docW14: Wbudowane systemy czasu rzeczywistego i podstawy
download 
Reklamacja Transkrypt
W14: Wbudowane systemy czasu rzeczywistego i podstawy
Wbudowane systemy czasu rzeczywistego Wykład 14 Techniki mikroprocesorowe Systemy operacyjne czasu rzeczywistego • System czasu rzeczywistego (RTOS) to system operacyjny opracowany tak, by spełnić wymagania narzucone na czas wykonywania zadanych operacji • Systemy RTOS dzielą się na twarde i miękkie 2 Techniki mikroprocesorowe Twarde systemy RTOS • Są to systemy RTOS, dla których znane są maksymalne, czyli najgorsze, czasy reakcji (odpowiedzi) oraz gwarantujące, że czas ten nie zostanie przekroczony w żadnych okolicznościach • Zastosowania: wszelkiego typu urządzenia, w których opóźnienie w obsłudze zdarzenia może doprowadzić do strat materialnych lub zagrożenia dla życia i zdrowia 3 Techniki mikroprocesorowe Miękkie systemy RTOS • Miękkie systemy czasu rzeczywistego, w odróżnieniu od systemów twardych, nie mają określonego maksymalnego czasu odpowiedzi, ale gwarantują wykonanie zadania w możliwie krótkim czasie • Zastosowania: urządzenia, w których minimalizacja czasu reakcji i odpowiedzi wpływa pozytywnie na działanie, ale niespełnienie tego wymogu nie niesie ryzyka, np. systemy multimedialne 4 Techniki mikroprocesorowe Miękkie systemy RTOS • • • • • • • • • ChibiOS/RT DioneOS FlexOS uCRTOS MicroC/OS-II eCOS QNX OS9 VxWorks • • • • • • • • • LynxOS Phoenix-RTOS iRMX RT-Linux RTKernel DRYOS Windows CE SCIOPTA Sirius RTOS 5 Techniki mikroprocesorowe Prosty system RTOS dla mikrokontrolerów • System RTOS przewidziany do działania w urządzeniu opartym na mikrokontrolerze jednoukładowym, musi spełniać szereg warunków – Zapewniać niezbędne czasy odpowiedzi w określonych sytuacjach – Działać stabilnie i płynnie w środowisku o bardzo ograniczonych zasobach – Wykorzystywać specyfikę architektury urządzenia, na którym działa 6 Techniki mikroprocesorowe Prosty system RTOS dla mikrokontrolerów • Zapewniać niezbędne czasy odpowiedzi w określonych sytuacjach, to znaczy – Wykonywać określone zadania w czasie krótszym niż dopuszczalny czas przewidziany na te zadania , to jest gwarantującym poprawne działanie urządzenia i eliminującym ryzyko takich anomalii jak utrata danych, przyjęcie przez urządzenie niedozwolonego stanu lub jego uszkodzenie 7 Techniki mikroprocesorowe Prosty system RTOS dla mikrokontrolerów • Działać stabilnie i płynnie w środowisku o bardzo ograniczonych zasobach, czyli m.in. – Nie dopuszczać do przekroczenia przez zadanie dostępnego przewidzianego (dostępnego) czasu procesora, tak by powodować opóźnień w wykonywaniu innych danych, mogących spowodować brak reakcji na zdarzenie lub utratę danych – Zarządzać dostępną pamięcią RAM w sposób uniemożliwiający jej przepełnienie, a tym samym awarię systemu 8 Techniki mikroprocesorowe Prosty system RTOS dla mikrokontrolerów • Wykorzystywać specyfikę architektury urządzenia, na którym działa, czyli m.in. – Wykorzystywać obecność mechanizmów sprzętowych umożliwiających poprawienie działania, zmniejszenie obciążenia i zwiększenie stabilności – Uwzględniać braki i ograniczenia mechanizmów sprzętowych, wykorzystywanych powszechnie na innych platformach do wykonywania określonych zadań 9 Techniki mikroprocesorowe Projektowanie prostego RTOS • Jakie są zadania, które są wykonywane przez cały czas (np. obsługa interfejsu użytkownika)? • Ile zasobów zajmują te zadania? • Jakie zadania (obsługa zdarzeń) pojawiają się okresowo/losowo? • Ile maksymalnie razy w jednostce czasu może pojawić się każde z tych zadań? • Ile zasobów zajmie obsługa pojedynczej instancji każdego takiego zadania? 10 Techniki mikroprocesorowe Projektowanie prostego RTOS • Jakie są priorytety tych zadań? • Czy terminowe wykonie któregoś z nich jest istotniejsze dla poprawnego działania urządzenia niż pozostałych? • Czy niewykonanie zadania określonego typu może doprowadzić do niedopuszczalnych anomalii w działaniu urządzenia? 11 Techniki mikroprocesorowe Asynchroniczność w prostych RTOS • Większość prostych mikrokontrolerów jednoukładowych nie umożliwia/umożliwia w bardzo ograniczonym stopniu implementację podziału czasu, wieloprogramowości i podobnych mechanizmów znanych z „pełnowartościowych” platform • Istnieje jednak możliwość zapewnienia w pewnym zakresie asynchroniczności wykonywanych zadań 12 Techniki mikroprocesorowe Asynchroniczność na przykładzie AVR • Najprostszym sposobem zapewnienia namiastki wieloprogramowości w mikrokontrolerach AVR jest wykorzystanie przerwań: – Pochodzenia wewnętrznego, zgłaszanych np. przez timery przy przepełnieniu lub zgodności – Pochodzenia zewnętrznego, zgłaszanych przez moduły komunikacyjne lub porty INTx lub PCIx • Można też zrealizować podział czasu w pętli głównej 13 Techniki mikroprocesorowe Wykorzystanie przerwań • Przerwania pozwalają na szybką obsługę zdarzenia • Przerwania zapewniają wywłaszczanie zrealizowane sprzętowo, zgodnie tabelą priorytetów przerwań • Nie ma dwóch przerwań o tym samym priorytecie • Priorytety przerwań nie mogą zostać zmienione 14 Techniki mikroprocesorowe Wykorzystanie przerwań • W przypadku wykorzystania przerwań istnieje ryzyko wystąpienia następujących anomalii: – Ryzyko głodzenia programu z pętli głównej, polegające na zawieszaniu jego wykonywania, a w skrajnym wypadku, na całkowitym jego zatrzymaniu – Ryzyko zablokowania obsługi przerwań o niższym priorytecie: co prawda przerwania te zostaną obsłużone po zakończeniu obsługi przerwania o wyższym priorytecie, ale zostaną obsłużone tylko raz bez względu na liczbę ich wystąpień w momencie blokady 15 Techniki mikroprocesorowe Wykorzystanie przerwań • W przypadku wykorzystania przerwań istnieje ryzyko wystąpienia następujących anomalii: – Ryzyko pominięcia wystąpień danego przerwania w trakcie jego obsługi spowodowane zbyt częstym jego zgłaszaniem lub zbyt długim czasem obsługi 16 Techniki mikroprocesorowe Wykorzystanie pętli głównej • Pętla główna może zostać wykorzystana do realizacji wielozadaniowości – Bez wywłaszczania – zadania muszą być wystarczająco krótkie lub muszą samodzielnie zwalniać procesor po wykorzystaniu określonego czasu – Z wywłaszczaniem, trudne w implementacji, brak wsparcia sprzętowego 17 Techniki mikroprocesorowe FreeRTOS FreeRTOS 18 Techniki mikroprocesorowe FreeRTOS • FreeRTOS jest systemem czasu rzeczywistego przeznaczonym dla urządzeń wbudowanych o dużych ograniczeniach na ilość posiadanych zasobów, przede wszystkim pamięci RAM • Ze względu na swoją niezawodność i stabilność jest powszechnie wykorzystywany w rozwiązaniach przemysłowych 19 Techniki mikroprocesorowe FreeRTOS • FreeRTOS oferowany jest na zmodyfikowanej licencji GNU, umożliwiającej komercyjną dystrybucję gotowego oprogramowania bez udostępniania kodu źródłowego • Podobnie jak inne systemy dla platform o ograniczonych zasobach, FreeRTOS jest kompilowany razem z obsługiwanymi aplikacjami 20 Techniki mikroprocesorowe FreeRTOS • FreeRTOS nie oferuje – Wsparcia dla mechanizmu sterowników urządzeń – Zaawansowanego zarządzania pamięcią – Zaawansowanych algorytmów pracy schedulera – Obsługi sieci (obsługa sieci może być zrealizowana za pomocą bibliotek trzecich) – Obsługi kont użytkowników w jakiejkolwiek postaci 21 Techniki mikroprocesorowe FreeRTOS • FreeRTOS oferuje – Scheduler nadzorujący wykonywania zadań – Mechanizmy kolejkowania, umożliwiające obsługę przerwań – Semafory i mutexy, umożliwiające kontrolę dostępu do zasobów 22 Techniki mikroprocesorowe FreeRTOS • Jedyne mechanizmy zależne od platformy obsługiwane przez system to układy licznikowe i ewentualne przerwania softwarowe (o ile dana platforma je udostępnia) • Warstwa abstrakcji dla Pozostałych układów peryferyjnych mikrokontrolera nie jest nadzorowana przez system, dzięki czemu ograniczone zostaje zużycie zasobów na obsługę komunikacji między warstwą obsługi sprzętu i warstwą aplikacji 23 Techniki mikroprocesorowe FreeRTOS 24 Techniki mikroprocesorowe Wybrane platformy • Atmel – AVR, AVR32 – SAM3, SAM4, SAM7, SAM9, SAM D20, SAM L21 • ARM – ARM7, ARM9, ARM CortexM0, ARM Cortex-M0+, ARM Cortex-M3, ARM Cortex-M4, ARM Cortex-A • Intel • IBM – PPC405, PPC404 • PIC – PIC18, PIC24, dsPIC, PIC32 • NXP – LPC1000, LPC2000, LPC4300 • STMicroelectronics – STM32, STR7 – X86, 8052 25 Techniki mikroprocesorowe Wybrane elementy FreeRTOS • • • • Scheduler Zadania Kolejki Semafory i mutexy 26 Techniki mikroprocesorowe Scheduler • Scheduler (wywłaszczający lub niewywłaszczający) systemu odpowiada za kontrolę wykonywania zadań i zarządza przydziałem czasu procesora • Podstawową jednostką czasu jest tick, wynoszący zwykle 1-10ms • Scheduler systemu FreeRTOS obsługuje priorytety zadań 27 Techniki mikroprocesorowe Scheduler • Operacje na zadaniu wpierane przez scheduler – Utworzenie i usunięcie – Zawieszenie i wznawianie – Opóźnienie wykonywania 28 Techniki mikroprocesorowe Zadania • Zadania są podstawową strukturą FreeRTOS • Są to zazwyczaj funkcje zawierające nieskończone pętle programowe • Wykonywanie zadań jest nadzorowane przez scheduler • Każde zadanie posiada swój własny stos, priorytet oraz opcjonalnie handler 29 Techniki mikroprocesorowe Zadania • Elementy zadania – Stos – obszar pamięci przechowujący aktualny stan zadania, jego rozmiar musi być zadeklarowany dla każdego zadania osobno – Priorytet – liczba naturalna decydująca o czasie procesora, który zostanie przyznany zadaniu i po przekroczeniu którego zadanie zostanie wywłaszczone przez scheduler – Handler – obiekt reprezentujący zadanie, pozwala na zarządzanie zadaniem przez inne zadanie 30 Techniki mikroprocesorowe Tworzenie zadania portBASE_TYPE xTaskCreate( pdTASK_CODE pvTaskCode, const portCHAR * const pcName, unsigned portSHORT usStackDepth, void *pvParameters, unsigned portBASE_TYPE uxPriority, xTaskHandle *pvCreatedTask ); 31 Techniki mikroprocesorowe Tworzenie zadania pvTaskCode – wskaźnik do funkcji stanowiącej zadanie pcName – nazwa zadania (opcjonalna) usStackDepth – wielkość stosu pvParameters – opcjonalne parametry, które zostaną przekazane do kodu zadania uxPriority – priorytet zadania pvCreatedTask – opcjonalny wskaźnik do handlera 32 Techniki mikroprocesorowe Kolejki • Kolejki są podstawowym mechanizmem umożliwiającym wymianę danych między zadaniami 33 Techniki mikroprocesorowe Tworzenie kolejki xQueueHandle xQueueCreate( unsigned portBASE_TYPE uxQueueLength, unsigned portBASE_TYPE uxItemSize ); uxQueueLength – długość kolejki uxItemSize – wielkość pojedynczego obiektu 34 Techniki mikroprocesorowe Wysyłanie komunikatu portBASE_TYPE xQueueSend( xQueueHandle xQueue, const void * pvItemToQueue, portTickType xTicksToWait ); xQueue – kolejka pvItemToQueue – element do wysłania xTicksToWait – maksymalny czas oczekiwania na umieszczenie zadania w kolejce 35 Techniki mikroprocesorowe Odbieranie komunikatu portBASE_TYPE xQueueReceive( xQueueHandle xQueue, void *pvBuffer, portTickType xTicksToWait ); xQueue – kolejka pvBuffer – bufor, w którym zostanie umieszczony odebrany element xTicksToWait – maksymalny czas oczekiwania na pojawienie się elementu gotowego do odbioru 36 Techniki mikroprocesorowe Kolejki i przerwania • FreeRTOS dostarcza funkcje do obsługi kolejek, które mogą być bezpiecznie używane w funkcji obsługującej przerwanie, nie blokując działania funkcji – xQueueSendFromISR – xQueueReceiveFromISR 37 Techniki mikroprocesorowe Semafory • Semafory umożliwiają synchronizację wykonywanych zadań • Semafory udostępniane przez system FreeRTOS mają właściwości analogiczne jak semafory w innych systemach 38 Techniki mikroprocesorowe Tworzenie semafora vSemaphoreCreateBinary( xSemaphoreHandle xSemaphore ); xSemaphore – handler semafora 39 Techniki mikroprocesorowe Ustawianie semafora xSemaphoreTake( xSemaphoreHandle xSemaphore, portTickType xBlockTime ); xSemaphore – handler semafora, który ma zostać ustawiony xBlockTime – maksymalny czas liczony w tickach schedulera przewidziany na ustawienie semafora 40 Techniki mikroprocesorowe Zwolnienie semafora xSemaphoreGive( xSemaphoreHandle xSemaphore ); xSemaphore – handler semafora przewidzianego do zwolnienia 41 Techniki mikroprocesorowe Semafory i przerwania • Funkcja zwalniająca semafor posiada swój odpowiednik wykorzystywany wewnątrz funkcji obsługujących przerwania – xSemaphoreGiveFromISR 42 Techniki mikroprocesorowe Komponenty trzecie • uIP– stos TCP/IP na licencji opensource, obecnie część systemu Contiki https://github.com/adamdunkels/uip • lwIP – inny otwartoźródłowy stos IP, wspierający takie protokoły jak IP, ICMP, IGMP, UDP, TCP, DNS, SNMP, DHCP itp. http://savannah.nongnu.org/projects/lwip/ 43 Techniki mikroprocesorowe Komponenty trzecie • wolfSSL – biblioteka na licencji GPL dostarczająca wsparcia dla SSL/TLS dla platform wbudowanych http://www.wolfssl.com/wolfSSL/Productswolfssl.html • FatFs – otwartoźródłowa biblioteka zapewniająca wsparcie dla systemów plików Fat12/Fat16/Fat32 (zapis i odczyt) http://elm-chan.org/fsw/ff/00index_e.html 44 Techniki mikroprocesorowe Komponenty trzecie • u8glib – biblioteka na licencji BSD umożliwiająca tworzenie interfejsów graficznych na platformach wbudowanych https://code.google.com/p/u8glib/ • M2tklib – biblioteka graficzna na licencji GPL dla platform wbudowanych http://code.google.com/p/m2tklib/ 45 Techniki mikroprocesorowe Inne systemy RTOS Inne systemy RTOS 46 Techniki mikroprocesorowe OpenRTOS • Zmodyfikowana licencja FreeRTOS, której jeden z zapisów mówi, że kod systemu FreeRTOS użytego w komercyjnym projekcie musi być udostępniony (nie dotyczy do kodu nie będącego częścią dystrybucji FreeRTOS), może powodować trudności z wykorzystaniem go w projekcie o zamkniętych źródłach, zwłaszcza w sytuacji, gdy kod jakiegoś komponentu systemu został zmodyfikowany 47 Techniki mikroprocesorowe OpenRTOS • Projekt OpenRTOS firmy WITTENSTEIN High Integrity Systems bazuje na kodzie źródłowym FreeRTOS, ale jest wydawany na całkowicie komercyjnej licencji, umożliwiającej pełne zamknięcie kodu • OpenRTOS posiada ponadto pełny support 48 Techniki mikroprocesorowe SafeRTOS • SafeRTOS jest systemem bazującym na FreeRTOS , rozwijanym przez firmę WITTENSTEIN High Integrity Systems podobnie jak OpenRTOS • SafeRTOS przeszedł proces certyfikacji potwierdzającej, że specyfikacja systemu jest zgodna ze stanem rzeczywistym • Firma WITTENSTEIN High Integrity Systems umożliwia również certyfikację gotowych rozwiązań opartych o SafeRTOS 49 Techniki mikroprocesorowe SafeRTOS • SafeRTOS posiada certyfikaty spełniania norm umożliwiające stosowanie go w następujących gałęziach przemysłu – – – – – – – Industrial (UL 1998, IEC 61508) Transportation/Rail (CENELEC EN 50128, IEC 61508) Medical (FDA 510(k), IEC 62304, IEC 60601, ISO 14971) Nuclear (IEC 61513, IEC 62138, ASME NQA-1 2008) Process (IEC 61511) Automotive (ISO 26262, IEC 61508) Aerospace (DO178B) 50 Techniki mikroprocesorowe
