sem0544 desenvolvimento de produtos mecatrônicos glauco caurin dalton matsuo jean minar jorge felix...

SEM0544Desenvolvimento de Produtos

Mecatrônicos

Glauco CaurinDalton Matsuo

Jean MinarJorge Felix Herrera

Jose Martins Jr.Kelen Teixeira Vivaldini

Leonardo Pedro

Sistemas de Tempo RealNão se trata de seguir uma receita de bolo !

Estímulo para pensar em hardware e software de uma forma diferente.

Pontos de vista controvertidos?

Aula 1 – Conceitos Básicos

Programa de Aulas


Aula Data Descrição Exercícios / Prática

1 26/2

Organização do CursoConceitos e História deSistemas de Operacionais Tempo Real.

2 5/03 Considerações de hardware Entrega da Lista de exercícios 1

3 12/03Apresentação do IDE Workbench

Treinamento introdutorio no WorkbenchAvaliação 1

4 19/03

Conceitos de RTOS(Escalonamento eGerenciamento de Memória)

Entrega da Lista de exercícios 2

5 26/03Tratamento de interrupções

Avaliação 2

6 09/04 Conceitos de Device Driver Prática com Workbench

7 16/04

RTOS (Sincronização eComunicação entre Processos)

8 23/04 Comunicação em Rede - I Entrega da Lista de exercícios 3

9 30/04 Comunicação em Rede - II Avaliação 3

Programa de Aulas


Aula Data Descrição Prática

10 7/05Prática com o Workbench com placa Digilent (Jean)

Prática com o Workbench com placa Digilent (Jean)

11 14/05

Controle de versão(Dalton)

12 21/05

Noções de Engenharia deSoftware Rational Rose Real Time, Rhapsody, outras ferramentas de modelagem de tempo real (Jorge) Entrega da Lista de exercícios 4

13 28/05Conceitos de Board Support Package - BSP Avaliação 4

14 11/06Hardware in the Loop(Leonardo)

15 18/06

Avaliação 5 – Entrega de projeto Avaliação 5 – Entrega de projeto

16 25/06

Avaliação 5 – Entrega de projeto Avaliação 5– Entrega de projeto

Bibliografia e Material de Aula

• Laplante, P.A.,Real Time Systems Design and Analysis, IEEE Press, 3rd. Edition, 2004

• Tanenbaum, Modern Operating Systems, 2nd Edition• Agrawala, A. K., Real-Time System Design• MISRA-C 2004 Guidelines for the use of the C language in critical

systems• MISRA, Development Guidelines For Vehicle Based Software,

1994• Mechatronics Real Time Linux http://143./~aroca/slax-rt/• http://www.windriver.com/developers/workbench/index.html


Guia para o Design de Produtos Mecatrônicos

O Nome do Jogo: Melhor, + Rapido, + Economico

Desafios

Identificação de Dependências, Requisitos:

Chave para as tomadas de decisões

Design Conceitual da Máquina e Design Mecânico

ExemploProjeto Sistema Limpa Grades

PROPOSTAS PRELIMINARES DE CONJUNTO DE LIMPEZA

ANALISE PRELIMINAR DA ESTRUTURA SUBMETIDA A ESFORÇOS

ESTIMATIVA DE ESFORÇOS HIDRODINAMICOS

Design Elétrico - Eletronico

Design do Software Embarcado

Robô Kuka

http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/10042#toc1

Virginia TechVirginia Tech

LabVIEW Robotics Software and NI RIO Hardware Bundle for Autonomous System Design

Usuário

Roteador wireless Linksys WRT54G (versões 5.0 e posterior)

Sistema iDrive da BMW

Impressoras Xerox Phaser

Mitel ICP 3000 IP PBX

Mars Reconnaissance Orbiter

Linguagens de Programação Preferenciais

• C, C++• ADA• Java

Antigas• Assembly• FORTRAN, PASCAL e até VB

Pre-Requisitos• Programação• Cálculo Discreto• Probabilidade e Estatística


Introdução

Sistemas que precisam ser processados num ritmo regular e temporizado:

• Aviões - Sequencias de pulso de acelerômetro para determinar sua posição

Sistemas que precisam ser processados rapidamente em situações não regular:

• Alarme de superaquecimento numa usina nuclear

Aplicações que de “certa forma” requerem tipicamente soluçoes de TEMPO-REAL

Guichê de aeroporto – 5 minutos ?? Tempo real ??


1.Terminologia

1.1 Conceitos do sistemas

Programas do Sistema– software de propósito genérico– software que se relaciona com o hardware subordinado– software que serve como ferramenta (compiler, assemblers e linkers)

Programas Aplicativos– software de propósito especifico


Definição 1

Sistema é um Mapeamento de um conjunto de entradas em um conjunto de saídas

Definição 2

Tempo de resposta do sistema: O tempo entre a apresentação de um conjunto de entradas para um sistema (estimulo) e a realização do comportamento desejado (resposta)

1.Terminologia

1.1 Definições de Tempo Real


Definição 3

Um sistema de tempo real é um sistema que deve satisfazer restrições de tempo de resposta explícitos (associados), caso contrario esta sujeito a severas consequências, inclusive de falência.

Definição 4

Um sistema falido é um sistema que não é capaz de atender umou mais dos requisitos estipulados pelas especificações formais

Definição 5

Um sistema de tempo real é aquele cuja correção lógica ébaseada tanto nas saídas corretas como em sua “boa temporização”

1.Terminologia Quando um sistema é de Tempo Real?


Definição 6

Soft Real-Time System é aquele cuja performance se degrada as não é destruida por falhas em atender as respostas com restrições de tempo.

Definição 7

Hard Real-Time System é aquele em que falhas em atender um unico prazo de resposta pode induzir à falencia completa e catastrófica do sistema.

Definição 8

Firm Real-Time System é aquele em que falhas em atender algumas respostas com restrições de tempo, não levarão à falencia total do sistema. Mas a perda de mais do que “algumas” pode induzir à falência completa e catastrófica do sistema.

1.Terminologia

A Natureza do tempo

Fim de um Prazo é um instante no Tempo !Como são definidos os Prazos ?• Fisica dos processos• Suposições e palpites• Importância da imprecisão dos relógios !


1.Terminologia1.1 Eventos e Determinismo


Mudanças de estado resultam em mudanças no controle de fluxo de um programa

Definição 9

EVENTO - Toda ocorrência que força o “program counter” a mudar não sequencialmente é considerada alteraçao no fluxo do programa

Definição 10

Tempo de liberação (release time) –instante quando um caso de umatarefa agendada esta pronto pararodar, geralmente associado a umainterrupção

1.Terminologia


Eventos Síncronos e Eventos Assíncronos

Eventos Síncronos -> Ocorrem em tempos previsíveis dentro do fluxo de controle

Eventos Assíncronos -> Ocorrem em tempos imprevisiveis dentro do fluxo de controle

Eventos Periódicos e Aperiódicos

1.Terminologia


Eventos Síncronos e Eventos Assíncronos

Periódico Aperiódico Esporádico

Sincrono Código CíclicoProcessosagendados porcódigo interno

Instrução deramificação

Ramificações :Traps

Assíncrono Interrupçãogerada porclock

Interrupçõesfrequentes masde período nãofixo

Excessõesgeradasexternamentos

1.TerminologiaDeterminismo

Manter o controle é fundamental ! O software deve ser capaz de prever e evitar cenarios instaveis

Outra característica de sistema controlados por software: A CPU buscacontinuamente e executa instruções do programa na área de memóriaao invés de outras áreas de dados ou áreas indesejadas da memória

Controle de software e hardware é mantido quando se consegue prever o próximo estado, dado o estado atual e o conjunto de entradas


Definição 11

Um sistema é determinístico se por cada estado possível e cada conjunto de entradas um único conjunto de saídas e o próximo estado do sistema pode ser determinado

Perigo

Determinismo de eventos próximos estados e saídas de um sistema são conhecidos para entradas que disparam eventos

1.Terminologia1.4 Utilização da CPU


Definição 12

Fator de Carga Temporal U é a medida daporcentagem de tempo de processamento não ocioso

Utilização Zoneamento (Classificação) Aplicação Típica0 – 25 Poder de processamento excessivo -

CPUdeve ser mais poderosa que o necessário

Varias

26 – 50 Muito Seguro Varias

51 - 68 Seguro Varias

69 Limite Teórico Sistemas Embarcados

70 - 82 Questionável Sistemas Embarcados

83 - 99 Perigoso Sistemas Embarcados

100+ Sobrecarregado Sistemas Embarcados

1.Terminologia1.4 Utilização da CPU

Período de Execução pFreqüência de Execução f

Tempo de Execuça – e – worst caseFator de utilização - u


2. Desafios do Design de Sistemas de Tempo Real


2. Desafios do Design de Sistemas de Tempo Real

Problemas que requerem a atenção:

• Seleção de software e Hardware e avaliaçao de COMPROMISSO custo x (sistema distribuído, paralelismo e sincronismo)

• Especificação e design do RTS e “representação” correta do seu comportamento temporal Nuances das linguagens de programação

• Design e gerenciamento de testes, seleção de equipamentos de desenvolvimento e teste

• Aproveitar as vantagens de sistemas abertos, avaliar a interoperabilidade entre eles (Padrão de Tempo Real CORBA).

• Medição e Previsão de tempos de respostas e sua redução. Execução de analises de escalonamento (agendamento), ou seja, determinando e garantindo a satisfação deadlines.


3. Exemplos de Sistemas de Tempo Real

Sistema de medidas inercial10 ms medidas em x,y,z pulsos de acelerômetrosTarefa fornecer para um display a 40 ms vetores deposição, velocidade e aceleração

Tarefas com correlação de tempo

Sistema de monitoramento de usina nuclearLidar com três eventos sinalizados por interrupção1o. Evento disparado por qualquer sinal severo entre os vários pontos de segurançaResposta em 1 s2o. Evento indica que o núcleo alcançou uma sobretemperaturaResposta em 1 msDisplay de operação atualizado 30 vezes por segundo


Como se consegue que uma indicação deeminência de derretimento interrompaqualquer outro processo ????

3. Exemplos de Sistemas de Tempo Real

Sistema de reserva de lugares em aviõesLidar com três eventos sinalizados por interrupçãoTempo de retorno de qualquer transação deve ser menor que 15 sSem “overbooking” (sistema ideal)Vários agentes podem querer acessar o sistema ao mesmo tempo

Trancamento de gravação,Mecanismos de comunicação que protegem o banco de dados dereservas contra alterações de mais de um atendente por vez,Como isto é feito ?????

Sistema de inspeção de garrafas Fabrica da KaizerLimpeza, Nível de Liquido, Presença de Tampa, etc ...

Sistema de controle de semáforo em um cruzamento com duas vias demão dupla


4. Falsos Conceitos

1. Sistemas de Tempo real são a mesma coisa que sistemas rápidos2. Analise de taxa monofônica resolveram o “problema de tempo real”3. Existem metodologias universais amplamente aceitas para a especificação e design de sistemas de tempo real4. Não existe nunca a necessidade de se construir um sistema de tempo real, pois já existem muitos sistemas comerciais5. O estudo de sistema de tempo real é preponderantemente um estudo da teoria de agendamentos


5. Breve Histórico

•Avanços Teoricos•Sistemas de hardware pioneiros•Desenvolvimentos de Hardware•Softwares Pioneiros•Suporte de Sistemas operacionais comerciais


Exercícios

1.1 Considere um sistema de pagamento para uma pequena firma de manufatura.

Descreva 3 cenários diferentes nos quais o sistema pode ser justificado como Hard, Firm e Soft Real Time

1.2 Discuta se os seguintes sistemas são Hard, Firm ou Soft Real Time:(a) O sistema de banco de dados de publicações disponíveis na Biblioteca da EESC.(b) O banco de dados da policia que fornece informações sobre veículos roubados(c) Uma maquina de jogos eletrônicos que opera com moeda(d) Um sistema de notas de uma Universidade(e) Um switch controlado por computador utilizado em uma compania de telefonia local como roteador

1.3 Considere um sistema de controle de tempo real para armamentos abordo de um avião caça. Discuta quais dos seguintes eventos podem ser consideradossíncronos e quais seria assíncronos:

(a) Um clock de interrupção gerado externamente com 10 ms(b) Um trap de divisão por zero(c) Um software de teste de falha embutido(d) Um sinal discreto gerado por um piloto apertando um botão de disparo de um foguete

(e) Um sinal discreto indicando falta de combustível


Exercícios

1.4 Descreva um sistema completamente não-tempo real, ou seja, não ha restrições qualquer tempo de resposta.1.5 Para os seguintes conceitos, preencha as células da tabela de taxonomia com os descritores para possíveis eventos. Estime os tempos para os eventos periódicos(a) Controle de elevador: este sistema controla todos os aspectos de um conjunto elevadores que serve a um predio de 40 andares no centro de São Paulo.(b) Controle Automotivo: este sistema para evitar colisões on-board usa dados de uma variedade de sensores e toma decisões e afeta comportamentos paraevitar colisões ou proteger os ocupantes num evento de colisão iminente.O sistema pode ter a necessidade de tomar o comando do automóvel do motorista.1.6 Para o sistema do exercício 1.2 quais seriam os tempos de resposta razoáveis para todos os eventos ?1.7 Para os sistemas exemplo apresentados no capitulo, enumere alguns eventos possíveis e marque se eles são periódicos, esporádico, assíncronos. Discuta tempos de resposta razoáveis para os eventos.


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