Sistema real-time: differenze tra le versioni

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Un sistema hard real-time è solitamente espresso attraverso due modelli: il modello dei [[task]] e il modello del sistema, ovvero dell'[[hardware]]. Si utilizza frequentemente il termine [[task]], in contesto real-time, per ovviare al problema di distinguere tra [[Processo (informatica)|processo]] e [[thread]], rimanendo così sufficientemente generali generali.
Un sistema hard real-time è solitamente espresso attraverso due modelli: il modello dei [[task]] e il modello del sistema, ovvero dell'[[hardware]]. Si utilizza frequentemente il termine [[task]], in contesto real-time, per ovviare al problema di distinguere tra [[Processo (informatica)|processo]] e [[thread]], rimanendo così sufficientemente generali generali.


Il modello più comune <ref>
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Il modello dei task è rappresentato dall'insieme dei task <math>T = \{ \tau_1, \tau_2, ..., \tau_n \}</math>, ciascuno espresso dalla seguente [[ennupla]]:
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</ref> dei task è rappresentato dall'insieme dei task <math>T = \{ \tau_1, \tau_2, ..., \tau_n \}</math>, ciascuno espresso dalla seguente [[ennupla]]:


<math>\tau_i = (\Phi_i, C_i, T_i, D_i)</math>
<math>\tau_i = (\Phi_i, C_i, T_i, D_i)</math>

Versione delle 02:13, 6 gen 2020

Disambiguazione – Se stai cercando altri significati, vedi Real Time.
Il glass cockpit di un C-141 è un esempio di sistema real-time.

In informatica, un sistema real-time (in italiano "sistema in tempo reale") è un calcolatore in cui la correttezza del risultato delle sue computazioni dipende non solo dalla correttezza logica ma anche dalla correttezza temporale. Quest'ultima è spesso espressa come tempo massimo di risposta[1][2]. Alle computazioni eseguite dai sistemi real-time ci si riferisce con il termine inglese real-time computing o meno frequentemente con il termine italiano computazioni in tempo reale. A questi sistemi sono spesso associati anche requisiti di affidabilità e interazione con l'ambiente [1].

Definizione

Un sistema real-time garantisce un certo tempo di risposta deciso a design-time. Real-time non è quindi sinonimo di velocità o di elevato throughput: un sistema real-time può essere estremamente lento, ma garantisce un upper-bound preciso al tempo necessario alla computazione[3]. I due obiettivi di mantenere un alto throughput e una bassa latenza di risposta sono spesso in contrapposizione e generano un trade-off. In ottica di scheduling, l'obiettivo di un sistema normale è minimizzare il tempo di esecuzione dei task al fine di aumentare il throughput medio; l'obiettivo di un sistema real-time è il completamento dei task nel tempo stabilito. Per questo motivo, un sistema real-time non è un sistema estremamente veloce (come invece lo è un supercomputer) ma un sistema estremamente predicibile[4].

Nei sistemi real-time critici si usano di solito architetture hardware, sistemi operativi e programmi applicativi dedicati, in contrapposizione alla pratica di affidarsi a componenti Commercial Off-The-Shelf. Le tre componenti (hardware, software di base e software applicativo) sono spesso strettamente legate in fase di progettazione del sistema. In questo modo è possibile eseguire le necessarie analisi dei tempi necessarie al fine di ottenere una eventuale certificazione del prodotto finale.

Sistemi operativi real-time

Lo stesso argomento in dettaglio: Sistema operativo real-time.

I programmi real-time possono essere eseguiti autonomamente (tipico di un sistema embedded) o attraverso un sistema operativo, che in questo caso deve essere un sistema operativo real-time. Nel secondo caso non è quindi sufficiente che il programma sia real-time, ma richiede che anche il sistema operativo fornisca un appropriato scheduling real-time[5]. Esso permette ad applicazioni real-time multiple di essere eseguite sullo stesso sistema; la fattibilità di trovare una politica di scheduling adeguata deve essere verifica a design-time, pena la perdita di deadline. Le applicazioni possono poi essere fornite di priorità, gestita in maniera opportuna dallo scheduling

Classificazione dei sistemi real-time

Una prima classificazione dei sistemi real-time riguarda la tollerabilità del non rispetto delle deadline temporali[1][6][7]:

  • Sistema hard real-time: il non rispetto delle deadline non è ammesso; il mancato raggiungimento di una sola deadline può portare a conseguenze catastrofiche nell'ambiente in cui il sistema opera. È tipico delle applicazioni safety-critical;
  • Sistema firm real-time: il mancato rispetto di alcune deadline è ammesso purché entro certi limiti; se la deadline è mancata, il risultato non è utilizzabile ma non causa eccessivi problemi;
  • Sistema soft real-time: il mancato rispetto di alcune deadline è ammesso purché entro certi limiti; se la deadline è mancata, il sistema può utilizzare il risultato, tipicamente degradando in computer performance senza causare eccessivi problemi.

Spesso la distinzione tra firm e soft non viene marcata e i due concetti sono considerati equivalenti[8].

Hard Real-Time

I sistemi delle centrali nucleari tipicamente necessitano di sistemi hard real-time, in foto la sala della centrale di Leningrado

I sistemi hard real-time trovano applicazione nella maggior parte dei sistemi Mission-Critical e Safety-Critical, a causa della necessità di reazione ad eventi esterni entro tempi prestabiliti[9]. Questo concetto è spesso espresso in temrini di deadline, ovvero il tempo massimo entro in quale la computazione in reazione ad un evento deve avere terminata[10]. La tradizionale caratteristica di un sistema hard real-time è dovuta al fatto che il fallimento nel rispettare una hard deadline può potenzialmente arrecare gravi danni a persone o cose[11].

Modelli

Un sistema hard real-time è solitamente espresso attraverso due modelli: il modello dei task e il modello del sistema, ovvero dell'hardware. Si utilizza frequentemente il termine task, in contesto real-time, per ovviare al problema di distinguere tra processo e thread, rimanendo così sufficientemente generali generali.

Il modello più comune [12][13][14][15] </ref> dei task è rappresentato dall'insieme dei task , ciascuno espresso dalla seguente ennupla:

dove:

  • è la fase del task, ovvero la distanza tra il tempo 0 e la prima attivazione del task.
  • è il Worst-Case Execution Time (WCET), cioè il tempo massimo che il task impiegherà a computare il risultato, calcolato senza alcuna preemption.
  • è il periodo di esecuzione.
  • è la deadline relativa, ovvero la dimensione dell'intervallo di tempo compreso tra il tempo di attivazione e il tempo entro quale il task deve terminare.

Soft e Firm Real-Time

Un lettore multimediale è un tipico esempio soft real-time

Esempi

Secondo la precedente classificazione alcuni esempi di sistemi real-time sono:

La necessità di tempi di risposta certi

Come già detto i sistemi real-time non sono sistemi veloci, bensì sistemi che garantiscono un certo tempo di risposta. L'interpretazione corretta di tempo di risposta dipende dall'applicazione stessa. Si può considerare il tempo necessario ad effettuare il calcolo e stampare su schermo, oppure il tempo necessario a inviare i comandi ad un attuatore.

La correttezza temporale del sistema si rende necessaria quando il sistema interagisce con l'ambiente e deve mantenere una certa sincronia con esso. I sistemi che mostrano all'utente le informazioni dell'ambiente o del sistema stesso (es. sala comandi centrali nucleari, avionica, ecc.) non possono avere un offset temporale rispetto al dato reale. La classificazione in hard,firm e soft non dipende solo dai requisiti temporali, ma soprattutto dall'impatto che un errore avrebbe sull'ambiente. Alcuni sistemi necessitano di real-time precise a causa del loro effetto nell'ambiente nel caso in cui il tempo di risposta fosse troppo ampio; dove vi può essere il pericolo di danno a esseri viventi, diventa vitale un sistema real-time e in particolare hard real-time.

Inoltre, i sistemi informatici che emulano sistemi dinamici di teoria del controllo necessitano di intervalli precisi di campionamento, che se troppo distanti da quelli ideali possono portarlo a essere non stabile[19]. Questo tipo di controllo è essenziale per tutte le applicazioni dell'automazione industriale[20].

Difficoltà di realizzazione

La progettazione e la realizzazione di sistemi real-time è estremamente complessa e costosa. Per questo motivo la scelta di utilizzare un sistema real-time deve essere dettata da una vera necessità, in particolare per i sistemi hard real-time. La progettazione di questi sistemi richiede diverse analisi approfondite di timing e di verifica della correttezza del programma stesso.

I vari scogli ai sistemi real-time sono di diversa natura e possono essere riassunti nella seguente classificazione[21]:

  • Complessità dell'ambiente con cui interagire
    • velocità richiesta, numero di task da eseguire, ecc.
    • gestione degli interrupt
  • Ripristino dopo un guasto
    • riconoscimento, isolamento e risoluzione di un guasto, che sia hardware, software, ecc.
    • utilizzo di speciali routine
  • Architetture distribuite
    • gestione della comunicazione con altri sistemi
    • consistenza delle informazioni
    • Load balancing
  • Race condition (Corsa critica)

Note

  1. ^ a b c Shin, Kang G., Parameswaran Ramanathan, Real-Time Computing: A New Discipline of Computer Science and Engineering, in Proceedings of the IEEE, 1994.
  2. ^ Marco Giancola, Sistemi Real-Time (PDF), su matematicamente.it. URL consultato il luglio 2016.
  3. ^ Rigutini Leonardo, Sistemi operativi Real-Time (PDF), su dii.unisi.it, Università di Siena (archiviato dall'url originale il 6 agosto 2016).
  4. ^ (EN) John Stankovic, Misconceptions about real-time computing: a serious problem for next-generation systems, in Computer, vol. 21, n. 10, IEEE, October 1988.
  5. ^ Jürgen Assfalg, Algoritmi di Scheduling (PDF), su dsi.unifi.it, Università di Firenze. URL consultato il luglio 2016 (archiviato dall'url originale il 14 ottobre 2009).
  6. ^ a b Stefan M. Petters, Real-Time Systems (PDF), su cse.unsw.edu.au, UNSW Australia. URL consultato il luglio 2016.
  7. ^ a b Donglin Liu, Xiaobo Sharon Hu, Senior Member, IEEE, Michael D. Lemmon, Qiang Ling, Firm Real-Time System Scheduling Based on a Novel QoS Constraint, in IEEE Transactions on Computers, 2006.
  8. ^ Pier Luca Montessoro, I sistemi operativi real-time (PDF), su web.diegm.uniud.it, Università degli Studi di Udine. URL consultato il luglio 2016.
  9. ^ Paul Pop, Safety-critical systems, su imm.dtu.dk, Technical University of Denmark. URL consultato il luglio 2016.
  10. ^ Gianluca Palli, Introduzione ai sistemi real-time (PDF), su www-lar.deis.unibo.it, Università di Bologna. URL consultato il luglio 2016 (archiviato dall'url originale il 22 settembre 2015).
  11. ^ TimeSys Corporation, The Concise Handbook Of Real-Time Systems, 2002.
  12. ^ (EN) Tasks in Real Time systems, su geeksforgeeks.org. URL consultato il 5 gennaio 2020.
  13. ^ (EN) et.engr.iupui.edu, http://et.engr.iupui.edu/~dskim/Classes/ESW5004/RTSys%20Lecture%20Note%20-%20ch02%20A%20Reference%20Model%20for%20Real-Time%20Systems.pdf. URL consultato il 5 gennaio 2020.
  14. ^ (EN) Tasks in Real Time systems, su geeksforgeeks.org. URL consultato il 5 gennaio 2020.
  15. ^ (EN) Giorgio C. Buttazzo, Hard Real-Time Computing Systems, 2011, ISBN 978-1-4614-0675-4.
  16. ^ Hard and Soft Real-Time, su docs.fedoraproject.org, Fedora. URL consultato il luglio 2016.
  17. ^ Hard and soft real time, su lwn.net. URL consultato il luglio 2016.
  18. ^ Karthik Channakeshava, Kaustubh S. Phanseg, Luiz A. DaSilva Binoy, Ravindran Scott F. Midkiff, E. Douglas Jensen, IP Quality of Service Support for Soft Real-Time Applications, in IEEE Euromicro Conf. Real-Time Systems, 2005.
  19. ^ (EN) Tarek Abdelzaher, Yixin Diao, Joseph L. Hellerstein, Chenyang Lu, Xiaoyun Zhu, Introduction to Control Theory And Its Application to Computing Systems (PDF).
  20. ^ Human Machine Interface (HMI) Guide (PDF), su ti.com, Texas Instruments. URL consultato il 19 luglio 2016 (archiviato dall'url originale il 12 settembre 2015).
  21. ^ (EN) Issues in Real-time System Design, su eventhelix.com. URL consultato il 20 luglio 2016.

Voci correlate

Collegamenti esterni

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