Arquitetura de hardware de baixo custo para sistemas tempo real distribuídos

Abstract

Sistemas em tempo real caracterizam-se como tal quando seu correto funcionamento depende não apenas do correto processamento lógico de entradas e saídas, mas também da observância de restrições temporais na geração dos sinais de saída. Assim sendo, uma das características principais de dispositivos usados em aplicações em tempo real é seu determinismo, ou seja, sua capacidade de responder, em qualquer circunstância, dentro de limites de tempo previamente determinados. Sendo esta característica um requisito básico, percebe-se a vantagem de dispor de um hardware que a incorpore. Facilitando o desenvolvimento de aplicações para esse tipo de controle, com um melhor desempenho. Visando atender esta necessidade, este trabalho apresenta uma arquitetura de hardware de baixo custo para desenvolvimento de aplicações com requisitos de tempo-real para sistemas de controle distribuído. Cada unidade de processamento da arquitetura distribuída é formada pelos seguintes elementos: • Processador principal: • Gerenciador de timer e de tarefas: responsável pela gerência de timer e interrupções, bem como pela gerência dos instantes de ativação das tarefas concorrentes e sincronização com outras unidades de processamento do sistema distribuído de automação. • Processador de comunicação: responsável pela comunicação entre tarefas, incluindo o mapeamento para o protocolo de comunicação usado no barramento industrial (como por exemplo o Profibus). • Periféricos, tais como memórias, co-processadores aritméticos, unidades de disco, etc. A principal novidade proposta é o aproveitamento do baixo custo dos microcontroladores comerciais, atribuindo funções específicas para cada um, deixando o peso computacional do sistema operacional, na sua maior parte, em processadores diferentes do responsável pelo processamento das tarefas da aplicação. Dentre as vantagens da arquitetura proposta cabe aqui mencionar: • Aumento do poder de processamento de uma Unidade de Processamento das tarefas da aplicação do usuário. • Maior facilidade em obter o determinismo temporal, característica fundamental em sistemas tempo-real distribuídos. • Possibilidade de utilização de algoritmos de escalonamento mais complexos e especializados, sem uma sobrecarga proibitiva no desempenho do sistema. Os primeiros resultados obtidos com esta arquitetura, quando comparados com o exemplo industrial utilizado, são promissores. A recepção da comunidade científica também foi positiva, fato que pode ser medido pela aceitação dos diversos artigos apresentados e/ou publicados que basearam-se na arquitetura proposta nesta dissertação, quais sejam o 4th IFAC Workshop on Algorithms and Architectures for Real-Time Control [PoPe97b], Special Section of IFAC Control Engineering Practice Journal [PoPe97c], Tercer Taller Iberoamericano de Microeletrónica y sus Aplicaciones [Souza97], Euromicro'97 Workshop on Real-Time Systems [Parisoto97], Seminário Interno do DELET e IEE [PoPe96], Revista Egatea [PoPe97a] e o XII Congresso Brasileiro de Automática [PPS98].

This work presents a low-cost hardware architecture that enhances the performance and increases the predictability of real-time distributed systems. The proposed architecture overcomes one of the major drawbacks of conventional architectures based on a single processar: the overload imposed by operating system activities. The architecture makes use of dedicated hardware units based on low cost microcontrollers. One microcontroller takes care of functions involving the management of task scheduling and time-dependent activation. Since scheduling algorithm tasks do not compete with application tasks anymore, they can be even more sophisticated and specialized. Another microcontroller is responsible for all activities related to inter-process communication, including the execution of communication drivers. It uses the processing capability to exchange data with the network, allowing the last microcontroller to expend more time in operations associated with the user's application. Not only the overall system performance is increased but the system behavior tends to be more deterministic, a very important characteristic when developing real-time applications.