講座視頻 - 實時系統 - 理論

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大家好,我是 Jon Valvano。 在本視頻中,我們將了解實時系統。 我們將了解不同類型的任務, 以及如何評估某個系統是否 是實時系統,然后我們要 將實時系統劃分為不同的類別。 該模塊的重點在于, 確保您的機器人對重要和災難性的事件 作出響應。 我們用于演示的特定事件是碰撞。 那么,當我們發生碰撞時,這些傳感器之一將被觸發, 我們的響應將是停止電機。 但是,在我們深入到具體細節之前, 讓我們先來討論一下實時系統的 一些共性。 “任務”是我們將必須執行的一個 軟件事件。 我們可以把它們劃分為若干個類別。 以同一 Δt 為周期 而發生的事件 -- 而發生的事件 -- 叫做一個周期性事件。 您的機器人中存在大量的此類事件。 在數據采集過程中對傳感器進行采樣 -- 這是一個周期性發生的實時事件。 運行您的數字控制器也是一個周期性事件。 還有我們將使用定時器 -- 不管是 systick 還是定時器 A --來讓周期性事件發生。 此外,還存在其他類型的事件,它們是非周期性的, 例如輸入、輸出。 如果我們預期它會發生 -- 也就是說,如果預期事件如輸入輸出等 可以用中斷進行處理,并且我們想要 管理它們 -- 比如當我們使用 WiFi和藍牙進行串口收發, 管理它們 -- 比如當我們使用 WiFi和藍牙進行串口收發, 那就是一個非周期性事件。 因此,我們預期有字符串會輸入,但它是沒有時間規律的, 這就是非周期性的含義。 我們將在本章中執行的事件是時有時無的, 它的發生是無法預料的。 如果我們有一個無法預料但很重要的事件, 我們需要處理它。 這是我們的碰撞事件,如果機器人撞到墻, 將發生該事件,并且會觸發 傳感器之一。 這些傳感器中的一個會觸發一個中斷, 我們將通過停止電機來進行響應。 那么,為了評估實時特性, 我們需要幾種性能測量指標。 第一種是延遲。 如果我們定義事件發生的時間 -- 該時間可能是對某個信號進行采樣,或是有新輸入, 或者有輸出空閑,或者我們有一次碰撞 -- 這些是我們將處理的 觸發事件。 那么,如果我們指定 t1 為觸發事件所發生的時間, 我們可以把 t2 定義為該事件的識別時間。 那么它會觸發一個中斷, 中斷將運行,我們開始注意到它。 那么,這是這個軟件事件的開始。 這段時間 -- t2 減去 t1 -- 被定義為延遲。 這是識別事件已發生 所需的時間。 請注意,在某些應用中,這是很重要的參數。 但特定的測量,我們 -- 我們下面需要考慮的是 該事件所對應的服務。 那么,如果我們考慮該服務 -- 也就是對該事件的實際響應, 也就是對該事件的實際響應, 我們現在可以定義第三個時間點, 它是服務完成的時間。 我們可以定義響應時間 為創建該請求和 為該請求提供服務之間的時間 -- 響應時間。 好,我們讓這一切實現的方法是 利用優先級。 在前面的模塊中,我們已經討論了優先級, 當我們利用分配優先級來實現 我們的實時系統時,它將變得非常重要。 好,那么讓我們來定義實時系統。 我們將通過三種方式來定義它。 第一種是當大多數人在提到實時系統這個名字時 所認為的歸類。 這種系統里,我們嘗試解決的事件是如此重要 -- 生命攸關,人生大事 --以至于我們決不會錯過它。 這是一種強實時系統。 如果您撞到墻,您最好停止電機,對吧? 它不是可選的。 您不能有時停止電機,而有時又不這么做。 如果您不停止電機,機器人將毀壞它自己, 我們將得到一堆損壞的部件。 因此,在關系到系統安全的情況下 -- 此時生命受到威脅,或機器受到威脅 -- 我們在分配任務時必須保證響應時間 或者延遲時間 小于某特定值。 這樣延遲就始終小于 某個很小的范圍。 不是有時候, 不是大多數時候, 而是始終如此。 這是強實時系統的特性。 您可以想一下如何來實現這個系統, 其方法是通過設置觸發事件來觸發中斷。 其方法是通過設置觸發事件來觸發中斷。 然后,我要將它標記為高優先級。 這就是我實現實時的方法。 我們將在下一個視頻中看到, 如何使用機器人碰撞開關來實現上述功能。 除了上述系統外,還存在其他類型的實時系統 -- 它們不一定適用于機器人 -- 它們屬于不同的類型。 例如,在音頻流或視頻流中, 我們可以定義一種嚴格實時系統, 以實現所需的效果,例如,如果我以流媒體方式傳輸音頻或視頻, 那么會有數據包流入或流出,對吧? 我們希望這些數據包始終存在。 我們希望一直擁有它們。 但是,有時某個數據包會丟失, 有時碰巧其中的一個數據包會丟失。 它錯過了它的最后傳輸期限。 而當到了下一個數據包出現的時間時,它才出現。 那么,我們繼續傳輸,但我們丟失了一個數據包。 這種情況不會威及生命,但錯過了最后期限 -- 會導致質量損失。 它們表現為圖像模糊,聲音嘈雜, 視頻跳幀…… 但丟失了一個數據包的數據流仍具有價值, 只是價值變小了。 這是一種嚴格實時系統。 對于互聯網流媒體,我們會經常看到它。 對于機器人,我們不會經常看到它,但對于互聯網 或視頻/音頻流,我們會經常看到它。 還是另一種某些人認為具有實時特性的系統, 它是一種弱實時系統。 這意味著,如果我有一個延遲 -- 比如說我有一個觸發事件, 并且我有一個期望的響應時間, 也就是說我預期的延遲有一個期待值。 我希望該延遲較小。 這是觸發事件,這是需求, 這是請求,這是期望。 這是請求,這是期望。 我們希望在這個時間點得到該數據, 或者完成軟件響應。 但如果它發生延遲 -- 如果它發生延遲,所發生的是, 該響應的價值 -- 如果我們畫出延遲 -- 如果我們畫出延遲 -- 如果我們畫出數據或系統的價值 -- 我們可以通過多種方式對價值進行定義。 我們可以在成本方面對它進行定義, 也可以在信噪比方面對價值進行定義。 假設我們具有某種方法來測量 該數據包的價值。 如果該數據包的延遲超過了期望值 -- 再說一次,這是時間, 這是用信噪比或價格衡量的 所降低的價值。 現在,可能存在一個點 -- 比如對于嚴格實時 -- 如果您該數據包延遲,那么它沒有任何價值。 就像在早上送報紙, 比如說您在早上 7 點起床, 您在早上 9 點去上班, 您的報紙應該在早上 5:00 送達。 因此報童敲您的門 -- 嗯,不會敲您的門 -- 報童把您的報紙放在您的門口。 如果它在早上 5:00 和上午 11:00(口誤,應為 7:00)之間出現, 那么它具有完整的價值。 但是,如果它在7:15 出現,您會有點抓狂, 但它仍有一些價值。 如果它在 8 點出現,還是有一些價值。 如果它直到 9 點才出現, 您會有點抓狂。 但是,如果它在 9:01 出現,而此時您已經去上班了, 那么它沒有任何價值。 因此,某些數據的價值會隨著延遲的增加而減小。 因此,某些數據的價值會隨著延遲的增加而減小。 這就是弱實時系統。 計算機世界中存在大量的弱實時系統, 計算機世界中存在大量的弱實時系統,它們 一般和內存讀取、磁盤 I/O 以及其他事情相關, 而該數據的價值 -- 該數據的延遲將導致價值降低。 然后,在某個點,它不再具有價值。 再說一次,在機器人世界, 我們所討論的實時系統 指的是強實時系統。 說到機器人,也有一些機器人操作 完全不是實時的。 完全不是實時的。 下面是實時系統的特性。 如果您有 10 項任務,其中一些任務并不是很重要, 如果您有 10 項任務,其中一些任務并不是很重要, 例如,如果您考慮把液晶顯示器 用于監控, 如果您延遲液晶顯示器的輸出, 機器人仍會以完全相同的功能進行賽跑。 還有您正在閃爍的 LED,我們用它進行調試, 如果 LED 不在正確的時間點閃爍, 不會發生真正的價值損失。 因此,我們可以查看系統的內部, 找到一些系統必須執行 但沒有任何實際價值的操作。 我們要做的另一件事是 -- 有些任務沒有任何價值 -- 如果丟失數據不會隨時間流逝而造成損失, 我們將把它們放入主程序。 因此您將看到 -- 如果任務不重要, 我們可以把它放入主程序。 但對于確實重要的東西, 我們將其定義為高優先級。 我們這里說的是中斷優先級,高優先級 比中等優先級更重要,而中優先級比 低優先級更重要。 因此,我們將使用中斷優先級 對任務的相對重要性進行排序。 通過這種方法,對于高優先級事件, 我們將使其具有很低的延遲、 很短的響應時間。 對于低優先級事件,我們仍將具有可接受的響應時間, 對于低優先級事件,我們仍將具有可接受的響應時間, 但不一定這么高。 但不一定這么高。 因此,在我們進行性能測量時, 恰當地分配優先級對我們而言非常重要。 為了建立實時系統, 我們必須要做的第二件事是, 需要禁用中斷的情況要非常非常小心。 需要禁用中斷的情況要非常非常小心。 比如有一個 C 語言函數, 您可以調用它,它會將設置 I=1, 這將延遲您的所有中斷。 我們在禁用中斷時應非常謹慎, 因為從禁用中斷到重新啟用之間的時間 -- 因為從禁用中斷到重新啟用之間的時間 -- 這段時間 會直接導致中斷延遲, 從而影響實時性。 那么,這就是我要做的第二件事。 我要做的第三件事 -- 尤其是,如果我有大量的中斷 -- 那么,如果您考慮與這類似的 中斷程序,現在我要說 這是高優先級, 這是中優先級, 這是低優先級。 重要的一點是, 高優先級和中優先級的中斷服務函數要盡量短, 因為執行該高優先級服務函數所花費的時間實際上 會導致在中優先級事件上發生延遲。 類似地,執行高優先級所花費的時間和 執行中優先級所花費的時間將導致 在低優先級事件上發生延遲。 那么,我們將嘗試最大程度地 減少中斷服務例程內的執行時間, 從而減小其他中斷的延遲。 因此,我們嘗試一些方式 例如避免循環等。 如果您有 10 件事情要做, 與其在一個中斷里執行全部 10 件事情 不如進行分解,創建 10 個中斷, 這樣可以使我們的中斷服務程序盡可能短 -- 尤其是當存在循環而導致時間延遲時, 那會帶來災難性的后果, 我們不能讓它發生。 中斷服務函數中不能有長時間延遲。 中斷服務函數中不能有長時間延遲。 因此我們看到,例如對于紅外循線傳感器, 在中斷服務程序中的確有 10 微秒的延遲, 在中斷服務程序中的確有 10 微秒的延遲, 我們的確有該延遲。 但我們沒有在該傳感器中 使用 1 毫秒延遲, 這是我們良好的程序設計習慣。 好,再說一次,將影響響應時間 以及延遲的因素是, 我們必須完成指令 -- 指令通常很短。 如果我們的系統在運行時有禁用中斷的操作, 那么延遲可能很長, 因此這是我們需要注意的事情。 第三件事情是,如果程序中有低優先級或中優先級 的中斷服務函數,那么運行高優先級中斷所需的時間 可能會影響延遲。 很顯然,延遲和響應時間之間的差異 實際上就是執行中斷服務所需的時間, 所以這是一個關鍵。 總結一下,我們討論了實時系統。 我們感興趣的實時系統是 具有有限延遲的系統, 這是因為,我們將在下一個 視頻中解決的特定問題是當有碰撞發生時, 線傳感器會被觸發, 然后需要停止電機作為響應。 這將是機器人的一項重要任務, 用于保護它自己。 好,希望您喜歡本次實驗。 再說一次,在下一個視頻中, 我將向您展示一些細節。
課程介紹 共計3課時,39分57秒

TI-RSLK 模塊 14 - 實時系統

TI 中斷 機器人 RSLK 實時系統

此模塊演示如何使用優先級中斷來創建實時系統。隨著機器人系統變得越來越復雜,周期性中斷是將多個線程合并到單個微控制器的一種方式。

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