《实时系统与控制》《实时系统与控制》

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1、1 实时系统与控制 RTS 东南大学 实时系统与控 制 1 Real-Time System and Control 实时系统与控制 Real-Time System and Control 课程性质: 设计研讨课 计划学时 12 C+8Lab +16R 工程设计的实用性理解和意识 激发研究兴趣 课程的核心内容 东南大学 实时系统与控 制 3 课程的核心内容 实时系统(Real time System) 调度(Scheduling) 设计编程(Design 理解掌握相关工程设计过程的各个环节,并重 点应用于控制系统的软件开发. 课程背景和重要性 工程设计方法 vs “科学研究方法” Recog

2、nize problem or question (literature search) Observe some h Define the Problem Research past work in this area Brainstorm possible solutions Choose a “best solution” 东南大学 实时系统与控 制 5 phenomenon Hypothesize Experiment Collect data (REPEAT) Analyze data Report Analyze this solution Modify the solution

3、Iterate! 通用方法体现在日常生活和工作中,针 对不同工程领域和应用有具体的设计 方法和标准! 机械电子软件控制系统. 工程设计过程 Defining problem Formulate solutions Develop models and prototypes Decide on a final design 课程背景和重要性 1.Define the problem 2.Identify evaluation criteria and constraints 3.Generate feasible alternatives System level Subsystem level

4、 Component level 东南大学 实时系统与控 制 6 Implement and test the design Evaluate the design alternatives 4.Evaluate the alternatives 5.Iterate 6.Implement the preferred alternative 7.Evaluate implementation and provide feedback 1. Define the Problem 核心:软硬件资源构件-系统编程有效性? 课程背景和重要性 已修学课程: C+程序设计(JAVA语言) 微机系统与接口(

5、汇编语言硬件接口) 微机实验及课程设计 硬件（接口）：保证目标实现的基础（影响） 与软硬件 资源密切 东南大学 实时系统与控 制 9 计算机软件本质 串行执行指令 时序/控制/运算逻辑 计算机:定时周期性串行处理 实际系统:并行发生 硬件（接口）：保证目标实现的基础（影响） 如何解决一系列有时间(事件)处理要求的应用系统? 如何分析、设计、编码、测试、调试应用？ 课程背景和重要性 关键: 单处理器: 单任务(流程) 多任务并发执行任务通信(信息交换) 编程语言多任务并发支持线程(Thread) 东南大学 实时系统与控 制 10 多核处理器程序设计 多核, Intel C+ 多处理器系统 分布式

6、系统 (Distributed Computer Systems) 计算机网络/网络计算/网络管理控制 编程语言 多任务并发支持.线程(Thread) 研讨性课程( Seminar) 掌握程序设计基本概念、方法，理解C(+)和 汇编语言，了解JAVA更好；(并发程序设计) 教师1/31/2 应用引导?案例引导?需求引导? 提出问题? 共同研究讨论-Presentation能力培养 东南大学 实时系统与控 制 11 研究:阅读查阅资料-数据手册-应用笔记-案例 实验:体会-意识-理解-验证 设计-分析:构架基础静态-逻辑-动态模型-性能 测试(方案):逻辑-环境构建-模拟 共同研究讨论-Pres

7、entation能力培养 结论Conclusions/解决方案Solutions) 实时系统与控制案例 停车场控制系统 司机驾驶车辆 医疗设备-空管-飞行-核电站-化学 微机系统与接口课程设计测试题十种应用需求 工业过程控制:聚合釜,甲醇精馏塔,粗苯分 东南大学 实时系统与控 制 12 工业过程控制:聚合釜,甲醇精馏塔,粗苯分 离系统 电子皮带秤-配比系统 煤采制样控制系统 稀土萃取控制(湿法冶金) 结晶器振动装置测试软件3 实时系统与控制案例 升船机控制系统(PLC) 蓄电池极板成充化成控制系统-Z80/8096/8051 模拟家庭集中监控系统 电源逆变器(UPS类) 盾构模拟掘进机试验控制

8、系统 东南大学 实时系统与控 制 13 盾构模拟掘进机试验控制系统 楼宇自动化系统集成软件 移动机器人系统 两种层面应用：一次开发/二次开发集成 系统的实时性，可靠性，软件并发编程-任务 调度，实时控制问题， 课程目标 了解掌握实时系统的广泛概念; 工程设计的实用性理解和意识 激发研究兴趣 课程的核心内容 东南大学 实时系统与控 制 14 课程的核心内容 实时系统(Real time System) 调度(Scheduling) 设计编程(Design IA-32实现,问题研究 实时系统与控制研究 实时系统（Realtime Systems): 裸机系统汇编语言-IA32任务调度-OS核 RT

9、OS/硬件驱动管理BIOS/OS高级并发编程语言(支 持系统):ADA,RT-JAVA, C+(OO) RTS分析建模(分析-设计工具):静态,UML(OO),Petri 东南大学 实时系统与控 制 16 RTS分析建模(分析-设计工具):静态,UML(OO),Petri RTS设计-初步设计/机理设计 RTS开发(实现)与测试:调试工具、白黑盒子、极限 分组：高级语言、分析设计、调试测试选一 IA32裸机实验（开发设计实现实例） 两人一组，自由组合，至少一次介绍表达 课程先修要求 掌握程序设计基本概念、方法，理解C(+)和 汇编语言，了解JAVA更好；(并发程序设计) 基本掌握计算机系统组成

10、与结构、掌握硬件 I/O工作原理和操作，具备初步开发微机系 统软、硬件的能力 东南大学 实时系统与控 制 17 了解掌握计算机操作系统(Operating Systems) 和简单的程序管理(微机应用综合设计) 统软、硬件的能力。 教材和教学参考书 参考书 1.C.M.Krishna, Kang G.Shin著，戴海琼译,实时 系统，清华大学出版社，2004.9 2.Alan Burns, Andy Wellings著,实时系统与编程 语言.王振宇等译,机械工业出版社,2004.4 东南大学 实时系统与控 制 18 3.Bruce P Douglass著,柳翔译,嵌入式与实时系统 开发,机械工

11、业出版社,2005.3. 4.并发与实时系统软件设计，Hassan Gomaa著， 姜昊等译，清华大学出版社,2003.7 5.实时系统软件基础，郑宗汉，清华大学出版社， 2003.14 实时系统与控制课程学习 课程特点：技术类研讨课程，信息量大技术新, 完整性差,技术手册/数据手册(DataSheet)为依 据 学习过程：案例来自教师,技术交流来自研究讨论 总评成绩平时上课成绩(出勤率)研讨成绩研 究报告成绩(包括研究及上机) 东南大学 实时系统与控 制 19 究报告成绩(包括研究及上机) 平时上课成绩(出勤率)占10 研讨成绩占45 研究与设计开发报告成绩占45 首次讨论问题感性认识 1.

12、MS-Windows (XP)下如何实现0.5 ms 定时? 2. 多核处理器软件如何运行(设计开发)? 并发(Concurrent)程序运行:任务, 进程/线程调度 硬件定时? 并行(Parallel)程序运行: 硬件通信 东南大学 实时系统与控 制 20 3. 运行中的软件如何监测故障? 并行(Parallel)程序运行: 硬件通信 多任务分配,状态检测,硬件配合 第一讲 实时系统基础 1. 基本术语 2. 典型案例和问题 实系特 性 东南大学 实时系统与控 制 21 3实时系统特性 4. 嵌入式系统与RTOS 5. RTS编程、软件架构及分析 实时系统(RTS)术语 定义1 实时系统-指

13、那些产生输出的时刻极其重要的系统 。这通常是因为输入反映了外部世界的某些运动或 状态，而输出依赖于系统的对应运动和状态。系统 从输入时刻到输出时刻的响应时间滞后必须充分小 ，小到可以接受的时限内。简言之，任何一个对于 东南大学 实时系统与控 制 22 ，小到可以接受的时限内。简言之，任何 个对于 外界的激励都能有计算机给出及时响应的系统就是 一个实时系统。 实时系统中的响应时限是系统正确运行必不可 少的因素，其特性需在系统设计前预先确定。 “可接受时限” 概念的相对性 实时系统(RTS)术语 定义2 任何需要对外部产生的输入激励在有限规定 时间内作出响应的信息处理系统. 系统的正确性不仅取决于

14、逻辑结果,而且与 东南大学 实时系统与控 制 23 系统的正确性不仅取决于逻辑结果,而且与 输出结果的时间有关; 不能响应=错误响应 单个系统可能包含硬实时,软实时和真实时子系统;真 实的系统对每一项” 逾时(missing deadline)”都有 响应的成本函数(cost function). 实时系统(RTS)术语 相关表述 反应式系统(reactive system)- continuous interaction with the environment (as opposed to information processing) 嵌入式系统(embedded system)- computer system 东南大学 实时系统与控 制 24 嵌式 系( y)py encapsulated in its environment (device it controls), combination of computer hardware and software, dedicated to specic purpose 安全敏感系统(safety-critical system)- a failure may cause injury, loss of lives, signicant nancial loss