Bài giảng Hệ thống thông tin công nghiệp - Chương 3: Vấn đề thời gian thực

ản 
ứng)
Yêu cầu cao về
hiệu suất phần mềm
(tính nhanh nhạy)
Đòi hỏi xử lý ₫ồng thời nhiều tác vụ
(tính ₫ồng thời) 
Đòi hỏi cơ sở
lý thuyết chặt chẽ
phục vụ
phân tích và 
đánh giá
(tính tiền ₫ịnh)
12
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS
Tại sao phải nghiên cứu về
xử
lý
TGT?
ƒ Xử lý thời gian thực là nguyên lý làm việc cơ bản của 
mỗi hệ thống điều khiển và của mỗi hệ thống thông 
tin công nghiệp, nhìn từ quan điểm tin học
ƒ Chất lượng điều khiển và độ tin cậy của hệ thống điều 
khiển không chỉ phụ thuộc vào thuật toán ₫iều khiển, 
công nghệ phần cứng, mà còn phụ thuộc một cách tất 
yếu vào phương pháp xử lý thời gian thực
ƒ Chúng ta còn biết quá ít về cơ chế thực hiện các chức 
năng phần mềm bên trong một bộ điều khiển (số)
13
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS
Các hình thức cơ bản của xử
lý TGT
ƒ Khả năng phản ứng đồng thời với các sự kiện bên 
ngoài: Xử lý đa nhiệm
ƒ Đáp ứng yêu cầu về thời gian của nhiều “tác vụ”: 
—
Xử
lý song song
—
Xử
lý phân tán
—
Xử
lý cạnh tranh
14
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS
Tác
vụ
và
xử lý ₫a nhiệm
ƒ Một quá trình tính toán cho một nhiệm vụ cụ thể, có
thể được thực hiện đồng thời, ví dụ:
—
Các tác vụ
xử
lý giá
trị
vào/ra
—
Các tác vụ điều chỉnh
—
Các tác vụ điều khiển
logic
—
Các tác vụ
xử
lý biến cố
—
...
ƒ Một tác vụ là sự thi hành một chương trình hoặc một 
phần chương trình
—
Một chương trình chạy nhiều lần => nhiều tác vụ
—
Một đoạn mã chương trình
(ví
dụ
một hàm) được gọi tuần 
hoàn với các chu kỳ
khác nhau
=>
nhiều tác vụ
khác 
nhau
ƒ Multitasking (đa nhiệm): khả năng thi hành đồng thời 
nhiều tác vụ
15
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS
Các
trạng
thái
của một tác
vụ
ƒ Trạng thái nghỉ, chưa tồn tại (Dormant, 
Nonexistence): Task trong bộ nhớ nhưng 
hệ điều hành không quản lý.
ƒ Trạng thái sẵn sàng (Ready state): Khi 
nó có thể được điều hoạt nhưng hiện 
đang có một Task khác có mức ưu tiên 
cao hơn đang được thực hiện. 
ƒ Trạng thái chạy (Running state): Khi nó 
đang được điều khiển bởi CPU
ƒ Trạng thái đợi (Waiting state) : Khi nó 
đang chờ một sự kiện xảy ra để được 
sẵn sàng như một sự kiện vào/ra, khi 
tài nguyên chung có thể sử dụng hay là
khi có các ngắt thời gian.
DORMANT READY
RUNNINGWAITING
16
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS
Phân loại tác vụ
(IEC
61131-3)
Mã
thực thi
Tác vụ
mặc định
Ví
dụ: 
- Điều khiển
logic
-
Kiểm tra lỗi
Chờ
tới chu kỳ
Mã
thực thi
Thời gian
Tác vụ
tuần hoàn
Ví
dụ: 
- Điều chỉnh vòng kín 
- Xử
lý truyền thông
Chờ
sự
kiện
Mã
thực thi
Sự
kiện
Tác vụ
sự
kiện
Ví
dụ: 
- Điều khiển trình tự
- Xử
lý sự
cố
17
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS
Các hình thức xử lý ₫ồng thời
ƒ Xử lý song song: Các tác vụ (task) được phân chia 
thực hiện song song trên nhiều bộ xử lý
ƒ Xử lý cạnh tranh: Nhiều tác vụ chia sẻ thời gian của 
một bộ xử lý.
ƒ Xử lý phân tán: Mỗi (nhóm) tác vụ được thực hiện 
riêng trên một máy tính (trường hợp đặc biệt của xử
lý song song).
Xử
lý cạnh tranh là
hình thức quan trọng nhất trong 
các hệ
thống điều khiển (có thể
kết hợp với xử
lý 
phân tán)
18
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS
Xử
lý
cạnh
tranh
ƒ Các vấn đề:
—
Tổ
chức, lập lịch
phân 
chia tài
nguyên cho các
 tác
vụ
—
Giao tiếp giữa các tác vụ
—
Đồng
bộ
hóa giữa
các
tác
 vụ
19
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS
Phương pháp lập lịch
ƒ Vấn đề:
—
Bên cạnh hiệu năng của phần cứng máy tính, thì 
phương pháp lập lịch có
ảnh hưởng lớn tới tính năng 
thời gian thực của hệ
thống
—
Cần sự
thỏa hiệp giữa tính năng thời gian thực và
 hiệu suất sử
dụng tài nguyên máy tính
ƒ Cơ chế lập lịch
—
Lập lệnh tĩnh:
thứ
tự
thực hiện các tác vụ được xác định 
trước khi hệ
thống đi vào hoạt động.
—
Lập lệnh động:
thứ
tự
thực hiện các tác vụ được xác định 
trong khi hệ
thống đang hoạt động.
20
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS
Phương pháp lập lịch
ƒ Sách lược lập lịch
—
FIFO: đến trước sẽ được thực hiện trước.
—
Non-preemptive: không chen hàng, các tác vụ được thực 
hiện bình thường dựa trên mức ưu tiên của chúng.
—
Preemptive: chen hàng, chọn một tác vụ để
thực hiện 
trước các tác vụ
khác.
—
Round-robin/Time-slicing: Mỗi tác vụ
có
mức ưu tiên như 
nhau được thực hiện một số
“lát thời gian”
—
Mức ưu tiên cố định/động: các tác vụ được đặt các mức 
ưu tiên cố định hoặc có
thể thay đổi nếu cần.
ƒ Thuật toán lập lịch
—
Rate monotonic:
càng thường xuyên càng được ưu tiên.
—
Deadline monotonic:
càng gấp càng được ưu tiên.
—
Least laxity:
tỷ
lệ
thời gian tính toán/thời hạn cuối cùng
 (deadline)
càng lớn càng được ưu tiên.
21
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS
Khái niệm “tiến trình tính toán”
ƒ Tiến trình tính toán (process) là một khái niệm tương 
đương với “tác vụ”, nhưng nhìn từ phía hệ điều hành 
đa nhiệm (khái niệm tác vụ nhìn từ phía người sử
dụng)
ƒ Hai loại tiến trình:
—
Tiến trình nặng cân (heavyweight process, process): 
Chiếm một không gian địa chỉ riêng, thường tương ứng 
với thực thi cả
một chương trình => sử
dụng an toàn hơn 
nhưng giao tiếp giữa các process phức tạp
—
Tiến trình nhẹ
cân (lightweight process, thread): Thường 
thuộc một process, các thread của một process cùng 
chia sẻ
một không gian địa chỉ
=> giao tiếp đơn giản 
thông qua các biến toàn cục, nhưng cần thận trọng
22
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS
3.3
Hệ ₫iều hành thời gian thực
ƒ Hệ điều hành thời gian thực là một hệ điều hành hỗ
trợ các chương trình ứng dụng xử lý thời gian thực
ƒ Hầu hết các bộ điều khiển công nghiệp (PLC, DCS,...) 
đều hoạt động trên nền một hệ điều hành thời gian 
thực (RTOS, Real-time Operating System)
ƒ Bản thân hệ điều hành thời gian thực cũng là một hệ
thời gian thực 
ƒ Một hệ điều hành thời gian thực bao giờ cũng là một 
hệ đa nhiệm (multitasking), hỗ trợ xử lý cạnh trạnh 
hoặc/và xử lý song song. 
23
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS
Vai trò
của RTOS
trong bộ ₫iều khiển
ƒ Nạp chương trình, hỗ trợ thử nghiệm, gỡ rối chương 
trình
ƒ Quản lý dữ liệu vào/ra và quản lý truyền thông
—
Giúp các chương trình ứng dụng dễ
dàng truy cập dữ
liệu 
mà
không cần quan tâm tới cơ chế
phần cứng cụ
thể
ƒ Quản lý tác vụ:
—
Lập lịch:
Phân chia thời gian
CPU
cho thi hành các tác vụ
 khác nhau
(trong xử
lý cạnh tranh)
—
Hỗ
trợ ₫ồng bộ
hóa tiến
trình:
Giúp các tác vụ
chia sẻ
tài 
nguyên sử
dụng chung
(bộ
nhớ, cổng vào/ra,..)
—
Hỗ
trợ
giao tiếp liên tiến
trình:
Giúp các tác vụ
thực hiện 
giao tiếp, trao đổi dữ
liệu hoặc phối hợp hoạt động
ƒ Các chức năng kiểm tra, chẩn đoán lỗi
24
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS
RTOS trong các
hệ
thống
₫iều khiển
ƒ Yêu cầu đặc biệt
—
Mã rất nhỏ, gọn
—
Đơn giản, dễ
sử
dụng, dễ
lập trình
—
Thời
gian phản
ứng
với một sự
kiện (ví dụ
khi xuất hiện 
ngắt
truyền
thông, ngắt
vào/ra,...) đủ
ngắn
—
Quản lý hiệu quả
các tác vụ
tuần hoàn, đảm bảo chính 
xác về
chu kỳ
thời gian, độ
rung nhỏ
(jitter)
—
Quản lý vào/ra hiệu quả, đơn giản
ƒ Hai dạng thực hiện:
—
Mã nguồn: Nhân thời gian thực, được dịch và
liên kết 
cùng với CTĐK tạo thành một chương trình duy nhất -> 
giải pháp vi điều khiển.
—
Mã chạy cài đặt sẵn trên thiết bị: Hệ điều hành thời gian 
thực đầy đủ, cung cấp các dịch vụ độc lập với chương 
trình điều khiển -> giải pháp PLC và
DCS.
25
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS
GIAO DIỆN PHẦN CỨNG
PHẦN CỨNG
MÁY
TÍNH
QUẢN LÝ
TASK
QUẢN LÝ
BỘ
NHỚ
QUẢN LÝ
VÀO/RA
XỬ
LÝ
GIAO TIẾP
QUẢN LÝ
SỰ
KIỆN
GIAO DIỆN LẬP TRÌNH
ỨNG
DỤNG
CHƯƠNG TRÌNH
ỨNG
DỤNG
CHƯƠNG TRÌNH
ỨNG
DỤNG
CHƯƠNG TRÌNH
ỨNG
DỤNG
Cấu trúc tiêu biểu của một hệ
₫iều hành 
thời gian thực
26
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS
Ví
dụ
phát
triển: MicroC/OS-II
 CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG
MÃ XỬ LÝ ĐỘC LẬP
OS_CORE.C
OS_FLAG.C
OS_MBOX.C
OS_MEM.C
OS_TASK.C
OS_TIME.C
uCOS_II.C
uCOS_II.H
CẤU HÌNH µC/OS-II
OS_CFG.H
INCLUDE.H
CHUYỂN MÃ µC/OS-II
OS_CPU.H
OS_CPU_A. ASM
OS_CPU_C.C
CPU TIMER
PHẦN MỀM
PHẦN CỨNG
27
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS
3.4 Giao tiếp thời gian thực
ƒ Một hệ thống điều khiển nhà máy bao gồm nhiều 
thành phần => nhu cầu giao tiếp
ƒ Tính năng thời gian thực của một hệ thống không chỉ
phụ thuộc vào tính năng thời gian thực của từng 
thành phần, mà còn phụ thuộc vào cấu trúc liên kết 
và hình thức giao tiếp giữa các thành phần!
ƒ Tính năng thời gian thực của hệ thống truyền thông 
phụ thuộc vào những yếu tố gì?
—
Tốc độ
truyền?
—
Cấu trúc mạng?
—
Phương pháp kiểm soát truy nhập bus?
—
...
28
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS
Ví
dụ
minh họa: Hệ ĐK qua mạng
Sensor
I/O
Controller
I/O
ActuatorSensor
I/O
Actuator
I/O
Bus trường
Tsd
Tin Tout
Tad
Tc
Ts
Tio
Ta
Tbus
‰ Không đồng bộ trong các chu kỳ hoạt động của các 
thiết bị
‰ Đặc tính khác nhau của các hệ bus 
‰ Thời gian trễ bất định
‰ Chù kỳ trích mẫu biến thiên
29
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS
Các thông số ₫ặc trưng
ƒ Chu kỳ bus: Khoảng thời gian nhỏ nhất mà tất cả các 
trạm trong mạng được tham gia giao tiếp một lần 
(không phải hệ thống nào cũng hoạt động theo chu kỳ)
ƒ Thời gian phản ứng (tiêu biểu và trường hợp xấu nhất): 
Khoảng thời gian từ lúc nhận được yêu cầu tới lúc 
hoàn thành nhiệm vụ trao đổi thông tin
ƒ Độ rung (jitter): Khoảng thời gian sai lệch so với thời 
điểm lý tưởng
=> Quan trọng: Các thông số
trên là
tiền định hay bất 
định (mức độ
bất định như thế
nào?)!
30
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS
Các kiến trúc giao tiếp
ƒ Kiến trúc Master/Slave
—
Một trạm chủ
phối hợp hoạt động của nhiều trạm tớ
—
Các trạm tớ
có
vai trò,
nhiệm vụ tương tự như nhau
—
Các trạm tớ
có
thể
giao tiếp trực tiếp,
hoặc không
—
Vai trò chủ động thuộc về
Master
Master
Slave Slave Slave
Ví
dụ: Bộ điều khiển
Ví
dụ:
Các vào/ra phân tán,
các thiết bị trường
31
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS
ƒ Kiến trúc Client/Server
—
Server thực hiện các dịch vụ
chung, phục vụ
các client.
—
Giữa các
client
không cần thiết có
giao tiếp trực tiếp
—
Vai trò chủ động trong giao tiếp thuộc về
client
Server
Client Client Client
Ví
dụ: Các trạm vận hành
Ví
dụ: Các bộ điều khiển hoặc các trạm quản lý dữ
liệu
Server
32
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS
ƒ Kiến trúc bình đẳng
—
Các trạm có
vai trò bình đẳng,
phải phối hợp hoạt động,
 hình thức giao tiếp trực tiếp với nhau không
qua
trung 
gian
A
A
A
A A
Ví
dụ:
Các trạm điều khiển phân tán
hoặc các thiết bị trường thông minh
33
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS
ƒ Kiến trúc tự trị
—
Các trạm có
vai trò bình đẳng,
có
thể
hoạt động hoàn 
toàn độc lập nhưng sự
phối hợp hoạt động tạo hiệu quả
 cao nhất
A
A
A
A A
Ví
dụ: Các hệ
thống xây dựng theo công nghệ
Agent, Multi-Agent
34
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS
Các
cơ chế
giao tiếp
ƒ Dữ liệu toàn cục (Global Data)
—
Giống như một vùng nhớ
chung
—
Mỗi trạm đều chứa một ảnh của bảng dữ
liệu toàn cục, 
trong đó có toàn bộ
dữ
liệu cần trao đổi của tất cả
các 
trạm khác
—
Mỗi trạm gửi phần dữ
liệu của nó
tới tất cả
các trạm, 
mỗi trạm tự
cập nhật ảnh của bảng dữ
liệu toàn cục
—
Đơn giản, tiền định nhưng kém hiệu quả
—
Áp dụng cho lượng dữ
liệu nhỏ, tuần hoàn (ví
dụ
giữa 
các trạm điều khiển).
35
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS
ƒ Hỏi tuần tự (Polling, Scanning)
—
Một trạm đóng vai trò
Master
—
Cơ chế
hỏi/đáp tuần tự
theo trình tự đặt trước
—
Đơn giản,
tiền định
—
Áp dụng cho trao đổi dữ
liệu tuần hoàn
Master Slave1 Slave2 Slave3
Message1
Response1
Message2
Response2
Message3
Response3
36
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS
ƒ Tay đôi (Peer-To-Peer)
—
Hình thức có
liên kết hoặc không liên kết,
cấu hình trước 
hoặc không cấu hình trước,
có
xác nhận hoặc không xác 
nhận,
có
yêu cầu hoặc không có
yêu cầu
—
Linh hoạt nhưng thủ
tục có
thể
phức tạp
—
Áp dụng cho trao đổi dữ
liệu tuần hoàn hoặc không tuần 
hoàn,
thích hợp cho tất cả
các kiến trúc khác nhau.
ƒ Chào/đặt hàng (Subscriber/Publisher)
—
Nội
dung
thông báo được một trạm chủ
chào và
các trạm
 client đặt theo cơ chế
tuần hoàn hoặc theo sự
kiện
—
Thông báo chỉ được gửi tới các trạm đặt (có thể
gửi riêng 
hoặc gửi đồng loạt)
—
Linh hoạt,
tiền định,
hiệu suất cao
—
Áp dụng cho trao đổi dữ
liệu tuần hoàn hoặc không tuần 
hoàn,
thích hợp cho kiến trúc
Client/Server
hoặc kiến trúc 
bình đẳng.
37
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS
ƒ Hộp thư (Mailbox)
—
Các trạm sử
dụng một môi trường trung gian như
files,
 một cơ sở
dữ
liệu hoặc một chương trình
server
khác để
 ghi và đọc dữ
liệu
—
Mỗi bức thư mang dữ
liệu và mã căn cước (nội
dung thư 
hoặc/và người nhận)
—
Gửi và
nhận thư có
thể
diễn ra tại bất cứ
thời điểm nào
—
Linh hoạt nhưng kém hiệu quả, không đảm bảo tính năng 
thời gian thực 
—
Áp dụng cho trao đổi dữ
liệu có
tính chất ít quan trọng,
 thích hợp cho kiến trúc
Client/Server
hoặc kiến trúc tự
trị.
1
2
1-3
xxxxx yy
2-4
xxxxx zz
3
4
Mailbox
38
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 3: Vấn đề thời gian thực © 2005 - HMS
Tài liệu tham khảo
ƒ Hoàng Minh Sơn: “Hệ thời gian thực và điều khiển thời 
gian thực”, Tạp chí Tự động hóa ngày nay, số xx/2004.
(file *.pdf có
sẵn)