Reaaliaikajärjestelmien suunnittelu

1. Reaaliaikajärjestelmiensuunnittelu Juhani Heikkinen Kymenlaakson ammattikorkeakoulu

2. Miten reaaliaikajärjestelmät eroavat erätyyppisestä järjestelmästä • Erätyyppisessä, perinteisessä ohjelmassa syötteiden voi ajatella olevan täysin tiedossa • Reaaliaikajärjestelmässä toimintalogiikkaa ohjaavat useista eri lähteistä tulevat tieto/tapahtumavirrat

3. Kaavio reaaliaikajärjestelmän erosta perinteiseen

4. Reaaliaikajärjestelmässä vaaditaan • ajastusta • rinnakkaisuuden hallintaa

5. Reaaliaikaisen ohjelmistojen tyyppejä • Jako kahteen: • Pehmeät: ei tiukkoja vastevaatimuksia (esim. pankkiautomaatti) • Kovat: vasteajan täsmällisyys tärkeää (esim. auton sytytysjärjestelmä)

6. Toteutustapoja • Pienet mikrokontrollerit ilman käyttöjärjestelmän apua • esim. ikuinen silmukka => tutkitaan syötevirtoja ja säädetään ulostulo • usein käytetään ajastinpiirejä • keskeytyskäsittelijä hoitaa priorisoinnin

7. …toteutustapoja • Järjestelmän monimutkaistuessa kannattaa harkita reaaliaikakäyttöjärjestelmän käyttöä • esim RMX, OS/9, VRTX, QP, QNX • Reaaliaikakäyttöjärjestelmä tarjoaa palveluja: • prosessien hallintaan (luominen, lopettaminen, prioriteetit) • synkronointiin ja poissulkemiseen • oheispiirien ohjaukseen

8. …toteutustapoja • Reaaliaikakäyttöjärjestelmä tarjoaa sovelluksen toteuttamisen keskenään kommunikoivina prosesseina • prosessit poikkeavat ’normaaleista’ käyttöjärjestelmä prosesseista siinä, että muistin suojausta ei ole (tehokkuus, alkeelliset prosessorit)

9. …toteutustapoja • Käytetään yleiskäyttöisiä käyttöjärjestelmiä (Unix, NT, OS/2) • Nykyaikaiset kj:t mahdollistavat toteutuksen yhden prosessin sisällä toimivana säikeinä • Käyttöjärjestelmät helpottavat ylläpitoa, mutta toteutus saattaa olla hidas tai kallis; harkittavissa myös kj-ytimen koodaaminen itse

10. Esimerkki ra-järjestelmän prosessirakenteesta

11. …toteutustapoja • Vaikka toteutuksessa ei käytetä reaaliaikakäyttöjärjestelmää, ohjelmisto kannattaa suunnitella siten, että ra-kj:n käyttöön voidaan siirtyä vähällä vaivalla • esim. prosessien kotelointi moduulien sisään

12. RA-ohjelmoinnin erityisongelmia • Poissulkeminen • usean prosessin samanaikainen tietorakenteen suojaus • Synkronointi • prosessi joutuu odottamaan toista tapahtumaa • Ajastus • Lukkiutumiset • prosessi odottaa tapahtumaa, jota ei tapahdu koskaan

13. Prosessirakenteen määrääminen • Pieni prosessien määrä: • nopeus: prosessien välinen kommunikointi hidasta, prosessien luonti ym. ylläpito hidasta • järjestelmän testaus helpompaa • Prosesseja lisätään seuraavilla kriteereillä: • yksinkertaistus • jokaista asynkronista i/o -vuo ohjaamaan oma prosessi

14. .. prosessirakenne • Prioriteetit: kiireellisille omat prosessit • ajastetut prosessit esim varmistus • moniprosessoriympäristö • hajautetut järjestelmät • muistinhallinta (muistin koko rajoittaa)

15. Reaaliaikajärjestelmien kansanviisauksia • Turvallisuuskriittisen järjestelmän toiminta ei saa koskaan perustua pelkästään ohjelmiston virheettömään toimintaan => +turvamekanismit • Prototyyppitestaus • Puolustautuva ohjelmointi (defensive programming) • kohdissa, joihin ei saisi koskaan tulla, on ylimääräinen tarkistus • aliohjelma suorittaa ylimääräisiä tarkistuksia parametreille • Seuraa prosessorin käyttöastetta: • Yli 50% tietää ongelmia • Kerää tilastoa prosessien käyttäytymisestä • Varaudu sanomien välityksessä kaikkeen: • mitään ei tapahdu, sanomat tulevat väärässä järjestyksessä, tuplat jne