Reaalajasüsteemid (1)

MAINORI KÕRGKOOL
Infotehnoloogia Instituut
Tarkvara arenduse eriala
Kemo Oolep
IT-2-P-E-TAR
REAALAJASÜSTEEMID
Ainetöö
Juhendaja : Kalev Avi
Tartu 2010

SISUKORD

SISUKORD 2
SISSEJUHATUS 3
REAALAJASÜSTEEMID 4
RANGE JA LEEBE REAALAJASÜSTEEM 6
ABS – ANTIBLOKEERUMISE PIDURDUSSÜSTEEM 9
tänapäeva ABS 10
REAALAJA OPERATSIOONISÜSTEEM 11
Skeem 11
KOKKUVÕTE 12
KASUTATUD ALLIKMATERJALID 13
LISAD 14

SISSEJUHATUS

Reaalajasüsteemid on maailmas laialdaselt kasutatavad süsteemid, mis teevad elu mugavamaks, ohutumaks ja lihtsamaks. Nende olulisus algab väga pisikestest kontrolleritest, mis mõõdavad pidevalt vee temperatuuri ning lõpetades suurte süsteemidega lennukite juhtimises. Reaalajasüsteeme kasutatakse ka robotites ja tehisintellektides, kus süsteem annab endale ise käsklusi ning ei ole kasutajaliidesega juhtiv. Tänapäevased suured kaubalaevad ja naftatankerid on täis süsteeme, mis juhivad laeva sihtpunkti, olles ühendatud ühtse keskusega, mis annab signaale laevade teekonnast ja organiseerides need vastavalt sellisena, et laevad üksteisele otsa ei sõidaks. See kõik on reaalajasüsteemidega varustatud. Aga mis erinevused on reaalajasüsteemide ja tavaliste koduarvutite vahel ning kas neid on üldse vaja?
Valisin töö teemaks just reaalajasüsteemid, et saada aru, kuidas süsteemid töötavad, sest tegemist on väga olulise tähtsusega ja laialdaselt kasutatava elektroonikaseadmega, mida tavainimene võib-olla argipäeviti enam tähele ei panegi, sest see on üpris loomulik.
Antud töös üritan ma tuua lühidalt ettekujutuse, mis on reaalajasüsteemid, kuidas need töötavad ja mida need teevad. Seletan, kuidas töötab üks igapäevases kasutuses olev ABS-seade mootorsõidukitel, mis on säästnud väga palju elusid ja avariiohtlikke olukordi .
Suuremat sorti reaalajasüsteemi jaoks on välja töödatud reaalaja operatioonisüsteem, mis paneb süsteemi töötama. See on vajalik seadmete vaheliseks suhtlemiseks ning annan seetõttu ka ülevaate antud operatsioonisüsteemist.

REAALAJASÜSTEEMID

Arvutiteaduses on reaalaja või reaktiivne arvutamine uurimus riistvarast ja tarkvarast, mis on aluseks reaalajalise piirangule, kui kiiresti suudab süsteem reageerida sündmuse toimumisele ja sellele vastamisele. See on süsteem, kus arvuti on liides juhitava keskkonna ja inimese vahel ning kus protsessori tegevusele ja andmete liikumisele on seatud ajapiirangud. Olles vastandiks mittereaalajasüsteemile, kus ei ole ajalist piirangut süsteemi reageerimisele, isegi kui kiire vastus või toimimine on eelistatud. Reaalajasüsteem võib olla rakenduses, mis on seotud näiteks kriitilise ülesandega. Arvuti peab jälgima ja juhtima reaalse maailma füüsikalisi protsesse. Osad protsessid on looduslikud ja ülejäänud on inimese loodud tehislikud protsessid. Arvuti tegevus ja kiirus peab olema suurem kui reaalse maailma protsessi toimumise kiirus. Antiblokeerumise süsteem ehk ABS on lihtsaks näiteks ühest tavalisest reaalajasüsteemi kasutusvaldkonnast, kus süsteemil on minimaalselt lühike aeg reageerimiseks, et rattad pidurdaksid stabiilselt . Arvutused nimetatakse ebaõnnestunuks, kui need ei ole tehtud enne ajalist piirangut, kus ajaline piirang on relatiivne sündmusega. Kui arvutus ebaõnnestub, siis peab süsteem selle uuesti kordama ning see peab toimuma enne ajalist piirangut, seega peab arvutus olema mitmeid kordi kiirem ajalisest piirist.
Termin reaalaeg tuleneb selle kasutusest varajase reageerimisega, mis tähendab, et arvuti programm peab töötama kogu süsteemiga samas ajas. Ilma reaalajasüsteemita peaks inimene olema koguaeg ärkvel ja pingsalt jälgima näiteks tuumajaama ülekuumenemistemperatuuri ja sellele ülekuumenemisel reageerima vähem kui sekundiga , mis oleks ilmselget võimatu.
Reaalajasüsteemi iseloomustavad tegurid on: 1) otseühendus reaalse maailmaga , 2) algoritmi tööaeg on rangelt piiratud, 3) paralleelsus ehk samaaegselt töötavad protsessid on normaalne töörežiim, 4) sisendite ja väljundite korrektsus sõltub peale sisulise kooskõla veel mõõtmise või mõjutuse ajahetkest.
Igal programmil on oma aeg, kui töötab kümme programmi, siis tuleks rääkida ka kümnest erinevast ajakomplektist. Kõik programmid on omavahel seotud ja neid on võimalik jälgida, sest programmide arv on lõplik. Omavaheliste interaktsioonide kirjeldamiseks tuleb teada kõigi interaktsioonis osalevate programmide ajakomplekte. Ajamudel peaks olema nii lihtne ja loetav kui võimalik.
Ajastamist iseloomustavad jõudlushinnangud, muutujate ja sündmuste kehtivusaegade hindamine ja üksikute huvipakkuvate osade interaktsioonide ajalise korrektsuse hindamine.
Kogu süsteemi on lihtne projekteerida pidevas ajas, sest inimesed on sellega igapäevaselt harjunud , kuid ühel hetkel on vaja minna diskreetsesse aega. Sellisel juhul kaotavad aga paljud matemaatilised teooriad kehtivuse ning see ei ole programmeerija teha, sest tal puudub vastav haridus ja kogemus.
Aeg võib olla:

• meetriline , millega saab mõõta kahe ajapunkti vahelist kaugust, sõltumata ajaarvestussüsteemist;
  
• topoloogiline, kus kaugus pole oluline, tähtis on järjestus;
  
• tõkestamata;
  
• tõkestatud, kus süsteemil on mingi maksimaalne aeg, mida on raske hinnata, kas aeg on piisav;
  
• lineaarne, hargnev, tsükliline või mittetsükliline;
  
• tingimuslik , kus vaadatakse hargnevat ajapuud, mille igas hargnemispunktis on mingisugused tingimused, mis määravad, millist haru mööda liikuda ;
  
• pööratav, rangelt kasvav või suhteline. Reaalajasüsteemis on need variandid korraga kasutusel. Vähemalt üks rangelt kasvav aeg peab olema meetriline, sellisel juhul saab välisvaatleja seda kasutada.
  

Reaalajasüsteemid jagunevad kaheks, hard ehk range ja soft ehk leebe reaalajasüsteem.

RANGE JA LEEBE REAALAJASÜSTEEM

Klassikaliselt on kasutusel range reaalajasüsteem või kohene reaalajasüsteem, milles operatsiooni lõpuleviimine peale tähtaega on arvestatud kui kasutuks, mis võiks kokkuvõttes põhjustada täieliku kriitilise situatsiooni terves süsteemis. Leebe reaalajasüsteem aga lubab sellist hilinemist ja võib anda vastuse madalama kvaliteediga ning ei põhjusta tuumajaama plahvatust või rongide kokkupõrget, mistõttu sellistes kasutusvaldkondades teda ei kasutatagi.
Rangeid reaalajasüsteeme kasutatakse valdkondades, kus süsteem peab sündmusele vastama koheselt ja enne ajalist piirangut. Taolised karme garantii andmiseid nõutakse süsteemides, mis mittereageerimisel teatud ajavahemikus võib põhjustada suure kaose, eriti kui see võiks kahjustada füüsiliselt ümbruskonda või tekitada hädaohtu inimeste elus. Tuues näiteks auto mootori kontrollsüsteemi, mis kasutab ranget reaalajasüsteemi, sest hilinenud elektriimpulss võib põhjustada mootori tõrke või purunemise. Või siis oleks üks kasutuskond rangele reaalajasüsteemile näiteks meditsiinis nagu on südamestimulaator ja tööstusliku protsessi kontrollsüsteem. Esimestes videomängu konsoolides nagu Atari 2600 ja Cinematronics’i videokaartidel olid ranged reaalajasüsteemi nõuded graafika päritolu ja ajastamise riistvara tõttu.
Arusaam ajalisest piirangust ja kahest ajalise järjestiku faktoritest jada kriteeriumis, juhib rohkem üldiseid ja täpseid definitsioone rangest ja leebest reaalajasüsteemist, kui nad üldse on teatud reaalajasüsteemi valdkonnas. Need võimaldavad suurelt valmistada ettekujutust ja tasuvuse rahulolu süsteemi ajalise järjestiku nõuetes.
Ajalise järjestiku mudeli (joonis 1.) põhjal range tähtaeg ei ole tingimata üks asi, mida ei tohiks ületada – mistõttu tekitab ta laialdast segadust ajalise piirangu ja jada kriteeriumi eesmärgi vahel. Pigem range tähtaeg lihtsalt näitab, et tegevus on ennatlik peale ajalise piirangu ületamist – see ei tähenda otseselt liigvarajast tagajärge. Need tagajärjed on põhilised alused ajalise jada kriteeriumi täpsustuseks.
Range reaalajasüsteem on üks, mille ajalise jada faktoriteks on:

• optimaalsus on binaarne juhtum, kus kõik ranged tähtajad on optimaalsed või vastasel juhul lähisoptimaalsed (mõnes süsteemis, rakenduses või olukorra eriomasel teel);
  
• optimaalne etteennustatavus on ette määratud.
  

Need ei ole ainukesed range reaalajasüsteemi ajalise jada faktorid . Ajalise kriteeriumi järjestusel kahemõõtmelise ruumi optimaalsuse ja etteennustatavuse optimaalsuse korral on range reaalajasüsteem suurima etteennustatavuse punktist (kahte faktorit ei ole välja vahetatud ). Definitsioon vastab üksmeelel reaalajasüsteemi teadustöö jooksul kogukonnas , et range reaalajasüsteem tähendabseda, et kõik ranged tähtajad on alati ühendatud (Reaalajasüsteemi alal tegutsejate kogukond ei ole nõus nimetustega range ja leebe reaalajasüsteem, nad kasutavad neid termineid kui halvasti kirjeldatud viise).
Arvutussüsteemidele on suhteliselt kasutu olla loomuomaselt range reaalajasüsteem. Suurem osa keerulistel reaalajasüsteemidel on täidesaatmise olemus segatud range tähtajaga ja leebema ajalise kitsendusega, näiteks ajalise piirangu ja samaväärse aja funktsioonidega. Tüüpilised ranged reaalajasüsteemid jagunevad järgnevalt:

• emb- kumb kõigist teostamiste olemustel on ranged tähtajad kogunenud kokku range reaalajasüsteemi klassi, paaritatult leebe reaalajasüsteemi või mitte reaalajasüsteemiga(kasutajaliides, andmebaas );
  
• leebe või mittereaalajasüsteem on ette antud ning ei saa toetada ranget reaalajasüsteemi;
  
• süsteemi disainerid/ teostajad ei tea, kuidas kohandada kokku segatud ajalisi piiranguid ühes süsteemis;
  
• kõik aja piiranud on tehislikult sunnitud olema rangeks tähtajaks, sest süsteem või selle disainer/ teostaja /kasutaja ei saa jagada muud liiki ajalise piiranguga.
  

Jaotades arvutussüsteemi range reaalajasüsteemi esikomponendi ( kasutajaliidese ) ja mittereaalajasüsteemi, saaks see olla loomulik ja efektiivne juurdepääs. Aga paljudel teistel juhtudel see piiraks efektiivsust esikomponendi arvutuses, piirates selle rangeks tähtajaks ja range reaalajasüsteemi ajalise jada faktoriteks.
Sundides kõiki ajalisi piiranguid olema range tähtajaga, piiraks see süseemi paindlikust ja kohanemisvõimet riistvara ressursside nõuete suurendamise ja riistvara tõhususe vähendamise ajal.
Võimalik on ehitada arvutussüsteem, mis suudaks samaaegselt toetada tegevusi, milles on kokku pandud ranged tähtajad, mis on leebed aja kitsendused ja ajaliste kitsenduste puudumine.
Leebel reaalajasüsteemil ei ole range süsteemi erikasutusi ja on seega üldkasutatav. Etteennustatavus ei ole ette määratud ja on enamasti modeleeritud stohhastiliselt.
Mõned leebed reaalajasüsteemid ei ole stohhastiliselt ette määratud. Neil on omadused, mis on asünkroonsed – tähenduselt vahelduv, korrapäratu, kas vastastikust sõltuv või konkureeriv, mispärast stohhastiliselt etteennustatavad mudelid on neile tundmatud või arvutuslikult raskesti käsitletav. Arutlemaks ajalist järjestust sellistes süsteemides on enamasti kasutatud simulatsiooni mudeleid ja muid mudeleid nagu tehisintellekti jm.
Rangetel reaalajasüsteemidel peab olema vähemalt mõni tegevus range tähtajaga. Kuid leebel reaalajasüsteemil võib olla tegevusi range tähtajaga. Need süsteemid on leebed, mis ei värba range reaalajasüsteemi ajalise jada kriteeriumeid.

ABS – ANTIBLOKEERUMISE PIDURDUSSÜSTEEM

Antiblokeerumise pidurdussüsteem või lühidalt ABS on ohutussüsteem, mis väldib pidurdamisel mootorsõiduki rattaid blokeerumast.
Veerev ratas võimaldab juhil hoida juhtimisvõimalust järsu ning täieliku pidurduse korral, vältides libisemist ja lubades rattal blokeeruda järk-järgult vastavalt pinnase omadustele. ABS pakub paremat kontrolli sõiduki üle ja võib vähendada pidurdusteekonda kuival või libedal pinnasel , see võib veel tõsta pidurdusteekonda lahtistel pinnastel nagu lumi või kruus.
Alates algsest laialdasest autode tootmisest , antiblokeerumise pidurdussüsteemid on arenenud märgatavalt. Hiljutised versioonid ei luba piduritel ainult blokeeruda, vaid kontrollivad elektrooniliselt esimeste ja tagumiste rataste kalduvust. See funktsioon, sõltuvalt kindlatest võimetest ja rakendusest, on tuntud kui elektrooniline pidurdusjõukontroll (EBD), haardumiskontrollsüsteem, hädapidurdusabi või elektrooniline stabiilsuse kontroll.
Antiblokeerumise süsteemid arendati esialgu lennukitele aastal 1929, Prantsuse auto ja lennukiinseneri, Gabriel Voisingu poolt. Varajasem süsteem kandis nime Dunlopi Maxaret süsteem, esitletud 1950-ndatel ja see on endiselt kasutusel mõnel lennukimudelil. Need süsteemid on kasutusel hoorattal ja klapikinnitusel, mis toidab pidurite silindreid. Hooratas on kinnitatud trumliga, mis veereb samal kiirusel kui ratas. Normaalse pidurduse korral trummel ja hooratas tiirlevad samal kiirusel, kui ratas aeglustub äkitselt, teeb trummel sama, jättes hooratta kiiremini tiirlema. See põhjustab klapi avanemist, lubades väikese koguse pidurivedeliku läbida peasilindrist kohalikku mahutisse, vähendades survet silindris ja vabastades piduri. Trumli ja hooratta kasutavus on ainult siis, kui ratas on pöördel. Testimisel märgati pidurdusefektiivsuse paranemist kuni 30%, sest piloodid rakendasid järsult pidurid, kuid ei tõstnud aeglaselt pidurdussurvet, leidmaks libisemispunkti. Täiendav kasu oli veel selles, et rehvid ei kulunud nii kiirelt ja ei läinud enam põlema, mis tekitas rehvide plahvatust.
1958.aastal kasutati Royal Enfield Super Meteor mootorratast testimaks Maxaret antoblokeerumispidurit. Eksperimendid demonstreerisid, et antiblokeerumispidurid oleksid väga kasulikud mootorratastele, sest libisemine põhjustab suure osakaalu avariidest. Peatumisdistantsid lühenesid enamikes testides võrreldes täieliku blokeerumisega piduritega, kuid libeda pinnasega teel täheldati kuni 30% paranemist.
Täielikku mehaanilist süsteemi prooviti auto peal kasutada 1960.ndal aastal Ferguson P99 võidusõiduautol, kuid sellel ei nähtud kasutegurit, kuna süsteem oli kallis ning ebausaldusväärne.

tänapäeva ABS

Chrysler koos Bendix korporatsiooniga tutvustas arvutiseeritud kolmekanalist antiblokeerumispiduri süsteemi 1971 .aastal. See oli kasutuses mitmeid aastat peale seda, töödates ettekavatsetud ja usaldusväärselt.
Tüüpiline ABS töötab koos keskse elektrooniline kontollüksusega (ECU), nelja ratta kiiruse sensorid – üks iga ratta jaoks – ning kaks või rohkem hüdraulilisi klappe piduri hüdraulika sees. ECU jälgib pidevalt rataste pöörlemiskiirust ning kui ta avastab, et mõni ratas pöörleb aeglasemalt kui teised, siis ta saadab automaatselt seire üle pidurite. See käivitab klapid, vähendamaks hüdraulika rõhku piduris , mille ratas pöörles aeglasemalt ning see vähendab antud piduris pidurdusjõudu. Ratas hakkab seepeale kiiremini pöörlema. Kui ECU avastab, et ratas pöörleb kiiremini kui teised, siis piduri hüdraulika tõstab rõhku ning pidurdusjõud suureneb ja ratta kiirus tasakaalustatakse teiste ratastega. Seda protsessi tehakse jätkuvalt ja seda annab tunda piduripedaali pulseerimine. Tüüpiline antiblokeerumissüsteem rakendab ja vabastab piduri rõhku kuni 20 korda sekundis.
ECU on programmeeritud eirama erinevusi ratta pöörlemisel alla kriitilse läve, sest kui auto pöörab, siis kaks kurvipoolset ratast pöörlevad aeglasemalt kui välimised kaks. Kui ABS avastab mõne vea, milles ta rakendub, siis enamasti hoiatustuli annab sellest salongis märku ning kui ABS kõrvaldab vea, tuli kustub .

REAALAJA OPERATSIOONISÜSTEEM

Reaalaja operatsioonisüsteem on süsteem reaalajasüsteemi rakendustele. Sellised operatsioonisüsteemid teenindavad rakenduste nõudeid reaalajas . Reaalaja operatsioonisüsteem pakub programmeerijatele rohkem kontrolli protsesside prioriteetide üle. Rakenduste protsessi prioriteedi tase võib ületada süsteemi protsessi. Reaalaja operatsioonisüsteemid minimeerivad kriitilise osa süsteemi koodist, mistõttu rakenduse katkestus on kriitilise piiri lähedane.
Reaalaja operatsioonisüsteemi iseloomujooneks on selle järjekindluse tase aja hulga suhtes, võtab vastu ja lõpetab rakenduste ülesandeid. Peakujunduse eesmärk ei ole kõrge läbilase, pigem garantii leebe või range soorituse kategooriast. Reaalaja operatsioonisüsteem, mis võib kohtuda ajalise piiranguga on leebe operatsioonisüsteem ning kui ta ei või kohtuda ajalise piiranguga ette määratult, siis on range operatsioonisüsteem.
Reaalaja operatsioonisüsteemil on arenenud algoritmi skeem. Skeemi paindlikkus lubab laialdasemat arvutisüsteemi suhtlust protsesside prioriteetide vahel. Võtmesõnad reaalaja operatsioonisüsteemides on minimaalne katkestuse peiteaeg ning minimaalne sõlmelülituse peiteaeg, aga reaalaja operatsioonisüsteem on rohkem hinnatud kui kiiresti või etteennustatavalt suudab ta vastata, mitte kui palju ta suudab teatud arvutused ära teha teatud aja jooksul.

Skeem

Tüüpilises kavandis on protsessil kolm seisundit : 1) jooksev, 2) valmis, 3) suletud. Suurem osa protsessidest on enamus aeg suletud. Ühes protsessoris jookseb ainult üks protsess. Tavaliselt andmetestruktuur valmislistist ajakavas on kavandatud vähendama võimalikult palju halbade juhtumite ajalise kulu pikkust.
Valmislistis ei ole kunagi rohkem kui mõni protsess, kuid topeltviidatud listis on valmis protsesse pigem optimaalselt. Kui valmislist koosneb enamasti ainult mõnest protsessist, aeg-ajalt rohkem, siis peaks list olema sorteeritud prioriteedi järgi, kus kõrge prioriteediga protsessi otsimine tervest listist ei võtaks üleliigselt aega.

KOKKUVÕTE

Antud tööst võib järeldada, et reaalajasüsteemid on üsna sarnased tavalistele arvutussüsteemidele, kuid nad on karmima ülesehitusega. Näiteks ei suuda tavaline koduarvuti käivituda sekunditega ning ei saa olla kindel, et ta teeb oma arvutused enne ajalist piirangut. Seetõttu on loodud reaalajasüsteemid, millel on kindel ajaline tähtaeg ning nad on loodud reageerima ja vastama enne tähtaega. Näiteks range tähtaeg, kus on eriti tähtis, et arvutused oleksid enne tähtaega tehtud, muidu see võiks põhjustada ebaõnnestumise, mis oleks tuumareaktorites katastroofilise tagajärjega. Kuid on olemas ka leebe reaalajasüsteem, mida ei kasutada elulise ja ajalise tähtsusega valdkondades, kuid siiski ajaline tähtaeg on olemas. Suurtematel süsteemidel on olemas oma operatsioonisüsteem, mis paneb seadmed omavahel suhtlema ja töötama.
Ma olen täiesti kindel, et reaalajasüsteemid on väga suureks abimeheks iga inimese ja elukulgemise jaoks.

KASUTATUD ALLIKMATERJALID

Dr. Fernando S.Schlindwein – vanemlektor, magistriõppe juhendaja. [Online] http://www.le.ac.uk/eg/fss1/real%20time.ht m [11.02.2010]

Carnegie Mellon University . Author : Kanaka Juvva, 1998 [Online] http://www.ece.cmu.edu/~koopman/des_s99/real_time/ [12.02.2010]

Automaatikainstituut [Online] http://www.dcc.ttu.ee/abc/ [10.01.2010]

E. Douglas Jensen [Online] http://www.real-time.org/realtime.ht m [15.01.2010]

Leo Mõtus, reaalajasüsteemide professor , Tallinna Tehnikaülikool [Online] http://www.physic.ut.ee/instituudid/efti/loengumaterjalid/RAS/ [19.01.2010]

TTÜ õppematerjalid [Online] http://study2.risk.ee/tty/files/tarkvara_dynaamika.pdf [19.01.2010]

Wikipedia [Online] http://en.wikipedia.org/wiki/Real-time_computing [18.02.2010]

Wikipedia [Online] http://en.wikipedia.org/wiki/Anti-lock_braking_syste m [19.02.2010]

Wikipedia [Online] http://en.wikipedia.org/wiki/Real-time_operating_syste m [15.02.2010]

Tarmo Kuuse, Tallinna Tehnikaülikool [Online] http://www.hot.ee/tarmospam/fisss/LAP5713_RAS_projekt.pdf [01.02.2010]

LISAD

Lisa 1.
Joonis 1. Ajalise järjestuse ulatus (range tähtaja puhul).
http://www.real-time.org/timeco17.gif
Lisa 2.
Joonis 2. Näide maapealse ja maavälise reaalajasüsteemidega töötlemisest.
http://www.noaanews.noaa.gov/stories2008/images/ports2.jpg