© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 1
Hệ

thống
thông tin công nghiệp
08.01.07
Chương

3:

Vấn ₫ề

thời gian thực
2
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Vấn đề thời gian thực
© 2005 - HMS
Chương 3: Nội dung
1.

Khái niệm “hệ

thời gian thực”
2.

Xử

lý thời gian thực
3.

Hệ điều hành thời gian thực
4.

Giao tiếp thời gian thực
5.

Lập trình thời gian thực
3
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Vấn đề thời gian thực
© 2005 - HMS
3.1 Hệ

thời gian thực là

gì?
“A

real-time system is one in which the correctness of the system
depends not only on the logical results, but also on the time at

which the results are produced, ”
Một hệ

thời gian thực là

một hệ

thống mà


sự

hoạt ₫ộng tin cậy của
nó

không chỉ

phụ

thuộc vào sự

chính xác của kết quả, mà

còn phụ

thuộc vào thời ₫iểm ₫ưa ra kết quả ₫ể

phản ứng với sự

kiện bên
ngoài. Hệ

thống có

lỗi khi thời gian yêu cầu không ₫ược thoả

mãn.
JOHN A.

STANKOVIC


ET AL.: Strategic Directions in Real-Time and Embedded
Systems. ACM Computing Surveys, Vol. 28, No. 4, December 1996
Thời gian thực không phải là

thời gian tuyệt đối
Tính năng thờigian thực không đồng nghĩa với tốc độ

tính toán rất nhanh
Tính năng thời gian thực = tính chính xác + tính kịp
thời
4
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Vấn đề thời gian thực
© 2005 - HMS
Các dạng của “tính kịp thời”
Thời gian
Sự

kiện Phản ứng
t
s
t
p
T
a)

Chính xác tại (t

= t

p

)
Thời gian
Sự

kiện Phản ứng
t
s
t
p2
T
b) Trong khoảng (t
p2

≤

t ≤

t
p2
)
Thời gian
Sự

kiện Phản ứng
t
s
t
p

T
c) Chậm nhất là

(t

≥

t
p

)
t
p1
Thời gian
Sự

kiện Phản ứng
t
s
t
p
T
d) Sớm nhất là

(t

≥

t
p


)
5
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Vấn đề thời gian thực
© 2005 - HMS
HT ₫iều khiển có

phải là

hệ

TGT?
Mỗi hệ

thống điều khiển là

một hệ

thời gian thực
Chất lượng điều khiển không chỉ

phụ

thuộc vào thuật
toán điều khiển, mà

còn phụ

thuộc vào khả năng phản

ứng của hệ

thống, thời điểm đọc tín hiệu đầu vào (tín
hiệu đo), vào thời gian tính toán luật điều khiển và

thời
điểm đưa ra tín hiệu điều khiển
Tính năng thời gian thực của một HTĐK phụ

thuộc cả

vào phần cứng và

phần mềm và

vào kiến trúc hệ

thống
 Phần cứng: Tốc độ tính toán của vi xử lý, tốc độ chuyển đổi
DA/AD, cơ chế vào/ra, chậm trễ trong các thiết bị
 Phần mềm: Thuật toán điều khiển, phương pháp lập trình,
tổ chức thực hiện chương trình
Tính năng TGT của một HTĐK liên quan tới tính mạng
con người
Phần lớn các hệ

thời gian thực là

các hệ


thống điều
khiển
6
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Vấn đề thời gian thực
© 2005 - HMS
Hai dạng

hệ

thống

TGT tiêu biểu
1. Hệ

thống

nhúng

(Embedded Systems)
—

Các

hệ

thống

điềukhiển


chuyên dụng, đặc chủng

cho
các

thiếtbị, máy

móc

đơn lẻ
—

Máy

tính

điềukhiểnlàmột phần

không tách

rờicủa
thiếtbịđược điềukhiển
—

Dựa

trên nềnvi xử

lý, nhân thời


gian thực, hệđiềuhành

thời

gian thực
—

Ví

dụứng

dụng: công nghiệp hàng

không-vũ

trụ, robot
công nghiệp, phương tiện giao thông,
2. Hệ

thống

điềukhiển

công nghiệp (Industrial Control
Systems)
—

Distributed Control Systems (DCS), Programmable Logic

Controllers (PLC), Soft-PLCs

—

Các

hệ

thống

điềukhiểnphân cấp, phân tán
—

Ứng

dụng

trong CN chế

biến, CN chế

tạo
7
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Vấn đề thời gian thực
© 2005 - HMS
Chiếcxehơicólàmộthệ

TGT?
Hơn

50


máy

vi tính

bên

trong

(μP) nốimạng
Chúng

ta

có

nên

tìm

hiểu

nguyên

lý

hoạt

động


của

chúng?
8
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Vấn đề thời gian thực
© 2005 - HMS
Bus trường có

phải là

một hệ

TGT?
Sensor
I/O
Controller
I/O
Actuator
Sensor
I/O
Actuator
I/O
Bus trường
T
sd
T
in
T
out

T
ad
T
c
T
s
T
io
T
a
T
bus
9
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Vấn đề thời gian thực
© 2005 - HMS
Tính năng thời gian thực

là

yêu cầu
chung của hầu hết các hệ

thống thông
tin công nghiệp!
10
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Vấn đề thời gian thực
© 2005 - HMS
Đặc ₫iểm của mộthệ


thời gian thực
 Tính phản ứng:Hệ thống phải phản ứng với các sự
kiện xuất hiện vào các thời điểm không biết trước.
 Tính nhanh nhạy:Hệ thống phải xử lý thông tin một
cách nhanh chóng để có thể đưa ra kết quả phản ứng
một cách kịp thời.
 Tính ₫ồng thời:Hệ thống phải có khả năng phản ứng
và xử lý đồng thời nhiều sự kiện diễn ra.
 Tính tiền ₫ịnh:Dự đoán trước được thời gian phản ứng
tiêu biểu, thời gian phản ứng chậm nhất cũng như
trình tự đưa ra các phản ứng.
11
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Vấn đề thời gian thực
© 2005 - HMS
3.2 Xử

lý thời gian thực là

gì?
Xử

lý thời gian thực là

hình thức xử

lý thông tin trong
một hệ


thống ₫ể ₫ảm bảo tính năng thời gian thực của
nó.
Luôn liên quan với các sự

kiện bên ngoài

(tính phản
ứng)
Yêu cầu cao về

hiệu suất phần mềm

(tính nhanh nhạy)
Đòi hỏi xử lý ₫ồng thời nhiều tác vụ

(tính ₫ồng thời)
Đòi hỏi cơ sở

lý thuyết chặt chẽ

phục vụ

phân tích và
đánh giá

(tính tiền ₫ịnh)
12
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Vấn đề thời gian thực
© 2005 - HMS

Tạisao phảinghiên cứuvề

xử

lý

TGT?
 Xử lý thời gian thực là nguyên lý làm việc cơ bản của
mỗi hệ thống điều khiển và của mỗi hệ thống thông
tin công nghiệp, nhìn từ quan điểm tin học
 Chất lượng điều khiển và độ tin cậy của hệ thống điều
khiển không chỉ phụ thuộc vào thuật toán ₫iều khiển,
công nghệ phần cứng, mà còn phụ thuộc một cách tất
yếu vào phương pháp xử lý thời gian thực
 Chúng ta còn biết quá ít về cơ chế thực hiện các chức
năng phần mềm bên trong một bộ điều khiển (số)
13
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Vấn đề thời gian thực
© 2005 - HMS
Các hình thức cơ bản của xử

lý TGT
 Khả năng phản ứng đồng thờivới các sự kiện bên
ngoài: Xử lý đa nhiệm
 Đáp ứng yêu cầu về thời gian của nhiều “tác vụ”:
—

Xử


lý song song
—

Xử

lý phân tán
—

Xử

lý cạnh tranh
14
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Vấn đề thời gian thực
© 2005 - HMS
Tác

vụ

và

xử lý ₫a nhiệm
 Một quá trình tính toán cho một nhiệm vụ cụ thể,có
thể được thực hiện đồng thời, ví dụ:
—

Các tác vụ

xử


lý giá

trị

vào/ra
—

Các tác vụ điều chỉnh
—

Các tác vụ điều khiển

logic
—

Các tác vụ

xử

lý biến cố
—


 Một tác vụ là sự thi hành một chương trình hoặc một
phần chương trình
—

Một chương trình chạy nhiều lần=>nhiều tác vụ
—


Một đoạn mã chương trình

(ví

dụ

một hàm) được gọi tuần
hoàn với các chu kỳ

khác nhau

=>

nhiều tác vụ

khác
nhau
 Multitasking (đa nhiệm): khả năng thi hành đồng thời
nhiều tác vụ
15
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Vấn đề thời gian thực
© 2005 - HMS
Các

trạng

thái

của một tác


vụ
 Trạng thái nghỉ, chưa tồntại (Dormant,
Nonexistence): Task trong bộ nhớ nhưng
hệ điều hành không quảnlý.
 Trạng thái sẵn sàng (Ready state): Khi
nó có thể được điều hoạt nhưng hiện
đang có một Task khác có mức ưu tiên
cao hơn đang được thực hiện.
 Trạng thái chạy (Running state): Khi nó
đang được điều khiển bởi CPU
 Trạng thái đợi (Waiting state) : Khi nó
đang chờ một sự kiện xảy ra để được
sẵn sàng như một sự kiện vào/ra, khi
tài nguyên chung có thể sử dụng hay là
khi có các ngắt thời gian.
DORMANT
READY
RUNNING
WAITING
16
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Vấn đề thời gian thực
© 2005 - HMS
Phân loại tác vụ

(IEC

61131-3)
Mã


thựcthi
Tác vụ

mặc định
Ví

dụ:
- Điều khiển

logic
-

Kiểm tra lỗi
Chờ

tới chu kỳ
Mã

thựcthi
Thời gian
Tác vụ

tuần hoàn
Ví

dụ:
- Điều chỉnh vòng kín
- Xử


lý truyền thông
Chờ

sự

kiện
Mã

thựcthi
Sự

kiện
Tác vụ

sự

kiện
Ví

dụ:
- Điều khiển trình tự
- Xử

lý sự

cố
17
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Vấn đề thời gian thực
© 2005 - HMS

Các hình thức xử lý ₫ồng thời
 Xử lý song song:Các tác vụ (task) được phân chia
thực hiện song song trên nhiều bộ xử lý
 Xử lý cạnh tranh:Nhiều tác vụ chia sẻ thời gian của
một bộ xử lý.
 Xử lý phân tán:Mỗi (nhóm) tác vụ được thực hiện
riêng trên một máy tính (trường hợp đặc biệt của xử
lý song song).
Xử

lý cạnh tranh là

hình thức quan trọng nhất trong
các hệ

thống điều khiển(cóthể

kết hợp với xử

lý
phân tán)
18
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Vấn đề thời gian thực
© 2005 - HMS
Xử

lý

cạnh


tranh
 Các vấn đề:
—

Tổ

chức, lập lịch

phân
chia tài

nguyên cho các

tác

vụ
—

Giao tiếpgiữacáctácvụ
—

Đồng

bộ

hóa giữa

các


tác

vụ
19
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Vấn đề thời gian thực
© 2005 - HMS
Phương pháp lập lịch
 Vấn đề:
—

Bên cạnh hiệu năng của phần cứng máy tính, thì
phương pháp lập lịch có

ảnh hưởng lớn tới tính năng
thời gian thực của hệ

thống
—

Cần sự

thỏa hiệp giữa tính năng thời gian thực và

hiệu suất sử

dụng tài nguyên máy tính
 Cơ chế lập lịch
—


Lập lệnh tĩnh:

thứ

tự

thực hiện các tác vụ được xác định
trước khi hệ

thống đi vào hoạt động.
—

Lập lệnh động:

thứ

tự

thực hiện các tác vụ được xác định
trong khi hệ

thống đang hoạt động.
20
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Vấn đề thời gian thực
© 2005 - HMS
Phương pháp lập lịch
 Sách lược lập lịch
—


FIFO: đến trước sẽ được thực hiện trước.
—

Non-preemptive: không chen hàng, các tác vụ được thực
hiện bình thường dựa trên mức ưu tiên của chúng.
—

Preemptive: chen hàng, chọn một tác vụ để

thực hiện
trước các tác vụ

khác.
—

Round-robin/Time-slicing: Mỗi tác vụ

có

mức ưu tiên như
nhau được thực hiện một số

“lát thời gian”
—

Mức ưu tiên cố định/động: các tác vụ được đặt các mức
ưu tiên cố định hoặc có

thể thay đổi nếu cần.
 Thuật toán lập lịch

—

Rate monotonic:

càng thường xuyên càng được ưu tiên.
—

Deadline monotonic:

càng gấp càng được ưu tiên.
—

Least laxity:

tỷ

lệ

thời gian tính toán/thời hạn cuối cùng

(deadline)

càng lớn càng được ưu tiên.
21
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Vấn đề thời gian thực
© 2005 - HMS
Khái niệm “tiến trình tính toán”
 Tiến trình tính toán (process) là một khái niệm tương
đương với “tác vụ”, nhưng nhìn từ phía hệ điều hành

đa nhiệm (khái niệm tác vụ nhìn từ phía người sử
dụng)
 Hai loại tiến trình:
—

Tiến trình nặng cân (heavyweight process, process):
Chiếm một không gian địa chỉ riêng, thường tương ứng
với thực thi cả

một chương trình => sử

dụng an toàn hơn
nhưng giao tiếp giữa các process phức tạp
—

Tiến trình nhẹ

cân (lightweight process, thread): Thường
thuộc một process, các thread của một process cùng
chia sẻ

một không gian địa chỉ

=> giao tiếp đơn giản
thông qua các biến toàn cục, nhưng cần thận trọng
22
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Vấn đề thời gian thực
© 2005 - HMS
3.3


Hệ ₫iều hành thời gian thực
 Hệ điều hành thời gian thực là một hệ điều hành hỗ
trợ các chương trình ứng dụng xử lý thời gian thực
 Hầu hết các bộ điều khiển công nghiệp (PLC, DCS, )
đều hoạt động trên nền một hệ điều hành thời gian
thực(RTOS, Real-time Operating System)
 Bản thân hệ điều hành thời gian thực cũng là một hệ
thời gian thực
 Một hệ điều hành thời gian thực bao giờ cũng là một
hệ đa nhiệm(multitasking), hỗ trợ xử lý cạnh trạnh
hoặc/và xử lý song song.
23
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Vấn đề thời gian thực
© 2005 - HMS
Vai trò

của RTOS

trong bộ ₫iều khiển
 Nạp chương trình, hỗ trợ thử nghiệm, gỡ rối chương
trình
 Quản lý dữ liệu vào/ra và quản lý truyền thông
—

Giúp các chương trình ứng dụng dễ

dàng truy cập dữ


liệu
mà

không cần quan tâm tới cơ chế

phần cứng cụ

thể
 Quản lý tác vụ:
—

Lập lịch:

Phân chia thời gian

CPU

cho thi hành các tác vụ

khác nhau

(trong xử

lý cạnh tranh)
—

Hỗ

trợ ₫ồng bộ


hóa tiến

trình:

Giúp các tác vụ

chia sẻ

tài
nguyên sử

dụng chung

(bộ

nhớ,cổng vào/ra, )
—

Hỗ

trợ

giao tiếp liên tiến

trình:

Giúp các tác vụ

thực hiện
giao tiếp, trao đổi dữ


liệu hoặc phối hợp hoạt động
 Các chức năng kiểm tra, chẩn đoán lỗi
24
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Vấn đề thời gian thực
© 2005 - HMS
RTOS trong các

hệ

thống

₫iềukhiển
 Yêu cầu đặc biệt
—

Mã rất nhỏ, gọn
—

Đơn giản, dễ

sử

dụng, dễ

lập trình
—

Thời


gian phản

ứng

vớimột sự

kiện(vídụ

khi xuấthiện
ngắt

truyền

thông, ngắt

vào/ra, ) đủ

ngắn
—

Quản lý hiệu quả

các tác vụ

tuần hoàn, đảm bảo chính
xác về

chu kỳ


thời gian, độ

rung nhỏ

(jitter)
—

Quản lý vào/ra hiệu quả, đơn giản
 Hai dạng thực hiện:
—

Mã nguồn: Nhân thời gian thực, được dịch và

liên kết
cùng với CTĐK tạo thành một chương trình duy nhất ->
giải pháp vi điều khiển.
—

Mã chạy cài đặt sẵn trên thiết bị: Hệ điều hành thời gian
thực đầy đủ, cung cấp các dịch vụ độc lập với chương
trình điều khiển -> giải pháp PLC và

DCS.
25
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Vấn đề thời gian thực
© 2005 - HMS
GIAO DIỆN PHẦNCỨNG
PHẦNCỨNG


MÁY

TÍNH
QUẢNLÝ
TASK
QUẢNLÝ
BỘ

NHỚ
QUẢNLÝ
VÀO/RA
XỬ

LÝ
GIAO TIẾP
QUẢNLÝ
SỰ

KIỆN
GIAO DIỆN LẬP TRÌNH

ỨNG

DỤNG
CHƯƠNG TRÌNH
ỨNG

DỤNG
CHƯƠNG TRÌNH
ỨNG


DỤNG
CHƯƠNG TRÌNH
ỨNG

DỤNG
Cấu trúc tiêu biểu của một hệ

₫iều hành
thời gian thực