讲座视频 - 实时系统 - 理论

大家好，我是 Jon Valvano。 在本视频中，我们将了解实时系统。 我们将了解不同类型的任务， 以及如何评估某个系统是否 是实时系统，然后我们要 将实时系统划分为不同的类别。 该模块的重点在于， 确保您的机器人对重要和灾难性的事件 作出响应。 我们用于演示的特定事件是碰撞。 那么，当我们发生碰撞时，这些传感器之一将被触发， 我们的响应将是停止电机。 但是，在我们深入到具体细节之前， 让我们先来讨论一下实时系统的 一些共性。 “任务”是我们将必须执行的一个 软件事件。 我们可以把它们划分为若干个类别。 以同一 Δt 为周期 而发生的事件 -- 而发生的事件 -- 叫做一个周期性事件。 您的机器人中存在大量的此类事件。 在数据采集过程中对传感器进行采样 -- 这是一个周期性发生的实时事件。 运行您的数字控制器也是一个周期性事件。 还有我们将使用定时器 -- 不管是 systick 还是定时器 A --来让周期性事件发生。 此外，还存在其他类型的事件，它们是非周期性的， 例如输入、输出。 如果我们预期它会发生 -- 也就是说，如果预期事件如输入输出等 可以用中断进行处理，并且我们想要 管理它们 -- 比如当我们使用 WiFi和蓝牙进行串口收发， 管理它们 -- 比如当我们使用 WiFi和蓝牙进行串口收发， 那就是一个非周期性事件。 因此，我们预期有字符串会输入，但它是没有时间规律的， 这就是非周期性的含义。 我们将在本章中执行的事件是时有时无的， 它的发生是无法预料的。 如果我们有一个无法预料但很重要的事件， 我们需要处理它。 这是我们的碰撞事件，如果机器人撞到墙， 将发生该事件，并且会触发 传感器之一。 这些传感器中的一个会触发一个中断， 我们将通过停止电机来进行响应。 那么，为了评估实时特性， 我们需要几种性能测量指标。 第一种是延迟。 如果我们定义事件发生的时间 -- 该时间可能是对某个信号进行采样，或是有新输入， 或者有输出空闲，或者我们有一次碰撞 -- 这些是我们将处理的 触发事件。 那么，如果我们指定 t1 为触发事件所发生的时间， 我们可以把 t2 定义为该事件的识别时间。 那么它会触发一个中断， 中断将运行，我们开始注意到它。 那么，这是这个软件事件的开始。 这段时间 -- t2 减去 t1 -- 被定义为延迟。 这是识别事件已发生 所需的时间。 请注意，在某些应用中，这是很重要的参数。 但特定的测量，我们 -- 我们下面需要考虑的是 该事件所对应的服务。 那么，如果我们考虑该服务 -- 也就是对该事件的实际响应， 也就是对该事件的实际响应， 我们现在可以定义第三个时间点， 它是服务完成的时间。 我们可以定义响应时间 为创建该请求和 为该请求提供服务之间的时间 -- 响应时间。 好，我们让这一切实现的方法是 利用优先级。 在前面的模块中，我们已经讨论了优先级， 当我们利用分配优先级来实现 我们的实时系统时，它将变得非常重要。 好，那么让我们来定义实时系统。 我们将通过三种方式来定义它。 第一种是当大多数人在提到实时系统这个名字时 所认为的归类。 这种系统里，我们尝试解决的事件是如此重要 -- 生命攸关，人生大事 --以至于我们决不会错过它。 这是一种强实时系统。 如果您撞到墙，您最好停止电机，对吧？ 它不是可选的。 您不能有时停止电机，而有时又不这么做。 如果您不停止电机，机器人将毁坏它自己， 我们将得到一堆损坏的部件。 因此，在关系到系统安全的情况下 -- 此时生命受到威胁，或机器受到威胁 -- 我们在分配任务时必须保证响应时间 或者延迟时间 小于某特定值。 这样延迟就始终小于 某个很小的范围。 不是有时候， 不是大多数时候， 而是始终如此。 这是强实时系统的特性。 您可以想一下如何来实现这个系统， 其方法是通过设置触发事件来触发中断。 其方法是通过设置触发事件来触发中断。 然后，我要将它标记为高优先级。 这就是我实现实时的方法。 我们将在下一个视频中看到， 如何使用机器人碰撞开关来实现上述功能。 除了上述系统外，还存在其他类型的实时系统 -- 它们不一定适用于机器人 -- 它们属于不同的类型。 例如，在音频流或视频流中， 我们可以定义一种严格实时系统， 以实现所需的效果，例如，如果我以流媒体方式传输音频或视频， 那么会有数据包流入或流出，对吧？ 我们希望这些数据包始终存在。 我们希望一直拥有它们。 但是，有时某个数据包会丢失， 有时碰巧其中的一个数据包会丢失。 它错过了它的最后传输期限。 而当到了下一个数据包出现的时间时，它才出现。 那么，我们继续传输，但我们丢失了一个数据包。 这种情况不会威及生命，但错过了最后期限 -- 会导致质量损失。 它们表现为图像模糊，声音嘈杂， 视频跳帧…… 但丢失了一个数据包的数据流仍具有价值， 只是价值变小了。 这是一种严格实时系统。 对于互联网流媒体，我们会经常看到它。 对于机器人，我们不会经常看到它，但对于互联网 或视频/音频流，我们会经常看到它。 还是另一种某些人认为具有实时特性的系统， 它是一种弱实时系统。 这意味着，如果我有一个延迟 -- 比如说我有一个触发事件， 并且我有一个期望的响应时间， 也就是说我预期的延迟有一个期待值。 我希望该延迟较小。 这是触发事件，这是需求， 这是请求，这是期望。 这是请求，这是期望。 我们希望在这个时间点得到该数据， 或者完成软件响应。 但如果它发生延迟 -- 如果它发生延迟，所发生的是， 该响应的价值 -- 如果我们画出延迟 -- 如果我们画出延迟 -- 如果我们画出数据或系统的价值 -- 我们可以通过多种方式对价值进行定义。 我们可以在成本方面对它进行定义， 也可以在信噪比方面对价值进行定义。 假设我们具有某种方法来测量 该数据包的价值。 如果该数据包的延迟超过了期望值 -- 再说一次，这是时间， 这是用信噪比或价格衡量的 所降低的价值。 现在，可能存在一个点 -- 比如对于严格实时 -- 如果您该数据包延迟，那么它没有任何价值。 就像在早上送报纸， 比如说您在早上 7 点起床， 您在早上 9 点去上班， 您的报纸应该在早上 5:00 送达。 因此报童敲您的门 -- 嗯，不会敲您的门 -- 报童把您的报纸放在您的门口。 如果它在早上 5:00 和上午 11:00（口误，应为 7:00）之间出现， 那么它具有完整的价值。 但是，如果它在7:15 出现，您会有点抓狂， 但它仍有一些价值。 如果它在 8 点出现，还是有一些价值。 如果它直到 9 点才出现， 您会有点抓狂。 但是，如果它在 9:01 出现，而此时您已经去上班了， 那么它没有任何价值。 因此，某些数据的价值会随着延迟的增加而减小。 因此，某些数据的价值会随着延迟的增加而减小。 这就是弱实时系统。 计算机世界中存在大量的弱实时系统， 计算机世界中存在大量的弱实时系统，它们 一般和内存读取、磁盘 I/O 以及其他事情相关， 而该数据的价值 -- 该数据的延迟将导致价值降低。 然后，在某个点，它不再具有价值。 再说一次，在机器人世界， 我们所讨论的实时系统 指的是强实时系统。 说到机器人，也有一些机器人操作 完全不是实时的。 完全不是实时的。 下面是实时系统的特性。 如果您有 10 项任务，其中一些任务并不是很重要， 如果您有 10 项任务，其中一些任务并不是很重要， 例如，如果您考虑把液晶显示器 用于监控， 如果您延迟液晶显示器的输出， 机器人仍会以完全相同的功能进行赛跑。 还有您正在闪烁的 LED，我们用它进行调试， 如果 LED 不在正确的时间点闪烁， 不会发生真正的价值损失。 因此，我们可以查看系统的内部， 找到一些系统必须执行 但没有任何实际价值的操作。 我们要做的另一件事是 -- 有些任务没有任何价值 -- 如果丢失数据不会随时间流逝而造成损失， 我们将把它们放入主程序。 因此您将看到 -- 如果任务不重要， 我们可以把它放入主程序。 但对于确实重要的东西， 我们将其定义为高优先级。 我们这里说的是中断优先级，高优先级 比中等优先级更重要，而中优先级比 低优先级更重要。 因此，我们将使用中断优先级 对任务的相对重要性进行排序。 通过这种方法，对于高优先级事件， 我们将使其具有很低的延迟、 很短的响应时间。 对于低优先级事件，我们仍将具有可接受的响应时间， 对于低优先级事件，我们仍将具有可接受的响应时间， 但不一定这么高。 但不一定这么高。 因此，在我们进行性能测量时， 恰当地分配优先级对我们而言非常重要。 为了建立实时系统， 我们必须要做的第二件事是， 需要禁用中断的情况要非常非常小心。 需要禁用中断的情况要非常非常小心。 比如有一个 C 语言函数， 您可以调用它，它会将设置 I=1， 这将延迟您的所有中断。 我们在禁用中断时应非常谨慎， 因为从禁用中断到重新启用之间的时间 -- 因为从禁用中断到重新启用之间的时间 -- 这段时间 会直接导致中断延迟， 从而影响实时性。 那么，这就是我要做的第二件事。 我要做的第三件事 -- 尤其是，如果我有大量的中断 -- 那么，如果您考虑与这类似的 中断程序，现在我要说 这是高优先级， 这是中优先级， 这是低优先级。 重要的一点是， 高优先级和中优先级的中断服务函数要尽量短， 因为执行该高优先级服务函数所花费的时间实际上 会导致在中优先级事件上发生延迟。 类似地，执行高优先级所花费的时间和 执行中优先级所花费的时间将导致 在低优先级事件上发生延迟。 那么，我们将尝试最大程度地 减少中断服务例程内的执行时间， 从而减小其他中断的延迟。 因此，我们尝试一些方式 例如避免循环等。 如果您有 10 件事情要做， 与其在一个中断里执行全部 10 件事情 不如进行分解，创建 10 个中断， 这样可以使我们的中断服务程序尽可能短 -- 尤其是当存在循环而导致时间延迟时， 那会带来灾难性的后果， 我们不能让它发生。 中断服务函数中不能有长时间延迟。 中断服务函数中不能有长时间延迟。 因此我们看到，例如对于红外循线传感器， 在中断服务程序中的确有 10 微秒的延迟， 在中断服务程序中的确有 10 微秒的延迟， 我们的确有该延迟。 但我们没有在该传感器中 使用 1 毫秒延迟， 这是我们良好的程序设计习惯。 好，再说一次，将影响响应时间 以及延迟的因素是， 我们必须完成指令 -- 指令通常很短。 如果我们的系统在运行时有禁用中断的操作， 那么延迟可能很长， 因此这是我们需要注意的事情。 第三件事情是，如果程序中有低优先级或中优先级 的中断服务函数，那么运行高优先级中断所需的时间 可能会影响延迟。 很显然，延迟和响应时间之间的差异 实际上就是执行中断服务所需的时间， 所以这是一个关键。 总结一下，我们讨论了实时系统。 我们感兴趣的实时系统是 具有有限延迟的系统， 这是因为，我们将在下一个 视频中解决的特定问题是当有碰撞发生时， 线传感器会被触发， 然后需要停止电机作为响应。 这将是机器人的一项重要任务， 用于保护它自己。 好，希望您喜欢本次实验。 再说一次，在下一个视频中， 我将向您展示一些细节。