1.2 Системы реального времени

ЦЕЛЬ – на основе принципа управления дать понятие «система реального времени» как типовой конструкции, реализующей процесс управления.

В этом разделе анализируется второе понятие (СРВ) из логической последовательности, приведённой во введении. Для чего это нужно? В дальнейшем лекционном материале будет показано, что в любой связи базой является система реального времени, а это предполагает идентичность в принципах построения. Следовательно, если Вы будете знать принцип построения СРВ, то те же принципы должны быть и у систем связи. А это уже другой подход к изучению систем связи. Вы будете не только запоминать, как устроено, но и понимать, почему так, а не иначе.

Система реального времени. Для введения понятия система реального времени необходимо, прежде всего, уточнить: а что же такое система?

Система – любой объект, который одновременно рассматривается как:

♦ нечто, состоящее из множества связанных частей. (При этом связь подразумевается в широком смысле этого слова, например, связь не только через провода, но и волновая (через атмосферу), информативная и т.д.) /Шпаргалка и студент это нечто, связанное между собой?/;

♦ единое, функционирующее целое; (При этом под функционированием подразумеваются различные его варианты (режимы)).

Данное определение показывает, что системой может быть только объект, удовлетворяющий всем перечисленным свойствам. Например, разбросанные части какого–либо устройства не будут системой, ибо они не единое целое, не связаны друг с другом и не функционирующее целое. Эти же части, собранные в кучу также не будут системой, ибо хотя они и единое целое (формально - куча), но не связаны друг с другом и не функционируют. Части, соединенные хаотическим образом также не система (хотя и единое целое), ибо такой объект не будет функционировать. / Можете привести свой пример/

Любая система имеет цель (для чего она создана?), а любая цель, как указано в разделе 1.1, должна иметь средства её достижения. В качестве такого средства и выступает система.

Для дальнейшего анализа используем рис.1.2.1. Он является аналогом рис.1.1.2, упрощенным без смыслового ущерба. Во – первых, название «управление объектом» заменено на более «техническое» название - «устройство управления» (УУ); во – вторых, снята цель, ибо она, как следует из определения управления, «заложена» в УУ; в – третьих, объединение компонент объект и УУ, принято за систему, ибо функционально эти компоненты представляют собой единое целое; в – четвертых, для упрощения рисунка, среда условно дана в виде одной компоненты.

Рис. 1.2.1 Принципиальная структурная схема СРВ

Что является главным в работе схемы на рис. 1.2.1? Им является время реакции объекта управления на возмущения, оказываемые средой, ибо если объект не успеет во – время отреагировать на изменение среды, т.е. не выдать Y, то, ни о каком управлении говорить не приходится. Требование необходимости во - время реагировать на возмущения среды является системной характеристикой схемы на рис.1.2.1.

Системы, в которых время является системной характеристикой, называются системами реального времени (СРВ) /real-time system/. Схема на рис.1.2.1 является принципиальной структурной схемой СРВ, базирующейся на принципе управления, данном в разделе 1.1.

В принципиальном плане, существенная роль времени генерации выходного сигнала связана с тем, что входной сигнал, поступающий из среды, соответствует каким – то изменениям в ней, следовательно, и выходной сигнал, как «отклик» на изменение среды, также связан с этими изменениями. Такая взаимосвязь требует, чтобы в СРВ временна’я задержка от входного сигнала X до выходного сигнала Y (т.е. время реакции) должна быть меньше, чем время изменения состояния среды. В конкретных системах эта принципиальная зависимость может быть выражена различными техническими требованиями, например, в АТС время ответа станции при снятии трубки абонентом заложено в виде определенной временно’й константы. На рис. 1.2.2 дано графическое пояснение этому требованию.

Здесь:

X(t-1), Xt, X(t+1) – входные сигналы;

Y(t-1) – выходной сигнал (реакция на X(t-1));

Yt – выходной сигнал (необходимая реакция на Xt);

Y’t – выходной сигнал (недопустимая реакция на Xt);

t2 – время от появления входного сигнала Xt до появления следующего входного сигнала X(t+1);

t1 – время от появления входного сигнала Xt до появления выходного сигнала Yt

(необходимая реакция СРВ);

t1’ – время от появления входного сигнала Xt до появления выходного сигнала

Y’t (недопустимая реакция СРВ);

tож – время ожидания устройством управления следующего входного сигнала

X(t+1) после выдачи ВЫХОДНОГО сигнала Yt.

Рис.1.2.2 Графическое пояснение в системной характеристике СРВ

На рис.1.2.2 рассмотрены два типа реакций СРВ на появление входного сигнала Xt: необходимая и недопустимая.

НЕОБХОДИМАЯ реакция СРВ на входной сигнал Xt. При этой реакции всегда t1< t2, т.е. сигнал Yt должен быть выдан до прихода следующего входного сигнала X(t+1).

НЕДОПУСТИМАЯ реакция СРВ на входной сигнал Xt. При такой реакции всегда t1’ > t2. Из рис. 1.2.2 понятна причина такой недопустимости: через время t2 приходит следующий входной сигнал X(t+1), а СРВ еще не выдало реакции Y’t на предыдущий входной сигнал Xt. (Например, устройство с задержкой отработки команды не выдало отработку на пришедшую команду, а уже пришла следующая команда)

Из приведенного анализа рис.1.2.2 следует, что скорость работы СРВ должна быть выше скорости изменения функций среды, которыми она управляет. На рис.1.2.2 это требование к СРВ визуально представлено в виде обязательного наличия временно’го интервала tож, при котором СРВ как бы «ожидает» следующий входной сигнал X(t+1), после того, как отработан предыдущий входной сигнал Xt (т.е. выдан Yt)./Подумайте, при tож = 0 СРВ будет функционировать?/

Временно’й интервал tож имеет и еще одну важную функцию, связанную с модернизацией СРВ. Необходимость модернизации всех типов СРВ всегда актуальна уже с момента окончания ее проектирования. Если СРВ разработана так, что tож в системе

почти 0, то дальнейшая модернизация может идти только за счет увеличения скорости обработки входных сигналов, что влечет как программные так и, возможно, аппаратные изменения. Если СРВ разработана с запасом tож, то модернизация идет, как правило, за счёт программного обеспечения /при массовом производстве таких СРВ сокращаются затраты на модернизацию. Подумайте, почему?/

Время реакции для разных типов СРВ различно, ибо оно определяется областью процессов управления, т.е.ОУ. Например, при управлении ракетой требуется реакция в миллисекундах, а управление движением судов измеряется днями.

СРВ массового обслуживания. В реальном времени можно управлять как одним объектом (например, технологический процесс) так и множеством объектов одной природы (движение самолетов, различные виды связи абонентов, поликлиники, продажа товаров и т.д.). Такие СРВ называются СРВ массового обслуживания.

Управление в СРВ может реализовываться на различных принципах, например, механический (клапаны с пружинами, регулирующие давление пара), электрический (электрические пробки в квартирах), световой (фотоэлементы) и т.д. Мы будем рассматривать СРВ, УУ которых реализуются компьютерами.

Сферы применения и особенности СРВ. Появление ЭВМ чрезвычайно расширило сферу применения СРВ, которая охватывает:

● промышленное производство и транспорт;

● военное назначение;

● непромышленная сфера (медицина, локальные вычислительные сети, ЭВМ в сетях связи, коммунальное хозяйство, игровые автоматы).

Характерные особенности СРВ.

1. Реальный масштаб времени функционирования.

2. Постоянство и цикличность решаемых задач.

3.Случайность поступления внешних воздействий, и, как правило, асинхронность решения функциональных задач.

4. Как правило, длительная непрерывная эксплуатация.

5. Закрытие СРВ для разработчика.

6. Повышенные требования к надежности функционирования СРВ.

Типовой инструмент ознакомления с любой СРВ. При начальном ознакомлении с любой СРВ, как правило, возникает вопрос: с чего начать ознакомление? Рис.1.2.1 позволяет создать простой инструмент для начального этапа ознакомления. Согласно схеме рис.1.2.1 ознакомление со структурой любой СРВ должно начинаться с поиска компонент, указанных на рис.1.2.1. Поиск ведется постановкой следующих вопросов:

► ЧТО управляется? Ответом является поиск или указание объекта управления;

► ЧЕМ управляется? Ответом является поиск или указание УУ.