată 7 8
Sisteme distribuite şi de timp real? Dacă sistemul de calcul în timp real este distribuit, el constă dintr-un set de noduri (de calcul) interconectate printr-o rețea de comunicare în timp real Un calculator în timp real trebuie să reacționeze la stimuli din mediul său în intervale de timp dictate de mediul său înconjurător Momentul când un rezultat trebuie să fie produs se numește un termen limită/deadline. Soft RT vs Hard RT Hard (dur-critic) Real Time: Nerespectarea unui termen de timp conduce la eşecul total al sistemului După termenul limită rezultatul este inutil, iar consecinţele sunt grave pentru sistem sau utilizator Firm (ferm) Real Time: Sunt tolerate nerespectări rare ale limitelorde timp, daracesteapot degrada calitatea serviciului sistemului După termenul limită rezultatul este inutil Soft (moale-sensibil) RT: Rezultatulesteutilşi după trecerea termenului limită de timp. Utilitatea unui rezultat scade după termenul limită, degradând astfel calitatea serviciilor furnizate de sistem. 9 10 Soft RT vs Hard RT Proiectarea unui sistem de calcul RT cu condiţii dure este fundamental diferită de proiectare a unui sistem RT sensibil la timp Exemple:ABS, control avion, sistem de rezervare a biletelor la aeroport, monitorizare supraîncălzire într-o centrală electrică nucleară, telefon mobil, controlul temperaturii unui cuptor, monitorizare ECG / aritmii Exemplu: Consideraţi un semafor de trafic pe un drum, înainte de o trecere de cale ferată. În cazul în care semaforul nu se schimbă în roșu înainte de a ajunge trenul, ar putea rezulta un accident 11 Soft RT vs Hard RT Generalizând, toate sistemele practice pot fi considerate a fi sisteme de timp real, deoarece trebuie sa produca o ieșire sau sa raspunda comenzilor utilizatorului într-o perioada rezonabila de timp Compania de asigurari care raspunde la scrisori, procesorul de text afisand pe ecran ceea ce a fost scris, telefoanele mobile răspunzând cu întârzieri care permit o conversație "confortabilă Sistemele la care timpii de răspuns sunt "incomod" de lungi reprezintă un motiv de enervare, dar sistemul funcționează chiar dacă termenele limită nu sunt uneori îndeplinite, se numesc sisteme soft RT (sensibile la timp) Sistemele în care nerespectarea constrângerilor de timp ale răspunsului conduce la eșecul catastrofal al sistemului se numesc sisteme hard RT (critice in timp real) Prăbușirea aeronavei, deraparea autovehiculului, moartea pacientului înainte de efectuarea acțiunii corective Ne interesează aici sistemele hard RT 12
Cyber-Physical Systems Un sistem de calcul RT este întotdeauna parte a unui sistem mai mare acest sistem mai mare este numit sistem RT sau sistem fizico-cibernetic (CPS - cyberphysical systems) Un sistem de calcul real-time este un sistem de calcul la care corectitudinea comportării sistemului (prin secvenţa temporală de ieşiri ale sistemului) depinde nu doar de rezultatele logice al calculului, dar de asemenea de momentul când aceste rezultate sunt produse. Un sistem RT se schimbă în funcţie de timpul fizic de exemplu o reacţie chimică continuă să schimbe starea sa chiar şi după ce controlul realizat de sistemul de calcul s-a încheiat. 13 Real-time system (Kopetz, 2011) Este util să împărţim un sistem RT în mai multe subsisteme, sau clustere Exemple de clustere : echipamentul fizic sau sistemul ce trebuie controlat (clusterul controlat), sistemul calculator RT(clusterul computaţional) şi operatorul uman(clusterul operator) Clusterele controlat şi operator reprezintă mediul înconjurător al clusterului computanţional. Operator cluster operator om -maşină Sistem de calcul RT cluster computaţional de instrumentaţie Obiect controlat cluster controlat 14 Real-time system (Kopetz, 2011) Interfața dintre operatorul uman și calculatorul în timp real se numește interfața om-mașină Interfața om-mașinăeste formată din dispozitive de intrare (de exemplu, tastatura) şi dispozitive de ieșire (de exemplu, ecran), care interfaţează cu operatorul uman. Interfața dintre obiectul controlat și calculatorul în timp real se numește interfața de instrumentație. Interfața instrumentaţieconstă din senzori și elemente de execuţie care transformă semnalele fizice (de exemplu, tensiuni, curenți) din clusterul controlat într-o formă digitală și invers. Multitasking preemptiv Sistemul embedded RT este un sistem complex, putând controla mai multe taskuri, cu priorităţi diferite maximă Prioritate rata 1 Operator cluster operator om -maşină Sistem de calcul RT cluster computaţional de instrumentaţie Obiect controlat cluster controlat 15 minimă Task în execuţie Perioadă de preemţiune pentru un task mai prioritar rata 2 rata 3 timp 16
Reţele de sisteme embedded Aspecte istorice ale evoluţiei remarcabile pentru sistemele embedded (dezvoltare în ultimii 20 de ani): Asamblarea componentelor discrete pe plăcile cu circuite imprimate Asamblarea în siliciu (chip) de componente IP (Intellectual Property) SoC oferă un potențial de încorporare de funcționalități complexe și de satisfacerea cerințelor de performanță cerute de aplicații cum ar fi procesoare DSP, rețele digitale și multimedia. Apariția unor sisteme integrate distribuite, numite adesea sisteme încorporate în rețea "în rețea" semnifică importanța infrastructurii de rețea și a protocolului de comunicare Reţele de sisteme embedded Un sistem încorporat în rețea conţine O colecție de noduri încorporate distribuite spațial și funcțional O infrastructură de interconectare prin cablu sau fără fir Protocoale de comunicaţie Interacțiunea cu mediul (prin intermediul elementelor senzor / actuator) Interacţiune între noduri pentru funcţii de control, coordonare a prelucrării şi comunicare 17 18 Avantaje ale apariţiei sistemelor încorporate legate în rețea Domenii specifice de aplicare (aeronave, automobile, trenuri, clădiri inteligente, zonele industriale, mediul înconjurător Nevoia de a înlocui conexiuni cablate punct-la-punct cu o singură magistrală Infuzia de inteligență în dispozitivele programabile distribuite zonal (de exemplu senzori și elemente de execuţie) Circuitele de control utilizate cu aceste dispozitive oferă capacităţi locale de achiziţie de date, prelucrare a datelor, funcții de comunicare Sarcini de prelucrare distribuite fizic Răspuns în timp real Costuri mai reduse de instalare şi întreţinere hardware şi software Reducerea volumului de date transmis în reţea Creşterea performanţelor generale ale sistemului prin exploatarea paralelismului Uşurarea proceselor de întreţinere şi upgrade Mediul de comunicare Rețelele specializate utilizează diverse medii de comunicare: 1. Fir: perechi de cabluri torsadate canalele de fibră optică -în medii periculoase, cum ar fi instalațiile chimice și petrochimice liniile electrice de alimentare - în automatizarea clădirilor 2. Fără fir: canalele de radiofrecvență conexiunile în infraroșu etc. 3. Hibride: compuse din cabluri extinse prin legături fără fir. Utilizarea rețelelor cu fir este dominantă 19 20
Mediul de comunicare W-Less Tehnologia fără fir oferă avantaje în unele domenii de aplicare În domeniul automatizării industriale, rețelele wireless (senzor / actuator) pot oferi: Un suport pentru funcţionare mobilă necesară în cazul roboților mobili Monitorizarea și controlul echipamentelor în medii periculoase și dificil de accesat etc. Într-o reţea fără fir de senzori / actuatori, stațiile pot interacționa între ele direct (punct la punct) sau prin intermediul unei staţii de bază Stația de bază poate avea transmițătorul său atașat la un cablu dintr-o rețea fir zonală, dând naștere unui sistem hibrid fir / fără fir Sistem reactiv şi de timp real Varietatea domeniilor de aplicare impune diferite cerinţe funcţionale şi nefuncţionale pentru sistemele embedded în reţea Cele mai multe dintre sisteme trebuie să funcţioneze într-un mod reactiv În plus trebuie satisfăcute cerinţele de timp real, prin care sistemul trebuie să răspundă într-un interval predefinit de timp, conform cu dinamica procesului controlat. Nevoia de a garanta un răspuns determinist este îndeplinită folosind scheme adecvate de planificare, care sunt adesea implementate în sisteme de operare de timp real specifice domeniului sau executive de timp real proiectate personalizat aplicaţiei 21 22 Securitatea sistemelor distribuite Diverse rețele, dezvoltate pentru diferite domenii de aplicare Interconectare reţele embedded cu LAN, WAN (Wide Area Network) și Internet Expunerea sistemelor distribuite la potenţiale atacuri de securitate ce pot provoca daune Implementare politici de securitate peste resursele limitate ale nodurilor încorporate Versiunile personalizate ale familiilor de protocoale standard de securitate, precum Secure Sockets Layer (SSL) și IP Security Protocol (IPSec), pot să nu fie potrivite din cauza cererii excesive de resurse Soluțiile potențiale de securitate pentru sisteme distribuite depind în mare măsură de dispozitivul sau sistemul specific protejat, de domeniul aplicațiilor, de extinderea rețelelor interneși a arhitecturii acestora. Proiectare sisteme embedded distribuite Metodele de proiectare pentru sistemele încorporate în rețea se încadrează în categoria generală de proiectare la nivel de sistem, incluzând trei aspecte: 1. Proiectarea nodurilor 2. Proiectarea arhitecturii rețelei. Important: Selectarea protocolului adecvat de comunicare O aplicație critică la siguranță va utiliza un protocol bazat pe controlul accesului la mediul prin acces multiplu cu divizare în timp (TDMA Time Division Multiple Access) pentru a asigura accesul determinist la mediu Selectarea mediului de comunicare Pentru o aplicație în automatizarea și controlul clădirilor, alegerea mediului de comunicație se poate referi la firele de energie electrică din clădirea existentă sau fire dedicate torsadate într-o nouă construcție. Topologia rețelei depinde în mare măsură de domeniul de aplicare În sistemele de automatizare industrială, topologia dominantă este magistrala (bus) Rețeaua din clădiri poate avea o topologie complexă cu multe domenii logice 3. Analiza sincronizării întregului sistem 23 24
3. Analiza sincronizării Se urmăreşte obținerea timpilor reali pentru arhitectura aleasă Aceasta presupune mărimi pentru executarea sarcinilor, cum ar fi: Timpul de execuție în cel mai rău caz (WCET-worst-case execution time) Timpul de execuție în cel mai bun caz (BCET- best-case execution time) Timpul mediu de execuție Timpul de răspuns al unei sarcini de la apelare până la finalizare Întârziere end-to-end Jitter, sau variație în timpul de execuție a unei sarcini 3. Analiza sincronizării Timpul compozital procesăriidatelor (WCET-worst-case execution time) și al transmisiei(timpul de răspuns în cel mai rău caz) trebuie să fie mai scurt sau egal cu timpul maxim permis de dinamica procesului aflat sub control În cazul altor noduri conectate la rețeaua de comunicații partajată, poate apărea o concurenţăpentru accesul mediu pentru sistemele critice la siguranță și pentru cele hard RT, dacă se adoptă o planificare fixă de transmisie cum sunt de exemplu protocoalele TDMA declanșate de timp Analiza sincronizării se face pentru a determina dacă timpul de răspuns în cel mai rău caz pentru toate sarcinile compozite care formează buclele de control este mai mic sau egal cu termenul limită. 25 26