Transcript capitulo12 - Departamento de Sistemas e Informática

Capacidades de tiempo real
Nora Blet
Informática III
Capacidades de Tiempo Real

Objetivo


Comprender el papel del tiempo en el diseño e
implementación de sistemas de tiempo real
Contenido:





Sistemas de referencia de tiempo
Relojes, retardos y límites temporales (time-outs)
Requisitos temporales
Ámbitos temporales
Tolerancia a fallos
Necesidades

Acceso al tiempo real




Representación de los requisitos temporales



leer el paso del tiempo en relojes
retrasar la ejecución de los procesos durante un tiempo
definir límites temporales para la ocurrencia de un suceso
(timeouts)
períodos de activación
plazos de ejecución
Análisis del cumplimiento de los requisitos temporales

Lo veremos en el próximo tema
Medida del tiempo


Objetivo: Comprender la importancia de la
medida del tiempo con precisión en el
desarrollo de sistemas de tiempo real
Contenido:


Sistemas de referencia de tiempo
Relojes y retardos
Acceso a un reloj

Si un programa ha de cumplir con determinados
requisitos temporales debe tener alguna forma de
medir el paso del tiempo



Accediendo al marco temporal del entorno (Ej.: GPS,
Internet utilizan una señal de tiempo internacional que se
emite por radiofrecuencia o por via satelital (UTC))
Mediante un reloj hardware interno que de una
aproximación adecuada del paso del tiempo del entorno
Desde la perspectiva del programador:


Mediante una primitiva del reloj del lenguaje
Programando un controlador (driver) de un reloj del
sistema asociado al procesador (reloj interno) o, un reloj
externo o un radioreceptor sintonizado con una señal de
tiempo internacional
Tiempo Universal

TU0 o UT0 (Tiempo Universal)




Tiempo solar medio en el meridiano 0. Definido
en 1884 (GMT)
1s = 1/86.400 de un día solar medio
Definición válida hasta 1955
Relativamente impreciso y variable

Día solar variante por acción de las mareas y otros
fenómenos
Tiempo de efemérides

Año trópico




Tiempo transcurrido por dos pasos de la tierra por un punto
definido 
1s=1/31 566 925, 9747 del año trópico de 1990
Definición oficial entre 1955 y 1967
Correcciones de UT0:


UT1: UT0 Corregido por el movimiento de los polos
(astrónomos)
UT2: UT1 Corregido por variaciones de la rotación de la
tierra
Tiempo atómico

Los relojes atómicos presentan una medida del
tiempo precisa y estable.




1s= 1/9 192 631 770 periodos de la radiación
correspondiente a la transición entre los dos niveles
hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio 133
en reposo a una temperatura de 0º K.
Definición oficial (SI) desde 1967
Precisión del orden de 10-13 (1s en 300.000 años)
TAI (tiempo atómico internacional)

definido en 1970

mantenido por una red coordinada por el BIMP (Bureau
International de Mésures et Poids)
Tiempo universal coordinado

El TAI se aparta lentamente del UT



La duración del día solar medio va en aumento
En 2001, la diferencia es aprox. de 32 s
UTC (Universal Time Coordinated)


Definido en 1972
UTC = TAI + H

H se elige de forma que |UT2 - UTC| ≤ 0,5 s
Relojes en Java

Reloj de hora del día (“reloj de pared”)



java.lang.System.currentTimeMillis() da el
número de milisegundos transcurridos desde UTC
1970-01-01:00:00
java.util.Date usa este valor para dar la fecha y
hora del día
Tipos de datos de alta resolución (RT Java)

representación del tiempo con resolución de 1 ns
Índice





Medida del tiempo y relojes
Retardos
Límites temporales (time-outs)
Requisitos temporales
Tolerancia de fallos
Retardos


Un retardo suspende la ejecución de una
tarea durante un cierto tiempo
Hay dos tipos


Retardo relativo: la ejecución se suspende
durante un intervalo de tiempo relativo al instante
actual
Retardo absoluto: la ejecución se suspende
hasta que se llegue a un instante determinado de
tiempo absoluto
Ejecución de un retardo
Índice





Medida del tiempo y relojes
Retardos
Límites temporales (time-outs)
Requisitos temporales
Tolerancia de fallos
Limitación del tiempo de espera


A menudo conviene limitar el tiempo durante el cual se espera
que ocurra un suceso
Ejemplos:
 Acceso a una sección crítica:


Sincronización condicional



La espera está limitada por la duración de la sección crítica
Ahora el bloqueo asociado no está limitado. Problema del buffer
acotado. Un proceso productor con un buffer lleno debe esperar un
tiempo indefinido a que un consumidor retire un ítem del buffer. Es
necesaria una primitiva de sincronización condicional con plazo. En
Java, puede utilizarse el método wait con un tiempo límite de
espera, ya sea con una granularidad de milisegundos o de
nanosegundos.
Cita entre dos tareas
Ejecución de una acción
Paso de mensajes y tiempo límite
de espera
task Controller is
entry Call(T : Temperature);
end Controller;
task body Controller is
-- declarations, including
New_Temp : Temperature;
begin
loop
accept Call(T : Temperature) do
New_Temp := T;
end Call;
-- other actions
end loop;
end Controller;
Problema: Modificar el controlador a fin de actuar cuando no se recibe
una entrega de temperatura rebasado un plazo.
Aceptación temporizada

Se puede especificar
una acción alternativa
en caso de que la
llamada no se reciba
(espera en la
recepción de un
mensaje) dentro de un
cierto intervalo
mediante una
aceptación
temporizada
Aceptación temporizada
task Controller is
entry Call(T : Temperature);
end Controller;
task body Controller is
-- declarations
begin
loop
select
accept Call(T : Temperature) do
New_Temp := T;
end Call;
or
delay 10.0;
-- action for timeout
end select;
-- other actions
end loop;
end Controller;
Llamada temporizada (en la tarea
invocante)


Se puede limitar el
tiempo que tarda en
aceptarse la llamada
(espera en el envio de
un mensaje) mediante
una llamada
temporizada
El driver del sensor está
leyendo temperaturas
continuamente y no
tendría sentido enviarle
al controlador una
lectura caduca, cuando
podría pasarle a este un
valor más nuevo
Llamada temporizada
loop
-- get new temperature T
Controller.Call(T);
end loop;
loop
-- get new temperature T
select
Controller.Call(T);
or
delay 0.5;
null;
end select;
end loop;
Llamada condicional

Se usa cuando quiere ejecutarse una acción
alternativa si la llamada no se acepta
inmediatamente (en lugar de hacer una invocación
temporizada con tiempo 0)
Acciones temporizadas

Se
puede
usar
una
transferencia
asíncrona
de control (ATC) para
limitar
el
tiempo
de
ejecución de una acción:

Es útil para detectar
recuperar fallos
y
Aplicación al cómputo impreciso

Se trata de ejecutar
rápidamente un parte
obligatoria
de
un
cálculo, y de iterar
sobre
una
parte
opcional que mejora el
resultado si le sobra
tiempo
Aplicación al cómputo impreciso
declare
Precise_Result : Boolean;
begin
Completion_Time := ...
-- compulsory part
Results.Write(...); -- call to procedure in
-- external protected object
select
delay until Completion_Time;
Precise_Result := False;
then abort
while Can_Be_Improved loop
-- improve result
Results.Write(...);
end loop;
Precise_Result := True;
end select;
end;
Índice





Medida del tiempo y relojes
Retardos
Límites temporales (time-outs)
Requisitos temporales
Tolerancia de fallos
Requisitos temporales
Hay dos formas de enfocar este tema:
 Métodos formales:




Especificar las propiedades temporales con un
modelo formal
Validar la especificación
Comprobar que la implementación satisface las
propiedades temporales
Métodos analíticos:
Analizar las propiedades temporales desde el
punto de vista de la planificación de las tareas
Seguiremos en detalle este último enfoque

Atributos temporales

Los
atributos
temporales de una
secuencia
de
instrucciones
definen
un marco temporal
para su ejecución
Parámetros temporales


Parámetros
D
L
Jmin
Jmax
C
Plazo de respuesta (R ≤ D)
Tiempo límite (tf ≤ L)
Latencia mínima
Latencia máxima
Tiempo de cómputo máximo
T
Período
T
Irregular, a ráfagas, estocástica
Separación mínima
Activación

Periódica

Aperiódica
Esporádica

Parámetros temporales






Latencia mínima Jmin: tiempo mínimo que debe transcurrir desde
que se produce el evento de activación hasta que ejecuta el Marco
Temporal
Latencia máxima Jmax: tiempo máximo que debe transcurrir desde
que se produce el evento de activación hasta que ejecuta el Marco
Temporal
Plazo de respuesta D: máximo tiempo en que la ejecución del
Marco Temporal debe haber finalizado, medido desde el evento de
activación del mismo
Tiempo de respuesta R: tiempo transcurrido desde que se produce
el evento de activación hasta que acaba la ejecución del Marco
Temporal
Tiempo de cómputo C: tiempo de utilización del procesador del
Marco Temporal
Tiempo límite L: Máximo tiempo en que la ejecución del Marco
Temporal debe haber finalizado, medido desde el comienzo de su
ejecución
Requisitos temporales de tareas


Los marcos temporales suelen ir asociados a tareas
o procesos
La mayoría de los atributos temporales pueden
satisfacerse al:




Ejecutar tareas periódicas
Ejecutar tareas esporádicas cuando ocurren los sucesos
correspondientes
Completar la ejecución de todas las tareas dentro de su
plazo de respuesta
La desviación del cumplimiento de un atributo
temporal se llama fluctuación o jitter
Criticidad
Una tarea de tiempo real puede ser
 Crítica (hard): No se puede admitir que se
sobrepase el plazo de respuesta especificado ni
una sola vez
 Acrítica o flexible (soft): Es admisible que se
sobrepase el plazo ocasionalmente
 Firme (firm): El plazo no es crítico, pero una
respuesta tardía no sirve para nada
 Interactiva: No se especifican plazos de respuesta,
sino tiempos de respuesta medios o adecuados
Índice





Medida del tiempo y relojes
Retardos
Límites temporales (time-outs)
Requisitos temporales
Tolerancia a fallos
Fallos temporales




Una tarea (en un sistema “probado”) puede
incumplir su plazo por varias razones, por ejemplo:
El tiempo de cómputo no está bien calculado
El análisis de tiempos de respuesta no es realista
Las herramientas de análisis contienen errores
No se cumplen las hipótesis de diseño (por
ejemplo, separación mínima entre eventos)
En estos casos hay que detectar los fallos
Si el sistema es crítico, debe recuperarse
Tolerancia a fallos de temporización

Para ser considerado tolerante a fallos de
temporización el sistema tiene que poder detectar:




El desbordamiento de un tiempo límite
El desbordamiento del tiempo de ejecución en el peor caso
Eventos esporádicos que ocurran más a menudo de lo
previsto
Tiempos límites de espera en comunicaciones
Reconfiguración basada en eventos

A menudo, las consecuencias de un error de temporización en
un proceso/hilo responsable de un tiempo límite, son:
 Otros procesos deben alterar sus límites temporales, o incluso
terminar lo que están haciendo
 Hay que arrancar nuevos procesos
 Si los cálculos importantes requieren más tiempo del procesador
del asignado, para tener tiempo extra, otros procesos menos
importantes pueden tener que ser “suspendidos”
 Los procesos tienen que ser “interrumpidos”, normalmente para
emprender una de las siguientes acciones:



Se debe devolver inmediatamente el mejor de los resultados
obtenidos
Cambiar a un algoritmo más rápido
Pasar a estar disponible para recibir nuevas instrucciones
Fuente de las transparencias



http://polaris.dit.upm.es/~jpuente/strl05/transparencias/Ti
empo.pdf
http://gsd.unex.es/~jdiaz/asig/str/transp/tiempore/TranspT
R_v0.pdf
libro de Alan Burns y Andy Wellings cuya versión en
castellano es: Sistemas de Tiempo Real y Lenguajes de
Programación (3ª Edición). Autor: Alan BURNS y Andy
WELLINGS. Editorial:ADDISON-WESLEY
Iberoamericana España, Pgs: 824 ISBN: 8478290583