《实时系统与控制》《实时系统与控制》

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《实时系统与控制》《实时系统与控制》Real-TimeSystemandControlRTS课程性质:设计研讨课计划学时12C+8Lab+16R&D主讲教师:马旭东联系方式:13809022379/83795360xdma@seu.edu.cn讲课Real-TimeSystem三部分组成实验(上机)andControl研究讨论实时系统与控制东南大学1实时系统与控制东南大学2课程目标课程目标∑了解掌握实时系统的广泛概念;∑研究设计方法：∑工程设计的实用性理解和意识需求-分析-解决-验证-表达(Presentation)∑激发研究兴趣交流-Communication合作-Corperation课程的核心内容课程的整体技术目标∑实时系统(RealtimeSystem)∑从工程应用角度理解掌握实时系统的各种需∑调度(Scheduling)求以及这些需求如何影响到实时程序和操作系统(调度管理程序)设计;∑设计编程(Design&Programming)∑理解掌握相关工程设计过程的各个环节,并重∑分析、测试和验证评估（Analysis,Testing点应用于控制系统的软件开发.andVerification/Evaluation)实时系统与控制东南大学3实时系统与控制东南大学4课程背景和重要性课程背景和重要性©工程设计方法vs“科学研究方法”工程设计过程SystemlevelÆSubsystemlevelÆComponentlevel•Definingproblem1.Definetheproblem¾DefinetheProblem°Recognizeproblem¾Researchpastworkinthisareaorquestion•Formulatesolutions2.Identifyevaluationcriteriaandconstraints¾Brainstormpossiblesolutions°(literaturesearch)•Developmodelsandprototypes3.Generatefeasible¾Choosea“bestsolution”°Observesome•Decideonafinaldesignalternatives¾Analyzethissolutionphhenomenon•Implementandtestthedesign4.Evaluatethealternatives¾Modifythesolution°Hypothesize•Evaluatethedesign5.Iterate¾Iterate!!!!°Experiment6.Implementthepreferred1.DefinetheProblem&DesignRequirements通用方法体现在日常生活和工作中,针°Collectdataalternative2.GenerateAlternativeDesigns对不同工程领域和应用有具体的设计(REPEAT)3.DecideonaFinalDesign7.Evaluate方法和标准!°Analyzedata4.Build/TesttheDesignimplementationand机械电子软件控制系统….°Report5.EvaluatetheDesignprovidefeedback实时系统与控制东南大学5实时系统与控制东南大学61 工程设计过程课程背景和重要性自动控制原理ÎCustomerneedsasolutiontoaproblem离散控制系统Î计算机控制技术Requirementanalysis¾控制算法:周期执行-稳定操作-优化性能-参数化模型Î核心:理论分析-控制算法编程,有效性??SystemDesign¾系统技术:环境支撑-硬件控制-任务调度-时间/效率--(ConceptualDesign+PreliminaryDesign)-----非参数化模型;¾核心:软硬件资源构件--系统编程—有效性??Detaileddesignandtest典型模型应用:--计算机应用系统—嵌入式系统《微机系统与接口》课程设计测试题Systemintegrationandproducttest各种计算机控制应用案例Properlyfunctioningsystem—时间、效率、可靠性实时系统与控制东南大学7实时系统与控制东南大学8课程背景和重要性课程背景和重要性¾已修学课程:关键:¾C++程序设计(JAVA语言)单处理器:与软硬件¾微机系统与接口(汇编语言硬件接口)资源密切单任务(流程)¾微机实验及课程设计多任务并发执行—任务通信(信息交换)硬件（接口）：保证目标实现的基础（影响）编程语言—多任务并发支持.线程(Thread)¾计算机软件本质Æ串行执行指令多核处理器程序设计Æ时序/控制/运算逻辑多核,IntelC++计算机:定时周期性串行处理实际系统:并行发生多处理器系统如何解决一系列有时间(事件)处理要求的应用系统?—分布式系统(DistributedComputerSystems)如何分析、设计、编码、测试、调试应用？？计算机网络/网络计算/网络管理控制实时系统与控制东南大学9实时系统与控制东南大学10研讨性课程(Seminar)实时系统与控制案例Î教师1/3~1/2《微机系统与接口》课程设计测试题—十种应用需求∑停车场控制系统∑掌握程序设计基本概念、方法，理解C(++)和应用引导?案例引导?需求引导?∑司机驾驶车辆汇编语言，了解JAVA更好；(并发程序设计)提出问题?∑医疗设备-空管-飞行-核电站-化学∑共同研究讨论-Presentation能力培养ß工业过程控制:聚合釜,甲醇精馏塔,粗苯分Î结论Conclusions/解决方案Solutions)离系统∑研究:阅读查阅资料-数据手册-应用笔记-案例ß电子皮带秤-配比系统∑实验:体会-意识-理解-验证ß煤采制样控制系统∑设计-分析:构架基础—静态-逻辑-动态模型-性能ß稀土萃取控制(湿法冶金)∑测试(方案):逻辑-环境构建-模拟ß结晶器振动装置测试软件实时系统与控制东南大学11实时系统与控制东南大学122 实时系统与控制案例课程目标∑升船机控制系统(PLC)∑了解掌握实时系统的广泛概念;∑蓄电池极板成充化成控制系统-Z80/8096/8051∑工程设计的实用性理解和意识∑模拟家庭集中监控系统∑激发研究兴趣∑电源逆变器(UPS类)课程的核心内容∑盾构模拟掘进机试验控制系统∑楼宇自动化系统—集成软件∑实时系统(RealtimeSystem)∑移动机器人系统∑调度(Scheduling)两种层面应用：一次开发/二次开发集成∑设计编程(Design&Programming)系统的实时性，可靠性，软件并发编程--任务∑分析、测试和验证评估（Analysis,Testing调度，实时控制问题，andVerification/Evaluation)实时系统与控制东南大学13实时系统与控制东南大学14课程教学内容实时系统与控制研究1.实时系统技术基础,需求分析实时系统（RealtimeSystems):2.任务分配和常用调度算法，任务间通信的基本方∑裸机系统—汇编语言-IA32任务调度-OS核法，IA32基础∑RTOS/硬件驱动管理BIOS/OS—高级并发编程语言(支3.实时软件设计方法，实时系统编程语言持系统):ADA,RT-JAVA,C++(OO)4.实时系统分析与建模；实时操作系统；IA-32任务∑RTS分析建模(分析-设计工具):静态,UML(OO),Petri管理∑RTS设计-初步设计/机理设计5.故障检测、冗余与容错技术，基于软硬件的同步技术，验证评估技术，实时控制∑RTS开发(实现)与测试:调试工具、白黑盒子、极限6.经典并发与实时系统案例开发分析过程与研究;分组：高级语言、分析设计、调试测试选一IA-32实现,问题研究IA32裸机实验（开发设计实现实例）两人一组，自由组合，至少一次介绍表达实时系统与控制东南大学15实时系统与控制东南大学16课程先修要求教材和教学参考书参考书∑掌握程序设计基本概念、方法，理解C(++)和°1.C.M.Krishna,KangG.Shin著，戴海琼译,实时汇编语言，了解JAVA更好；(并发程序设计)系统，清华大学出版社，2004.9∑基本掌握计算机系统组成与结构、掌握硬件°2.AlanBurns,AndyWellings著,实时系统与编程I/O工作原理和操作，具备初步开发微机系语言.王振宇等译,机械工业出版社,2004.4统软、硬件的能力。°3.BrucePDouglass著,柳翔译,嵌入式与实时系统∑了解掌握计算机操作系统(OperatingSystems)开发,机械工业出版社,2005.3.和简单的程序管理(微机应用综合设计)°4.并发与实时系统软件设计，HassanGomaa著，姜昊等译，清华大学出版社,2003.7°5.实时系统软件基础，郑宗汉，清华大学出版社，2003.1实时系统与控制东南大学17实时系统与控制东南大学183 《实时系统与控制》课程学习首次讨论问题—感性认识课程特点：技术类研讨课程，信息量大—技术新,1.MS-Windows(XP)下如何实现0.5ms定时?完整性差,技术手册/数据手册(DataSheet)为依并发(Concurrent)程序运行:任务,进程/线程—调度–硬件定时?据学习过程：案例来自教师,技术交流来自研究讨论2.多核处理器软件如何运行(设计开发)?总评成绩＝平时上课成绩(出勤率)＋研讨成绩＋研究报告成绩(包括研究及上机)并行(Parallel)程序运行:硬件通信平时上课成绩(出勤率)占10％3.运行中的软件如何监测故障?研讨成绩占45％多任务分配,状态检测,硬件配合研究与设计开发报告成绩占45％实时系统与控制东南大学19实时系统与控制东南大学20第一讲实时系统基础实时系统(RTS)术语定义1实时系统--指那些产生输出的时刻极其重要的系统。这通常是因为输入反映了外部世界的某些运动或1.基本术语状态，而输出依赖于系统的对应运动和状态。系统2.典型案例和问题从输入时刻到输出时刻的响应时间滞后必须充分小，小到可以接受的时限内。简言之，任何一个对于3．实系特实时系统特性性外界的激励都能有计算机给出及时响应的系统就是4.嵌入式系统与RTOS一个实时系统。5.RTS编程、软件架构及分析实时系统中的响应时限是系统正确运行必不可少的因素，其特性需在系统设计前预先确定。“可接受时限”概念的相对性实时系统与控制东南大学21实时系统与控制东南大学22实时系统(RTS)术语实时系统(RTS)术语相关表述定义2反应式系统(reactivesystem)--continuousÎ任何需要对外部产生的输入激励在有限规定interactionwiththeenvironment(as时间内作出响应的信息处理系统.opposedtoinformationprocessing)Î系统的正确性不仅取决于逻辑结果,而且与嵌嵌式入式系系统(embeddedsyy)stem)--comppyutersystem输出结果的时间有关;encapsulatedinitsenvironment(deviceitcontrols),Î不能响应=错误响应combinationofcomputerhardwareandsoftware,单个系统可能包含硬实时,软实时和真实时子系统;真dedicatedtospecicpurpose实的系统对每一项”逾时(missingdeadline)”都有安全敏感系统(safety-criticalsystem)--afailure响应的成本函数(costfunction).maycauseinjury,lossoflives,signicantnancialloss实时系统与控制东南大学23实时系统与控制东南大学244 实时系统与软件实时系统(RTS)术语典型RTS:飞行器、核反应堆、喷气发动机控制系统，ß硬实时(Hardreal-time)—绝对要求响应必须在规工厂自动化系统、医疗设备/辅助系统Æ形式:嵌入式定的时间限内产生的系统:例如飞行控制系统系统ß软实时(Softreal-time)—时限非常重要,但是如果偶硬（强）实时系统（HardReal-timesystems）:计然超限仍可正确工作的系统,例如:数据采集系统算机不能及时给出输出,则发生很糟糕、很危险的结(Dataacquisitionsystem).果;软实时系统(SoftReal-timeSystems):计算机不能ß真实时(Realreal-time)—硬实时系统而且响应时及时给出输出,即使错过某些时间限也不会有什么灾间很短.例如导弹制导系统(Missileguidancesystem).难发生,但性能会下降到一般可以接受的水平以下.ßFirmreal-time—软实时系统,但延迟提交服务并不Æ数字控制/复杂高级控制/信号处理/实时数据库/多能获得好处.媒体系统（在线应用服务系统,事务管理系统）关键:串行处理的指令执行.vs.并行发生世界实时系统与控制东南大学25实时系统与控制东南大学26实时系统与软件实例：简单的控制-流量控制性能曲线：(软实时系统时间性能曲线)InterfaceÎ顺序调度执行指令Pipe即可满足实时性要求InputflowFlowmeterreadingProcessingValveOutputvalveangleTimeComputer硬实时系统实时系统与控制东南大学27实时系统与控制东南大学28实例:复杂应用系统实例：实时网络通信~美国雷神(Raytheon)爱国者导弹测试系统~实时网络(反射内存/广播内存)~海军LittonMarine驱逐舰方向舵控制系统}VMIC(GEFunac)ÆMS-WindowsRTX实时操作系统应用}SBS}DY4以太网?云计算?传感器网络?实时系统与控制东南大学实时系统与控制东南大学5 实时/反应式/嵌入式/安全敏感系统实时系统框图教室中系统实例??控制系统Anyrealtimesystem?(串行执行指令)reactivesystem?embeddedsystem?safety-criticalsystem?criticalsystem?传感器执行器嵌入式系统:实时概念的主要应用重要性估计99%的处理器用于EMBS环境(并行工作)实时控制系统框图实时系统与控制东南大学31实时系统与控制东南大学32控制计算处理时间较复杂的多回路控制系统(分解)timeProcessing信号输入转换检测1µs:additionoftwovariablesinaprogrammablelogiccontroller实时控制、处理、安全多个回路/对象，可能耦合（Inter-Acting)10µs:executionofaniterationstepforaPIDcontrolalgorithm.控制输出转换30µs:back-andforthdelayina3'000mlongcommunicationline.定时器管理-故障诊断40µs:coroutine(thread)switchwithinaprocess数据存储160µs:sendarequestandreceiveanimmediateanswerinafieldbus数据通信发送100µs:taskswitchinareal-timekernel控制报文接收和执行（传递）200µs:accessanobjectinafastprocessdatabase(inRAM)1ms:executionofabasiccommunicationfunctionbetweentasks人机界面管理（简单、可选）2ms:sendingadatagramthroughalocalareanetwork(withoutarbitration)以确定性响应为主，随机事件响应为辅，简单的任16ms:cycletimeofafieldbus(refreshrateforperiodicdata)务分配、资源共享、任务间通信及同步，优先级60ms:cycletimeofthecommunicationtaskinaprogrammablelogiccontroller.和调度，软件故障基本能监测Î长期连续运行！120ms:executionofaremoteprocedurecall(DCOM,CORBA).实时系统与控制东南大学33实时系统与控制东南大学34较复杂的多回路控制系统(分解)实际的实时响应信号输入转换检测多个回路/对象，可能耦实时控制、处理、安全合（Inter-Acting)控制输出转换定时器管理-故障诊断数据存储数据通信发送急停操作:控制报文接收和执行（传递）Emergencystop人机界面管理（简单、可选）以确定性响应为主，随机事件响应为辅，简单的任务分配、资源共享、任务间通信及同步，优先级Ifthetowelgetscaught,hereleasesthebuttonand和调度，软件故障基本能监测Î长期连续运行！expectsthecylindertostopin1/2second.实时系统与控制东南大学35实时系统与控制东南大学366 RTS其他功能性需求开发需求(软件工程)一般:(除时间外)功能性需求:(系统完成功能)功能性需求(输入/输出关系)输入,输出,存储,以上的时序和同步行为(可见的交互顺序操作动作)质量需求(设计达到指定质量的约束)另外:能量,速度,存储器使用满足质量前提下的相对最好,合适的响应时间外观,可度量性,分布性平台需求(软件环境和技术约束)可依赖性:鲁棒性,可靠性,可扩展性,可用性,可维护性,容错,安全性,一致性(robustness,过程需求:开发计划和开发方法约束reliability,extensibility,availability,maintainability,faulttolerance,security,consistency)实时系统与控制东南大学37实时系统与控制东南大学38系统结构实时系统与控制讨论问题整体架构:外部可见,部件,子系统和交互1、实时系统基本概念基本接口和交互：部件之间以及环境系统与信号，反应式系统，实时系统定义与与外部功能对应（模型）分类，事件驱动-离散事件系统，确定与随EndUserProgrammer机系统，嵌入式系统，控制系统，并发（Concurrent）系统，分布式（Distributed）系统，复杂系统，容错系统和可靠性，安全敏感（Safety-critical）系统,RTS的内部结构，性能度量，实例与真实应用，RTS建摸，RTS设计，软件-硬件合作设计（co-design）系统集成人员系统工程师实时系统与控制东南大学39实时系统与控制东南大学40实时系统与控制讨论实时系统与控制讨论2、实时计算机硬件和过程接口3、实时计算机控制系统CPU,MCU,存储器，专门处理器，总线结基本概念和结构，过程实例，连续与离散构，数字信号接口，脉冲信号接口，模拟系统，线性控制系统，连续系统离散化，信号接口，RTC和定时器，中断，DMA,顺序控制，回路(LOOP)控制，监督控制串行与并行（通信）接口，管道((pSupervisoryycontrol),集中与分布式控制，（Pipelining）技术,协处理器自适应与推理控制（Adaptiveand（Coprocessors）inferentialcontrol），批式控制（BatchWDT定时器control）直接数字控制,人机接口，可编程控制器（PLC),仿真(Simulation）/实时仿真实时系统与控制东南大学41实时系统与控制东南大学427 实时系统与控制讨论实时系统与控制讨论4实时内核与编程语言5.结构化RTS设计多任务（Multi-tasking）,资源共享（Resource结构图（chart)，数据流图(Diagram)，状sharing）,任务间通信与同步（Inter-task态机，状态转换图,控制流图，并发出口communicationandsynchronization）,优先级（Concurrencyissues）,状态图（State（Priorities）,驱动程序（Drivers）,调度charts）,经典设计方法，设计工具（Scheduling）,编程语言评价指标（Criteriaforprogramminglanguages）,典型RTOS:RT-经典：LINUX,WindowsCE,VxWorks,RTX-DOS,QNX同步编程语言实时系统与控制东南大学43实时系统与控制东南大学44实时系统与控制讨论实时系统与控制讨论6.RTS建摸7.RTS调度（scheduling）状态机（Statemachines）,扩展状态机，实时状基本概念,单调速率调度（Rate-monotonic），态机，状态图（Statecharts）,模式图（ModeEarliestdead-linefirstscheduling,IRIScharts）,Petri（网）nets及类型、应用，可达性与scheduling,Faulttolerantscheduling,Event-可覆盖性（Reachabilityandcoverability），各种Petri网（SynchronizedPetrinetsTimedPetrinetsSynchronizedPetrinets,TimedPetrinets,drivenscheduling,Staticscheduling,DynamicTimingconstrantPetrinets,Safetyanalysiswithscheduling,Clock-drivenscheduling,ProcessorPetrinets,ColouredPetrinets,Grafcet,Temporizedutilization,Preemptive/non-preemptive（强占）Grafcet,GraphChart,HierarchicalPetrinets,scheduling,Periodic/sporadictasksscheduling,stochasticPetrinets等），建模工具(软件)多处理器（核）调度Multiprocessorscheduling实时系统与控制东南大学45实时系统与控制东南大学46实时系统与控制讨论实时系统与控制讨论8.保持时间与时钟同步（KeepingTimeandClock9.RTS监视与调试(Monitoringanddebugging)synchronization）基本概念，状态监测，软件监测系统，硬件监时钟，同步，非容错性同步，硬件同步，互连结构，测系统，RTS调试（硬件断点），非干扰（Noninterference）监测系统，基于图形的时间分析Graph-basedtiminganalysis，图示化（Visualization）与调试实时系统与控制东南大学47实时系统与控制东南大学488 实时系统与控制讨论实时系统与控制讨论10.RTS容错（Fault-tolerant）与可靠性模型11.面向对象的RTS设计基本概念，失败根源，失败类型，失败检测对象模型，动态模型，函数模型，并发出错恢复，冗余Issues,UML方法，Usecases,Activity可靠性函数，灾难函数，可用性，MTTF,MTBF,charts,Interactiondiagrams,Statecharts,可靠性模型，可修复系统，软件可靠性度量Timinggg,diagrams,OMTmethodology,WDTCODARTnotation,设计工具（Rhapsody)实时系统与控制东南大学49实时系统与控制东南大学50实时系统与控制讨论关键问题研讨(任务)12.分布式RTS计算机控制系统:根据内外给定和时间-逻辑要求进行输入、控制-处理和输出的高可靠性的系统：分布计算,实时通信,网络和总线结构,监视与多种组合形式:调试,通信协议,同步等：多机应用©连续反馈控制系统:回路控制算法为核心技术©顺序逻辑开关控制:调度与逻辑控制系统技术RTS系统设计（Design）是目标实现（Implementation）是手段评估（Evaluation，测试、分析）是研讨的重点实时系统与控制东南大学51实时系统与控制东南大学52应用设计问题研讨(任务1)应用设计问题研讨(任务1A)¢综合测试题(模拟实时控制/管理系统)精馏塔(DistilationColumn):¢乒乓球比赛分离组分：连续物理过程控制¢移动靶射击比赛(缺背景原理和控制知识)¢抢答反应测试仪-停车场管理已熟悉单机¢电子琴(单任务)简单¢参数可调波形发生器＊应用系统¢数字直流电机反馈控制系统¢模拟电梯¢步进电机反馈控制系统—出租车计价器¢数字录音机下次首次研讨报告¢交通灯控制系统?需求描述Î一个处理器同时完成两项或三项应用?分析设计分组合作研究，不限资源?多任务协作开发实时系统与控制东南大学53实时系统与控制东南大学549 应用设计问题研讨(任务1B)关键专题问题研讨(任务2)一、研究对象二、实时系统性能需求分析聚合釜控制三、实时系统与控制关键技术研讨(选一)化学反应器１．实时系统编程语言与运行环境批式过程２．实时系统建模与建模工具(缺背景原理和控制知识)３．实时系统运行调度与运行管理４．实时系统的可靠性分析、设计和测试四、实例(运行)验证与设计研究五、总结、汇报和讨论（表达）基本性能实时系统与控制东南大学55实时系统与控制东南大学5610