Sistemas en tiempo real (STR)
Definición y características
Concurrencia
Comunicación y sincronización
Variables compartidas
Semáforos
Monitores
Métodos sincronizados
Paso de mensajes
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Definición de sistemas de tiempo real
Cualquier actividad o proceso de información que tiene que responder a un estímulo de entrada generado externamente en un periodo finito y especificado (Young 1982).
Un sistema de tiempo real es aquel al que se le solicita que reaccione a estímulos del entorno en intervalos de tiempo fijados por el entorno (Randell 1995).
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Sistemas de tiempo real
Sistema
Recibe eventos del entorno
Responder de acuerdo a un comportamiento determinado y en un tiempo determinado
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Componente de un sistema mayor
Sistemas empotrados o embebidos
Sistemas de tiempo real
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Sistemas de tiempo real
Resultados lógicos.
Tiempo en el que se producen esos resultados.
El tiempo en que se ejecutan las acciones del sistema
es significativo
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Características de los STR (1)
Complejos:
Algunos sistemas tienen millones de líneas de código
la variedad de funciones aumenta la complejidad incluso en
sistemas relativamente pequeños
Control concurrente de los distintos componentes del sistema:
los dispositivos físicos controlados funcionan al mismo tiempo
las tareas que los controlan actúan concurrentemente
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Características de los STR (2)
Fiable y seguro:
sistemas críticos: fallos con consecuencias graves
pérdida de vidas humanas
pérdidas económicas
daños medioambientales
Implementación eficiente:
Son críticos respecto al tiempo, lo que implica que una implementación eficiente es importante
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Características de los STR (3)
Interface con sistemas hardware:
Los sistemas embebidos requieren que el software esté preparado para su interacción con el mundo exterior
Funcionalidades de tiempo real:
acciones en intervalos de tiempo determinados
– es fundamental que el comportamiento temporal de los STR sea determinista o, al menos, previsible
el sistema debe responder correctamente en todas las situaciones
en los sistemas de tiempo real estricto hay que prever el comportamiento en el peor caso posible
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Otras características
Los recursos están limitados
– procesador, memoria, pantalla, etc.
Los dispositivos de entrada y salida son especiales
para cada sistema
– no hay teclado ni pantalla normales
El computador debe reaccionar a tiempo ante los
cambios en el sistema físico.
– una acción retrasada puede ser inútil o peligrosa
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Tipos de sistemas de tiempo real
Estrictos (hard real time): las respuestas se deben producir en los tiempos especificados. (sistemas de control de vuelos)
Realmente estrictos: los tiempos de respuestas son muy breves: (sistema de guía de misiles)
No estrictos (soft real time): el tiempo es importante pero el sistema se degrada, aunque seguirá funcionando a pesar de que los tiempos no se cumplan estrictamente.(sistema de adquisición de datos).
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Aplicaciones
Control de procesos.
Fabricación (control de producción).
Comunicación, mando y control.
Reserva de pasajes aéreos
Control de pacientes
Control de tráfico
La mayoría de estos sistemas son concurrentes
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Características de los STR
Complejos.
Control concurrente de distintos componentes del sistema
Fiable y seguro
Implementación eficiente
Interface con sistemas hardware
Funcionalidades de tiempo real
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Concurrencia
Son la notación y las técnicas de programación que expresan el paralelismo potencial
Un programa concurrente es un conjunto de procesos autónomos que se ejecutan en paralelo.
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Procesos concurrentes
El trabajar con procesos concurrentes añade complejidad a la tarea de programar
¿cuáles son entonces los beneficios que aporta la programación concurrente?
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Beneficios de la programaciónconcurrente
Mejor aprovechamiento de la CPU
Velocidad de ejecución
Solución de problemas de naturaleza concurrente
Sistemas de control
Tecnologías web
Aplicaciones basadas en interfaces de usuarios
Simulación
SGDB
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Proceso
Es una instancia de ejecución de un programa.
Tiene un ciclo de vida, es decir pasa por distintos estados.
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Ciclo de vida de un proceso
(Gp:) terminado
(Gp:) nacido
listo
(Gp:) ejecución
(Gp:) No existente
(Gp:) No existente
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Finalización de un proceso
Finaliza la ejecución de su cuerpo.
Ejecución de alguna sentencia de auto finalización.
Condición de error sin tratar.
Aborto por medio de la intervención de otro proceso.
Nunca: procesos que se ejecutan en bloques que no terminan.
Cuando ya no son necesarios.
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Implementación de un conjunto de procesos
Multiplexar sus ejecuciones en un único procesador (multiprogramación).
Multiplexar sus ejecuciones en un sistema multiprocesador con acceso a memoria compartida (multiprocesamiento)
Multiplexar sus ejecuciones en diversos procesadores que no comparten memoria (sistema distribuído)
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Ejecución de un programa concurrente
Los procesos deben ser creados, distribuidos en los procesadores y finalizados. Estas actividades la realiza el nucleo de ejecución conocido como Run Time System Support (RTSS).
Se encarga de la creación, terminación y multiplexado de los procesos
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Run Time System Support
Estructura software programada como parte de la aplicación (Modula-2).
Sistema software generado junto al código objeto del programa por el compilador. (Ada y Java).
Estructura hardware microcodificada en el procesador.
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Ejecución de los procesos
Todos los SO tiene formas de crear procesos.
Cada proceso se ejecuta en su propia maquina virtual.
Los SO modernos permiten crear hilos (procesos ligeros) dentro de la misma máquina virtual.
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¿Quien provee los mecanismos de concurrencia?
Sistema operativo (SO de Tiempo real)
Lenguaje ( lenguaje que proporciona mecanismos para concurrencia)
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Ventajas si el lenguaje proporciona los mecanismos de concurrencia
Programas más legibles
Programas más portables
Si el sistema es embebido puede que no tenga un SO residente
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Ventajas si el SO proporciona la concurrencia
El modelo de concurrencia es el mismo para todos los lenguajes.
Puede no ser fácil implementar el modelo de concurrencia sobre algún modelo de SO
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Representación de procesos
Depende del lenguaje:
Process Modula
Task Ada
Thread Java
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Programación concurrente
Los lenguajes concurrentes tiene elementos para:
Crear procesos concurrentes
Sincronizar procesos
Comunicar procesos
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Comportamiento de procesos
Independientes: no se sincronizan ni comunican. (son muy raros)
Cooperativos: se comunican y sincronizan sus actividades.
Competitivos: compiten por recursos del sistema.
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Sincronizar y Comunicar
Sincronizar: Satisfacer las restricciones en el enlazado de las acciones de los distintos procesos.
Comunicar: pasar información de un proceso a otro.
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Sincronizar y Comunicar
Variables compartidas: objetos a los que puede acceder más de un proceso
Paso de mensajes: intercambio explícito de datos entre dos procesos mediante el paso de un mensaje mediante alguna forma que brinda el SO o el propio lenguaje.
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Variables compartidas
Son objetos a los que puede acceder mas de un proceso.
La comunicación se logra accediendo a dichas variables cuando sea necesario
Trae problemas
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Mensajes
El intercambio de mensajes implica el paso explícito de datos entre un proceso y otro. Esto se realiza mediante algún mecanismo
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Variables compartidas
Considere dos procesos que actualizan una variable compartida, X, mediante la sentencia: X:= X+1
Carga el valor de X en algún registro.
Incrementa el valor en el registro en 1.
Almacena el valor del registro de nuevo en X.
Como ninguna de las tres operaciones es indivisible, dos procesos que actualicen la variable simultáneamente generarían un entrelazamiento que podría producir un resultado incorrecto.
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Variables compartidas
Las partes de un proceso que tienen acceso a las variables compartidas han de ejecutarse indivisiblemente unas respecto a las otras.
Estas partes se denominan secciones críticas.
La protección requerida se conoce como exclusión mutua.
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Sección crítica: secuencia de instrucciones que debe ejecutarse sin perder el control, y afecta variables compartidas. Si un proceso esta ejecutando código de su sección crítica, ningún otro proceso puede estar ejecutando código de su sección crítica
Variables compartidas
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Exclusión mutua: es el mecanismo que asegura que solo un proceso está haciendo algo en un instante determinado. Sincronización para proteger una sección crítica. Es necesario si dos procesos comparten variables.
Sincronización condicionada: necesaria cuando un proceso necesita realizar alguna acción, solo después que se haya cumplido una condición.
Sincronizaciones necesarias en la programación concurrente
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Sincronización de condición
Utilización de buferes: productor / consumidor
Son aquellos problemas en los que existe un conjunto de procesos que producen información que otros procesos consumen, siendo diferentes las velocidades de producción y consumo de la información. Este desajuste en las velocidades, hace necesario que se establezca una sincronización entre los procesos de manera que la información no se pierda ni se duplique, consumiéndose en el orden en que es producida.
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Variables compartidas
Semáforos
Monitores tipos protegidos
Metodos sincronizados
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Semáforos
Introdujo Dikstra en 1968.
Permite resolver la mayoría de los problemas de sincronización entre procesos y forma parte del diseño de muchos sistemas operativos y de lenguajes de programación concurrentes.
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