Ứng dụng của hệ thống thời gian thực

Ứng dụng của hệ thống thời gian thực

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

BÁO CÁO MÔN REAL TIME SYSTEM

ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG THỜI GIAN THỰC

Học viên:

Mã học viên : Lớp: KT Điện Tử

Giảng viên: PGS.TS Đỗ Trọng Tuấn

Hà Nội 05-2018

LỜI CẢM ƠN

Trước hết em xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS.Đỗ Trọng Tuấn, người đã tận tình hướng dẫn, giúp

đỡ em hoàn thành báo cáo môn các hệ thống thời gian thực Em cảm ơn thầy đã tạo điều kiện thuận lợi cho em được tìm hiểu những kiến thức bổ ích về môn học thông qua các bài báo và các tài liệu thầy cung cấp cho em để hoàn thành tốt báo cáo môn học này Ngoài ra em xin gửi lời cảm ơn đến Viện Điện Tử Viễn Thông Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho em trong quá trình học tập và tích lũy kiến thức tại trường

Trong quá trình làm báo cáo môn học em nhận ra nhiều điều mới, có thêm nhiều kiến thức bổ íchtừ môn học để có thể áp dụng vào công việc thực tế của bản thân em nói riêng cũng như toàn thành viên tham gia môn học

Vì kiến thức bản thân còn hạn chế, trong quá trình hoàn thiện báo cáo này em không tránh khỏi những sai sót, kính mong nhận được những ý kiến đóng góp từ thầy Em xin chân thành cảm ơn

M c L c ục Lục ục Lục

I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỜI GIAN THỰC 3

1 Dẫn nhập 3

2 Phác thảo hệ thống 12

3 Phân loại hệ thời gian thực 22

3.1 Hệ thời gian thực cứng 23

3.2 Hệ thời gian thực mềm 24

II ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG THỜI GIAN THỰC 24

TÀI LIỆU THAM KHẢO 31

I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỜI GIAN THỰC

1 Dẫn nhập

Thời gian thực là gì nhỉ?

Chúng ta sẽ phân tích một vài tài liệu để trả lời câu hỏi này Và để làm được điềuđó, trước hết, ta hãy … đi xem một trận bóng đá Sau đây là bài văn miêu tả trận đấubóng đá của một em học sinh:

“Hôm ấy cả nhà em quây quần bên màn hình máy tính để xem trận chung kết giữađội tuyển Việt Nam và Thái Lan Nguyên là do ti vi nhà em mới bị hỏng chưa sửa được.Anh trai em có bảo bố ra ngoài xem cho vui Nhưng bố nói ở nhà mới lắp mạng, xem ởnhà cũng được, như vậy mới đầm ấm không khí gia đình Hôm vừa rồi, chú nhà mạngqua lắp mạng có nói với bố em là mạng mới này nhanh lắm, xem phim, nghe nhạc thoảimái, thả ga

Trận đấu bóng diễn ra rất quyết liệt, chẳng mấy chốc đã đi đến phút cuối cùng mà

2 đỗi vẫn giữ tỷ số hòa 2-2 Rồi đột nhiên sau một pha phản công nhanh, đội nhà ViệtNam được hưởng quả đá phạt rất nguy hiểm vào phút chót Cả nhà em nín thở hồi hộptheo rõi trận đấu Đứng trước chấm phạt đền là cầu thủ Phan Thanh Bình Thời gian nhưdừng lại cho tới khi hồi còi của trọng tài vang lên, Phan Thanh Bình lao nhanh tới tráibóng Cả nhà em vội vàng đứng lên, hô lớn Và, sau đó, đột nhiên, có một vòng tròn xuấthiện trên đầu Thanh Bình, nó quay tít, quay tít và quay tít Bố em giận giữ đập tay xuốngbàn nói: ‘Sao lại lác mạng vào lúc này!’

Anh trai em than thở: – Đấy, bố thấy chưa, Mạng Ethernet tuy nhanh nhưng đâuđảm bảo thời gian thực!

Từ đó về sau em cứ thắc mắc mãi ‘thời gian thực là gì?, tuy không thực sự hiểulắm nhưng em rất ghét những thứ không đáp ứng thời gian thực”

Tất nhiên, bài văn ở trên là bịa, nhưng nó hoàn toàn có thể xảy ra trong thực tế Vàmạng ethernet vẫn không được gọi là một hệ thống thới gian thực Tác giả Lưu HồngViệt trong Tài liệu tóm tắt bài giảng hệ thống điều khiển nhúng có viết

“Một ví dụ minh hoạ tiêu biểu đó là cơ chế truyền thông dữ liệu qua đường truyềnchuẩn Ethernet truyền thống, mặc dù ai cũng biết tốc độ truyền là rất nhanh nhưng vẫnkhông phải hệ hoạt động thời gian thực vì không thoả mãn tính tiền định trong cơ chếtruyền dữ liệu (có thể là rất nhanh và cũng có thể là rất chậm nếu có sự cạnh tranh và giaothông đường truyền bị nghẽn)”

Thời gian thực và thế giới thực

Chúng ta lại quay trở lại câu hỏi:

– Thế nào là một hệ thời gian thực?

– Có hệ thời gian thực thì chắc là sẽ có hệ thời gian ảo? Vậy hệ thời gian ảo làgì?

Tôi không nghĩ là sẽ có hệ thống nào được gọi là thời gian ảo Theo ý kiến bản thânthì ‘hệ thời gian thực’ là một cách nói, mang ý nghĩa chỉ một hệ thống đáp ứngnhững yêu cầu về mặt thời gian của thế giới thực Vậy, có thế giới thực, thì chắc là cũngcó thế giới ảo, thế thì thế nào là thế giới ảo?

Thế giới ảo có thể là thế giới của các vi điều khiển !

Thế giới của các vi điều khiển là thế giới của các thiết bị hoạt động theo chươngtrình định sẵn, được lưu trong bộ nhớ, và thực hiện một cách tuần tự, ngắt quãng theotừng lệnh nhờ xung nhịp clock Điều đó hoàn toàn khác với thế giới thực, thế giới củanhững biến đổi liên tục, không xác định trước và bị tác động đồng thời của nhiều yếu tố.Điểm khác biệt trọng yếu chính ở cơ chế thực thi tuần tự phụ thuộc vào nguồn xungclock Bao giờ cũng phải lần lượt: Đọc lệnh – Giải mã lệnh – Tìm đối số theo yêu cầu củalệnh (nếu có) – Thực hiện lệnh Nó lúc nào cũng vậy, luôn luôn là như vậy và không thểkhác Bọn tôi, những sinh viên lười biếng, vào mùa thi có thể: vừa đọc đề cương, vừa ănbánh mỳ, vừa đi bộ đến trường Nhưng các vi điều khiển thì không thể, dù cho hệ thốngcó sắp nổ tung đến nơi thì bao giờ nó cũng phải đợi xung clock để lần lượt thực hiện: Đọc lệnh – Giải mã lệnh – Tìm đối số theo yêu cầu của lệnh (nếu có) – Thực hiện lệnh.Nó lúc nào cũng vậy, luôn luôn là như vậy và không thể khác

– Uh, thì cứ cho là như thế!

– Rồi thì sao, nó có liên quan gì đến thời gian thực

Vấn đề là khi các vi điều khiển tham gia vào thế giới thực, tiến hành những hànhđộng thực và tác động lên đối tượng có thực Cơ chế xử lý tuần tự của vi điều khiển sẽtạo ra độ trễ nhất định cho quá trình xử lý tính toán và thao tác vào ra Trong khi đốitượng của chúng – những quá trình vật lý – thì hoàn toàn không bao giờ chờ đợi, luônbiến đổi không ngừng Vì vậy, độ trễ của của vi điều khiển sẽ ảnh hưởng trực tiếp tớihành vi của hệ thống Vấn đề ở chỗ: độ trễ đó ảnh hưởng như thế nào, ít hay nhiều, baonhiêu thì được phép và theo cách nào để nó luôn phản ứng chính xác với đặc tính độnghọc của thế giới thực Đó chính là cái nôi của khái niệm thời gian thực

Hay nói cách khác, khái niệm thời gian thực ra đời cùng với những hệ thốngnhúng Những hệ thống sử dụng vi điều khiển làm nền tảng để thực hiện những chứcnăng xác định và tác động lên những đối tượng xác định Từ máy giặt quay quần áo trongnhà cho tới những máy bay phản lực bay lượn trên bầu trời Yêu cầu thời gian thực luônluôn được xem sét kỹ lưỡng, đảm bảo thời gian xử lý tính toán của vi điều khiển, vi xử lýkhông ảnh hưởng tới đặc tính chung của hệ thống, vẫn phản ánh một cách tương đốichính xác đặc tính của hệ thống Và ngược lại, sẽ chẳng ai quan tâm tới vấn đề thời gianthực khi mà khối điều khiển có thể tác động gần như tức thời, liên tục Ví dụ như các bộđiều khiển analog hay bằng các cơ cấu cơ khí Một ví dụ điển hình là, hiển nhiên, chẳng

ai quan tâm đến vấn đề thời gian thực của bộ điều khiển mức nước trong bồn xả bồn cầu

Thiết bị cho phép tự động bơm nước khi mực nước giảm và ngừng khi nước đạt mức càiđặt, bằng cách sử dụng bóng phao.

Cũng với ý này, tác giả Oshana viết trong tài liệu DSP Software DevelopmentTechniques for Embedded and Real-Time Systems, Newnes, 2006 như sau:

“Không chỉ phụ thuộc vào dạng thuật toán chạy trong DSP, môi trường mà ở đóDSP hoạt động cũng là một vấn đề quan trọng Hầu hết (không phải tất cả) ứng dụng trênDSP yêu cầu tương tác với thế giới thực Đó là thế giới của rất nhiều những đối tượngluôn biến đổi: âm thanh, ánh sáng, nhiệt độ, chuyển động cơ học, … DSP giống nhưnhững vi xử lý nhúng khác luôn phải phản ứng theo cách nào đó trong thế giới thực ấy

Hệ thống như vậy được gọi là hệ đáp ứng (reactive system) Khi hệ thống có tính chấtđáp ứng (reactive), nó được sử dụng để phục vụ và điều khiển thế giới thực và khôngngạc nhiên là theo phương thức thời gian thực (real-time way) Quan niệm về thời gian sẽthay đổi đối với từng ứng dụng cụ thể khác nhau, nhưng nó là yếu tố cần thiết để hệthống bám theo những thay đổi của môi trường”

Như vậy, đến đây, tuy chưa định nghĩa cụ thể về khái niệm thời gian thực, nhưngchúng ta đã phác thảo được những đường nét đầu tiên của một hệ thời gian thực Đó làtính chất kịp thời, một tính chất quan trọng cho phép thế giới vi điều khiển, vi xử lý cùng

cơ chế hoạt động tuần tự, gián đoạn theo xung nhịp, có thể tương tác phù hợp với thế giớithực Thế giới của những biến đổi liên tục, không ngừng của các đại lượng vật lý

Kịp thời có phải là nhanh nhất có thể hay không? Nó biểu hiện như thế nào? Chúng

ta sẽ từ từ bàn bạc sau

Xin chào vi xử lý

Thông thường chương trình đầu tiên mà người lập trình viết trên vi xử lý, đó làchương trình “Hello world!” Như vậy, thì thế giới thực phải nói lại gì chứ nhỉ?

– Oh, Hello Microprocessor! ^_^

Thế giới của chúng ta đã thay đổi rất nhiều từ khi chào đón bộ xử lý bán dẫn đầu tiên.Thế giới của các vi xử lý là một thế giới hoàn toàn khác với chúng ta Đối với thế giớithực, khi chúng ta nhìn thấy một chú chim bay lượn trên bầu trời, chúng ta thấy ở đó tọa

độ của chú chim trong không gian, thời điểm mà chú chim xuất hiện Sự thay đổi của tọa

độ và thời gian cho chúng ta thông tin về sự chuyển động của đối tượng Còn các vi điềukhiển thì sao, khi chúng điều khiển máy bay nhào lộn trong không trung, chúng thấy gì?.Chúng chỉ thấy sự thay đổi nhịp nhàng của các bit 0 -1 trong bộ nhớ theo xung nhịpclock

Để điều khiển xe máy, mắt chúng ta phải nhìn thấy đường, mông chúng ta phảicảm nhận được quán tính của xe, lực đẩy của động cơ Cũng như vậy để điều khiển máybay, bộ xử lý phải nắm được đặc tính của đối tượng mà chúng tác động tới, quán tính, tọa

độ của máy bay, tác động của không khí, lực đẩy của tuốc bin khí, năng lực của cánh lái

… Đó đều là những đối tượng của thế giới thực, những thứ có thể biểu diễn bằng kg, N,

m, m/s, m/s^2, … Tuy nhiên, bộ xử lý vẫn không thể nhìn thấy gì ngoài những bit 0 – 1,

và xung clock Đối với thế giới vi điều khiển, không có hình ảnh, âm thanh, nhiệt độ, …không có không gian và thời gian

Cánh cửa để đi từ thế giới thực vào thế giới vi xử lý chính là sensor và các bộ ADC.Cánh cửa còn lại đi từ vi xử lý trở lại thế giới thực là các bộ biến đổi DAC (hoặc làmchức năng DAC) Sensor, ADC, DAC, chính là đôi mắt, cái mông và cánh tay của vi xử

lý Ở đó, có sự ngầm hiểu giữa đại lượng vật lý của thế giới thực và số liệu nhị phântrong vi xử lý Đại loại như: nếu quy chuẩn1kg là con số 500, thì 0.5 kg tương ứng với số500/2 = 250 lưu trong bộ nhớ

– Được rồi! đó là các giá trị biên độ, thế còn thời gian?

Trong trường hợp các hệ thống điều khiển, số liệu sẽ trở nên vô nghĩa nếu nó không

đi kèm với thời gian Bằng sensor và ADC, vi xử lý có thế biết được máy bay đang ở độcao 1km (hãy tạm cho là như thế) nhưng 1km đó là ở thời điểm nào, cách đây 1us, 1ms,1s hay 1h Thời gian là một tham số quan trọng tạo nên sự vận động, không có sự vậnđộng nào đứng ngoài sự thay đổi của thời gian Đáp ứng vận động cho biết những đặctính bên trong đối tượng mà bộ điều khiển muốn biết để tác động Và chúng ta đề cập đếnkhía cạnh thứ hai của hệ thống đáp ứng thời gian thực: khả năng phản ánh một cách chínhxác sự vận động của đối tượng

Hãy nói kỹ hơn một chút, với chương trình điều khiển lưu trong bộ nhớ, vi xử lýkhông thể chỉ trích mẫu để lấy thông tin biên độ của tín hiệu, chúng còn phải thực hiệnnhiều thao tác khác như: thực hiện các phép toán của bộ điều khiển, đưa ra yêu cầu tớikhối chấp hành, … Và đương nhiên, vi xử lý thực hiện tất cả những công việc đó mộtcách tuần tự theo từng câu lệnh, với nhịp điệu của nguồn xung clock Tất cả những điềuđó tạo nên khoảng cách thời gian giữa các lần trích mẫu bằng ADC Việc kiểm soát mộtcách chặt chẽ và chính sác khoảng cách giữa các lần trích mẫu, có thể giúp vi xử lý trả lờiđược câu hỏi về đối tượng: nó bằng bao nhiêu và vào thời điểm nào? Khi và chỉ khi trảlời được câu hỏi ấy, vi xử lý mới có khả năng cảm nhận được đặc tính vận động của đốitượng vật lý Một đặc tính chỉ biểu hiện thông qua quá trình biến đổi liên tục theo thờigian Điều đó tạo nên tính chất thứ 2 cần có của hệ thời gian thực: tính chính xác về mặtthời gian Tính chất mà về sau chúng ta biết, nó như một khía cạnh quan trọng trong hệthời gian thực – tính tiền định.

Như vậy thì tính chính xác về mặt thời gian cụ thể là như thế nào? Nó có phải là vi xử lýluôn hoạt động đúng giờ hay không? Và hệ thống phải hoạt động ra sao để đáp ứng tínhchất ấy? chúng ta hãy từ từ xem xét nhé!

Sinh vật mẫu

Như vậy chúng ta đã phác họa một cách không rõ ràng lắm về hệ thời gian thực với 2 tínhchất quan trọng Tính kịp thời và tính chính xác về mặt thời gian Tất nhiên, chúng còn

một vài tính chất quan trọng nữa Và, hệ thời gian thực cũng không chỉ dùng để đánh giácác thiết bị điều khiển, xử lý tín hiệu bằng vi xử lý Rộng hơn, nó còn dùng cho các hệthống sản xuất bao gồm nhiều khâu, nhiều công đoạn, nhiều thiết bị cùng tham gia hoạtđộng, dưới sự giám sát hoặc điều khiển chung bởi một đơn vị trung tâm nào đó (các hệthống PLC, SCADA, DCS) Thời gian thực cũng là tiêu chí được dùng để dánh giá cácphương thức giao tiếp, truyền thông giữa những bộ phận trong hệ thống Tuy nhiên, như

đã trình bày trước từ đầu, bài viết không đề cập đến những lĩnh vực ấy Mục tiêu lớn nhấtcủa bài viết là cố gắng làm nổi bật được những khái niệm cơ bản của hệ thời gian thựcbằng ví dụ đơn giản nhất Vì vậy, từ phần này về sau, bài viết sẽ chỉ tập trung vào cấutrúc của một hệ thống điều khiển, xử lý tín hiệu số trên một đối tượng vật lý duy nhất đểlàm hình mẫu Và sẽ phân tích những khía cạnh của hệ thời gian thực xung quanh hìnhmẫu ấy

Tại sao lại là hệ điều khiển số? Bởi vì đó là hệ thống mà mối quan hệ giữa vi xử lývới phần còn lại của thế giới thể hiện rất rõ rệt Giống như các buổi phỏng vấn, quá trìnhhỏi và đáp sẽ cho biết tính cách, năng lực của ứng viên Thông qua cơ chế liên tục phảnhồi và tác động, các hệ điều khiển số sẽ cho thấy những yêu cầu nghiêm ngặt về thời gianthực thi của vi xử lý, cũng như toàn bộ khối điều khiển Và bất cứ sai sót nào đều có thểảnh hưởng trực tiếp tới độ ổn định, an toàn của hệ thống Tóm lại, các hệ thống điềukhiển số là đối tượng đặc trưng cho những yêu cầu cần có của một hệ thời gian thực Mộtđối tượng mẫu tương đối phổ biến, dễ tiếp cận, phân tích để làm rõ những nội dung của

hệ thời gian thực Tác giả Hoàng Minh Sơn có nói trong tài liệu được dẫn Hệ thời gianthực và điều khiển thời gian thực như sau:

“Mỗi hệ thống điều khiển là một hệ thời gian thực

Có thể nói, tất các các hệ thống điều khiển là hệ thời gian thực Ngược lại, một số lớn các

hệ thống thời gian thực là các hệ thống điều khiển Không có hệ thống điều khiển nào cóthể hoạt động bình thường nếu như nó không đáp ứng được các yêu cầu về thời gian, bất

kể là hệ thống điều khiển nhiệt độ, điều khiển áp suất, điều khiển lưu lượng hay điềukhiển chuyển động.”

2 Phác thảo hệ thống

Thực và ảo, bên ngoài và bên trong

Cấu trúc điều khiển ở hình dưới là cấu trúc kinh điển của một hệ điều khiển phảnhồi, trong đó chương trình điều khiển được thực thi trên DSP dòng C2000 của TI

Ta hãy nói qua một chút về cấu trúc điều khiển phản hồi trong thế giới thực (tức

bộ điều khiển tương tự được cấu thành từ các bộ khuếch đại thuật toán: mạch cộng/trừ,mạch nhân, mạch tích phân …) Với cấu trúc này thì bộ điều khiển phản hồi có nhiệm vụliên tục so sánh kết quả đầu ra của thiết bị với lượng đặt mong muốn, từ chênh lệch đó

mà đưa ra tác động sao cho đáp ứng của đối tượng tiến dần tới giá trị yêu cầu, hay sailệch tiến tới 0 Quá trình điều khiển luôn luôn diễn ra, kể cả khi đối tượng đã đạt giá trịđặt Khi có bất cứ thay đổi nào của đối tượng (do biến động của tải, tác động của nhiễu

…) bộ điều khiển sẽ nhanh chóng phản ứng, đưa ra tác động để triệt tiêu những ảnhhưởng đó

Đối với hệ điều khiển tương tự, chu trình phản hồi – tác động diễn ra liên tục vàgần như đồng thời Điều đó có nghĩa: bất cứ sự thay đổi nào của đối tượng sẽ – gần như –ngay lập tức nhận được tác động của bộ điều khiển, sao cho đối tượng nhanh chóng tiếnđến trạng thái ổn định và đáp ứng yêu cầu Giống như ta soi gương vậy, bất cứ cử độngnào bên ngoài cũng được phản ánh tức thời bằng ảnh trong gương Tuy nhiên, vấn đề sẽkhác khi bộ điều khiển được thực thi trên vi xử lý Như đã bàn luận, với cơ chế xử lý tuần

tự theo các xung clock, vi điều khiển sẽ tạo ra độ trễ nhất định trong quá trình cập nhậtthông tin (trích mẫu) đối tượng, cũng như đưa ra quyết định điều khiển Thời gian trễ này

là để vi xử lý giao tiếp với các khối vào ra, đọc và thực hiện tính toán theo chương trình

đã cài dặt từ trước trong bộ nhớ

Như vậy với hệ thống điều khiển số, sẽ có hai quá trình diễn ra song song, phụthuộc qua lại lẫn nhau Quá trình thứ nhất là quá trình bên ngoài bộ điều khiển: thể hiệnqua sự vận động liên tục, không ngừng của đối tượng thực, theo những quy luật vật lý vàtác động của môi trường Quá trình thứ hai là quá trình bên trong bộ điều khiển, thể hiệnqua chu trình: trích mẫu – tính toán – tác động trở lại đối tượng thực của vi điềukhiển, không ngừng được xử lý và lặp lại Trong đó, chu trình bên trong lấy thông tin củachu trình bên ngoài, thực hiện tính toán và tác động ngược trở lại chu trình bên ngoài để

nó vận động theo quỹ đạo mà người thiết kế mong muốn Sự ảnh hưởng của chu trình bêntrong với chu trình bên ngoài không chỉ thể hiện qua cường độ, hướng tác động mà cònphụ thuộc cả vào thời gian đáp ứng Một điều dễ thấy là ta không thể tác động tới đốitượng khi nó đã đi tới một trạng thái khác hẳn với những thông tin đầu vào mà ta thuđược, do trễ tính toán của hệ thống Ví dụ như ta không thể điều khiển nhiệt độ củabuồng đốt khi nó đã quá nhiệt và bị hư hỏng Và giống như việc một bức ảnh số được cấuthành từ rất nhiều các điểm ảnh nhỏ, các điểm ảnh phải đủ nhỏ để ‘đánh lừa’ mắt người,làm cho chúng ta có cảm giác nhìn thấy một bức tranh chân thực Tính thời gian thựccũng vậy, nó quy định thời gian phải hoàn thành của chu trình bên trong hệ thống Nóphải đủ nhỏ để ‘đánh lừa’ đối tượng vật lý bên ngoài hệ thống ấy Ở đây chúng ta đề cậpcụ thể hơn đến tính chất kịp thời của hệ thời gian thực, biểu hiện trong hệ điều khiển số.Tức thời gian quy định thời điểm phải hoàn thành một chu trình trích mẫu – tính toán –tác động của vi điều khiển Thời gian đó phải tương đối nhỏ so với thời gian quán tínhcủa đối tượng.

Giới hạn cho một chu trình

Thật ra, không chỉ trong thế giới của vi điều khiển, ta có thể bắt gặp tính chất kịpthời này ngay trong cuộc sống thường ngày của chúng ta Ví dụ như một cuộc đối thoạigiữa 2 người chẳng hạn Theo một khía cạnh nào đó, hoạt động của hệ thống điều khiểncũng giống như một cuộc nói chuyện giữa vi điều khiển và đối tượng bị điều khiển Và