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ANÁLISIS E IMPLEMENTACION DE CARACTERISTICAS DE RTOS

Diego Martínez CastroGITCoD

Departamento de Automática y ElectrónicaUniversidad Autónoma de Occidente

Santiago de Cali, Colombia

Simposio Argentino de Sistemas Embebidos 2012FI-UBA, Buenos Aires, Argentina

Agosto 16 de 2012

Contenido

• Motivación

• Arquitectura de los nodos• Sistemas distribuidos de tiempo real

2/66Motivación Arquitectura de los nodos Sistemas distribuidos de tiempo real

Contenido

• Motivación



Definición de un sistema de tiempo real

“Cualquier sistema que tiene que responder a estímulos generados externamente dentro de un plazo especificado y finito”

El correcto funcionamiento de un sistema de tiempo real

depende de:• El resultado lógico de la computación.• El tiempo que se tarda en generar el resultado.


Sistemas críticos

Definición de un sistema de tiempo real

Sistemas no críticos


Video Frame con soporte de QoS

Video Frame sin soporte de QoS

Ejemplos de sistemas de tiempo real


La cardioversión eléctrica es un tipo de terapias que mediante la aplicación de un choque eléctrico de corriente continua consigue revertir distintos trastornos del ritmo cardíaco.

Si el pulso es aplicado durante la onda T entre 50 ms y 150 ms después del complejo QRS, se podría introducir una fibrilación en el corazón.


Gráfica tomada de: Roberto Méndez. El “chispazo” o cardioversión: Cuando una descarga eléctrica puede salvarnos la vida.


Los retrasos y el jitter que introduce la red de comunicaciones en las aplicaciones de control, han dado lugar a que en algunos casos no se obtenga una buena correspondencia entre los resultados experimentales y los objetivos de control propuestos.



Resultados experimentales de una WSAN

08.21128.5

5.142)( ++

=ss

G sp

)(221

20

)( zz zz

qzqzqU ε

−++=

s

dp T

KKq +=0 si

s

dp TK

T

KKq +−−= 2

1s

d

T

Kq =2

2=pK 4=iK 1=dK

,

Resultados experimentales, periodo 90ms y retraso 30ms Resultados experimentales, periodo 90 ms y retraso 80 ms



Planificadores y Análisis de planificabilidad

En que orden ejecutar las tareas para cumplir con los plazos?

Planificadores• Planificadores cíclicos.• Planificadores por prioridades fijas.• Planificadores por prioridades dinámicas.

Análisis de planificabilidad• Test de Utilización• Test de Utilización


Contenido

• Motivación



Arquitectura lógica de un nodo

• Tareas.• Procesadores.• Planificadores de tareas.

Los componentes del sistema deben tener un comportamiento predecible para poder garantizar el cumplimiento de plazos.


TareasUna tarea es un programa en ejecución: código, variables y

contexto (valor del contador de programa (PC), apuntador de pila (SP) y demás registros utilizados por el programa).

Un programa es pasivo (es sólo el código almacenado en la memoria de programa) y una tarea es activa y dinámica (cambia en el tiempo).


Ejecución de una tareaTareas


Ejecución de varias tareas

Tareas


Estados de las tareas

Tareas


Cambios de contexto

Tareas


Arquitecturas de nodos de WSN


Arquitectura de nodos de WSN


CC2430


AT89C51CC03



• Componentes para el diseño.• Procesadores.• Planificadores de tareas.


Planificación de tareasEl planificador es el componente del sistema operativo que decide cual de las

tareas listas para ser ejecutadas es la que debe ejecutarse, de manera que permite la ejecución “concurrente” (alternada) de las tareas.


Análisis de planificabilidad extremo-extremo para WSAN

Control del orden de ejecución de las tareas:• Controlador de interrupciones:

• Duración de la atención a la interrupción.• Flexibilidad.

• Planificadores:• Planificadores por prioridades fijas.• Planificadores por prioridades dinámicas.


Diseño de un Planificador de Tareas por Prioridades Fijas para el Microcontrolador

AT89C51CC03.


Filtro Hanning. Filtros FIR utilizados para reducir el ruido de alta frecuencia. Un método simple para reducir el ruido de alta frecuencia es simplemente promediar varios datos de medidas adyacentes.

Implementación de un Filtro Hanning

( )4

2 2)(

1)()(

)(

−− ++=

zxzxxY zzz

z

( )4

2 )2()1()()(

−− ++= kkk

k

xxxY

Respuesta al impulso


Ubicación de polos y ceros



Respuesta en frecuencia



El Microcontrolador 8051

Diagrama de bloques

Atmel 8051 Microcontrollers Hardware Manual


Proyecto: Ejecución de dos filtros FIR pasa bajo.


Estructuras de una Tareatypedef struct _tarea{

char estado; // Activa(1) o inactiva(0)

void (*PunteroTarea)();

char prioridad;

char tipoTarea; //1 Periodica 2 No Periodica

char tipoEvento;

char tEstatico;

char buzon;

char tPSW; // Registro de banderas de la tarea

char tACC; // Acumulador de la tarea

}Tarea;


Configuración del temporizadorvoid configureTimer0(int Ciclos_Maq){

TMOD &= 0xF0;

TMOD = TMOD + (C_T_T0 * 4) + MODO_T0;

variable = 65536 - Ciclos_Maq;

TL0 = variable;

TH0 = variable >> 8;

#pragma asm

SETB IEN0.1

SETB IEN0.7

SETB TR0

#pragma endasm

}


void it_timer0 (void) interrupt 1{

int i, aux;

TL0 = variable;

TH0 = variable >> 8;

aux= punteroPlan;

aux=aux/256;

for(i=0;i<ctdadTareas;i++){

(&tareas[i])->tipoEvento--;

if((&tareas[i])->tipoEvento==0){

(&tareas[i])->tipoEvento=(&tareas[i])->tEstatico;

(&tareas[i])->estado=1;

}

}

DPL=(punteroPlan);

DPH= aux;

#pragma asm

PUSH DPL

PUSH DPH

SETB EA

RETI

#pragma endasm

}

Subrutina de atención a la interrupción del

temporizador

35/66

Instalación de tareas en el núcleo

void instalarTarea(Tarea *tarea){

//Agregando tareas al vector de tareas

tareas[ctdadTareas].estado = tarea->estado;

tareas[ctdadTareas].prioridad=tarea->prioridad;

tareas[ctdadTareas].tipoTarea=tarea->tipoTarea;

tareas[ctdadTareas].tipoEvento=tarea->tipoEvento;

tareas[ctdadTareas].tEstatico=tarea->tEstatico;

tareas[ctdadTareas].PunteroTarea=tarea->PunteroTarea;

tareas[ctdadTareas].buzon=tarea->buzon;

tareas[ctdadTareas].tPSW=0;

tareas[ctdadTareas].tACC=0;

ctdadTareas++;

}36/66Motivación Arquitectura de los nodos Sistemas distribuidos de tiempo real

Ordenamiento de tareas por prioridad

void organizarPorPrioridad(void){

Tarea *taux;

int i, j;

for(i =0;i<ctdadTareas;i++){

taux=&tareas[i];

for (j =i+1;j<ctdadTareas;j++){

if(tareas[i].prioridad > tareas[j].prioridad){

tareas[i]=tareas[j];

tareas[j]=*taux;

}

}

}

}


Planificador y despachador de tareasfor ( i = 0; i < ctdadTareas; i++){

if(tareas[i].estado){

tActiva=i;

aux= tareas[i].PunteroTarea;aux=aux/256;

PSW = tareas[i].tPSW;

ACC = tareas[i].tACC;

DPL=(tareas[i].PunteroTarea);

DPH= aux;

#pragma asm

PUSH DPL

PUSH DPH

#pragma endasm

}

}

}


Tarea

void TAR0 (){

if(cerrojo.valor) block(&(tareas[0]),&cerrojo); // Bloquea a otras tareas usuarias del recurso

else{

lock(); //Toma los recursos: ADC

getADCdata();

value_converted = (value_converted + (2*value_converted1) + value_converted2)/4;

value_converted2 = value_converted1;

value_converted1 = value_converted;

caracter = value_converted*255/1023;

UARTTransmit(caracter);

unlock(); //Libera los recursos

unblock(); //Desbloquea a las tareas que están a la espera del recurso

aux= punteroPlan;

aux=aux/256;

DPL=(punteroPlan);

DPH= aux;

#pragma asm

PUSH DPL

PUSH DPH

RET

#pragma endasm

}

}39/66

Contenido

• Motivación



Redes inalámbricas de sensores

Redes de sensores:• La naturaleza y complejidad de las nuevas aplicaciones.• Aumento de la potencialidad del sistema a menor coste.

• Aumento de la flexibilidad de las aplicaciones.

Redes inalámbricas de sensores (finales década de los 90):• Red de gran escala, ad hoc, multisalto.• Nodos sensores con arquitectura homogénea, pequeños, principalmente estáticos,

que pueden ser dispersados de manera aleatoria sobre el área de interés.• Parámetro principal en el diseño es la disminución en el consumo de energía.• Inicialmente aplicaciones militares.


• Nodos con interfaces de actuación.• Nodos heterogéneos y móviles.• Distintas topologías de red.• Nuevos requisitos de calidad de servicio

(Plazos extremo-extremo).

Redes inalámbricas de sensores y actuadores


Aplicaciones de WSAN


WirelessHART

R.A. Leon, V. Vittal and G. Manimaran. Application of sensor network for secure electric energy infrastructure. IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 22, no. 2, pp. 1021 - 1028, 2007.



Wireless sensor networks for healthcare: A survey. Hande Alemdar , Cem Ersoy . Computer Networks 54 (2010) 2688–2710. ELSEVIER.




Análisis locales

Análisis extremo - extremo


Modelo del sistema y notación

SCGRACS TDDDD ≤≤++

Martínez D., Balbastre P., Blanes F., Simo J. and Crespo A.: “Schedulability Analysis and Performance Evaluation of WSAN”. Preprints of the 30th IFAC Workshop on Real-Time Programming and 4th International Workshop on Real-Time Software, pp. 109 – 116. ISSN 1896-7094. Mrągowo - Poland, October 12-14, 2009b

• , es el periodo con el que se repite el itinerario de ranuras en la red TDMA.

• , es el plazo extremo-extremo, entre el inicio de la medición y la finalización de la

actuación.

• , es el periodo de muestreo empleado en la medición.



Modelo lineal del sistema de control),(

')(

),('

)(),( 1 mZZ

mZZmZ GpGc

GpGcH

+=


• Periodos de muestreo: Ancho de banda del sistema (menor periodo puede generar mayores retrasos).• Plazos: Efectos en los transitorios y estabilidad.


• Análisis de planificabilidad extremo-extremo:

– Las aplicaciones en sistemas distribuidos están caracterizadas por poseer relaciones de precedencia entre sus tareas.

– Un enfoque común es asignar las tareas estáticamente a los nodos que conforman el sistema y localmente utilizar un algoritmo de planificación como RM (Rate Monotonic) o EDF (Earliest Deadline First), (Spuri, 1996).

– Si las tareas son estáticamente asignadas a procesadores independientes, las restricciones de tiempo extremo-extremo pueden ser analizadas por una teoría que considere la relación entre los jitter (Audsley, 1993).



• Redes de datos:

– Transferencia de ficheros, conexiones remotas, correo electrónico, .... Mensajes de tamaño considerable y por ráfagas.

• Redes de control:

– Transferencia de información de estado de un proceso, lectura de un sensor, señales de alarma,... Mensajes de tamaño reducido y periódicos.

– Importancia no sólo de la información sino del instante de tiempo en el que se produce. Concepto dato-tiempo como algo atómico.

– Existen diferente formas para la sincronización:• Información global del tiempo. Todas las estaciones disponen de un reloj local

que periódicamente se va sincronizando con el resto de relojes.

• Eventos.

– Para implementar mecanismos de tolerancia a fallos y redundancia, las funciones han de estar distribuidas. Todos los nodos deben ser capaces de trabajar de forma autónoma. Esta idea contradice a otra muy usada en sistemas distribuidos como es la maestro-esclavo.

Redes para control


DESARROLLO DE CONTROL DISTRIBUIDO PARA UN BANCO DE MOTORES DE MEDIANA POTENCIA

– Sistema de control en red para regular la velocidad de un motor DC.– Codiseño HW-SW en el diseño de los nodos, Microcontrolador 89C52 – FLEX10K.

– Red de comunicaciones CAN

– Planificador de tareas RM.

Sistemas de control de nivel y velocidad empleando protocolo CAN


Diagrama de bloques de una red CAN convencional


Arbitraje para la detección y resolución de colisiones en CAN


Cálculo del tiempo máximo de envío de un mensaje a través de una red CAN

∑<∀

+

++=

ijj

j

ni

iini C

T

RBCR 1

jij

i CB>

= max ∑ <+=

ijii CjBR )0(

Donde:• Ci es el tiempo de transmisión del mensaje.• Bi es el máximo tiempo de bloqueo que puede sufrir el mensaje como consecuencia de estar ocupado el bus por mensajes de menor prioridad, lo anterior dado que el bus no se puede expropiar.• Ti es el periodo de envío del mensaje i.


• El periodo de envío del mensaje 0 y mensaje 1 es 50ms.

• Cada trama envía 2 bytes de datos en un formato de trama extendida, por consiguiente el número de bits es 82.

• La velocidad de transmisión es 50 kbps; por lo tanto, el tiempo de envío de una trama es 1.64ms.

Los tiempos máximos de transmisión de las tramas son:

msBR 64.100)0(

0 =+= msmsmsR 28.3064.164.1)1(0 =++=

msCR 64.10 1)0(

1 =+= msmsms

msmsR 28.364.1

50

64.164.1)1(

1 =

+=

msmsms

msmsR 28.364.1

50

28.364.1)2(

1 =

+=


Cálculo del tiempo máximo de envío de un mensaje a través de una red CAN


Resultados experimentales

Implementación de una WSAN sobre IEEE 802.15.4

Arquitectura del sistema


Topologías de red

Estrella

Peer to Peer

IEEE 802.15.4


Estándar de comunicación IEEE 802.15.4• Empleando el modo de acceso con sincronización de IEEE

802.15.4 es posible garantizar tiempos máximos de envío de información, asignando a los nodos un GTS dentro de una supertrama. Solamente es posible asignar un máximo de 7 ranuras, con un periodo mínimo de trama de 15,36 ms.

IEEE 802.15.4


IEEE 802.15.4


2. Análisis de planificaficabilidad extremo-extremo

• DS, DC, DA => [Dmín j, Dmáx

j] • Dmín j y Dmáx

j son los valores mínimo y máximo de D j para garantizar la planificabilidad local y extremo-extremo. Dmín j se obtiene a partir del algoritmo Deadlinemin, (Balbastre, 2008)

Propuesta 1: método de análisis de planificabilidad para WSAN con distancia entre nodos acotada a un salto.

1. Análisis de planificabilidad local

∑=

−+=n

i i

iii T

DTtCtH

1

)(τ [ )R,0 ttH <)(τ ∀ Rt ≤

EDF test (Ripoll, 1996)

Martínez D., Balbastre P., Blanes F., Simo J. and Crespo A.: “Schedulability Analysis and Performance Evaluation of WSAN”. Preprints of the 30th IFAC Workshop on Real-Time Programming and 4th International Workshop on Real-Time Software, pp. 109 – 116. ISSN 1896-7094. Mrągowo - Poland, October 12-14, 2009b



Sistema

Parámetros del sistema:

RiseTime: 0.3847

SettlingTime: 1.2750

SettlingMin: 0.6250

SettlingMax: 0.7711

Overshoot: 12.0602

Undershoot: 0

Peak: 0.7711

PeakTime: 0.8265



PID, Muestreo 90 ms, Retraso máximo 30 ms


PID, Muestreo 90 ms, Retraso máximo 80 ms


ANÁLISIS E IMPLEMENTACION DE CARACTERISTICAS DE RTOS

Diego Martínez CastroGITCoD

Departamento de Automática y ElectrónicaUniversidad Autónoma de Occidente

Santiago de Cali, Colombia

Simposio Argentino de Sistemas Embebidos 2012FI-UBA, Buenos Aires, Argentina

Agosto 16 de 2012

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