Beágyazott információs rendszerek házi feladat

Átírás

1 Beágyazott információs rendszerek házi feladat (Kiadás: ) 1. Eseményvezérelt (ET) és az idővezérelt (TT) rendszerek összehasonlítása Egy komplex technológiai folyamat állapotváltozóit A*B érzékelővel folyamatosan mérjük. A jeleket önállóan kommunikáló mikroprocesszoros egységek fogadják és dolgozzák fel. A ilyen egység van, mindegyik B érzékelőt szolgál ki. Ha mért jelek átlépnek egy határértéket, akkor a diszpécser számítógépét B msec-en belül értesíteni kell. Az ilyenkor küldendő adat minden állapotváltozóra vonatkozóan 2 bájt hosszúságú, a kommunikációs overhead 5 bájt. Két üzenet között egy bájt továbbításához szükséges időnek kell eltelnie. A kommunikációs csatorna sávszélessége 1 Mbit/sec. (A paraméterek értékeit az alábbi táblázatban találja!) 1.1. Vizsgálja meg, hogy eseményvezérelt működési módot választva hány állapotváltozó határérték túllépését tudja a rendszer időben jelezni a diszpécser központnak (Max. 2 pont)! 1.2. Vizsgálja meg, hogy idővezérelt működési módot választva milyen mértékű terhelést jelent a kommunikációs csatornán, ha valamennyi állapotváltozó értékét a minimálisan szükséges gyakorisággal küldjük el (Max. 3 pont)! (Vegye figyelembe, hogy az idővezérelt működési mód esetében az üzenettovábbítás nem feltétlenül a határérték túllépés időpontjában történik!) 2. Ütemezési algoritmusok I Mutassa be, hogyan ütemezné egy, a Rate Monotonic (RM) algoritmus szabályait követő ütemező a T1, T2 és T3 taszkokat, melyek periódusa rendre 10*p1, 20*p1 és 40*p1 msec, számítási ideje pedig 3*p1, 4*p1 és 12*p1 msec, ha az ütemezést végző taszk végrehajtási ideje 0.1 msec, periódusa pedig 1 msec! (A paraméterek értékeit az alábbi táblázatban találja!) Gondolja meg, hogy mekkora időtartamra kell az ütemezést elvégezni ahhoz, hogy az ütemezhetőségről határozottan pozitív, vagy negatív állítást lehessen megfogalmazni! Az ütemezést ennek megfelelő időtartamra végezze! A taszkok kezdőfázisa rendre nulla, p2*p1 msec, ill. p3*p1 msec, tehát a rendszer inicializálását követően ennyi idő elteltével futtathatók. (Max. 4 pont) 2.2. Adja meg a vizsgált időtartam azon időpontjait és időtartamait, amikor a processzor kihasználatlan! (Max. 1 pont) Számítsa ki a processzor kihasználtsági tényezőt! (Max. 1 pont) Adja meg a 2.1. feladat szerinti ütemezést arra az esetre is, amikor az ütemező csak akkor igényel processzoridőt, amikor a többi taszk valamelyikét érintő ütemezési feladat van. (Taszk indítás, újraindítás.) Egyidejűség esetén egyszeri futást feltételezünk. (Max. 3 pont) Erre az esetre is adja meg a vizsgált időtartam azon időpontjait és időtartamait, amikor a processzor kihasználatlan, továbbá számítsa ki a processzor kihasználtsági tényezőt (Max. 2 pont)! 2.3. Az RM algoritmus elégséges ütemezhetőségi tesztjéből kiindulva, annak módosításával fogalmazzon meg olyan elégséges feltételt, amellyel a 2.1. feladat szerinti működés mód és adatok esetén az ütemezhetőség előre eldönthető! (Max. 2 pont) 2.4. A 2.1. feladathoz kapcsolódóan határozza meg a T3 task végrehajtásának worst-case válaszidejét arra az esetre, ha a kezdőfázisok nem ismertek! Induljon ki a DMA analízis kapcsán megismert módszerből, és annak alkalmas módosítására alapozva végezze a számítást! (Max. 3 pont) 2.5. Mutassa be, hogyan ütemezné egy, az Earliest Deadline First (EDF) algoritmus szabályait követő ütemező a 2.1. feladat szerinti taszkokat, ha azok határideje rendre a periódusidejükkel egyezik, és az ütemező futásának egyéb körülményei változatlanok! Határidők egybeesése esetén az ütemező futását részesítjük előnyben, egyéb esetekben a kevesebb taszk-váltást eredményező megoldást. (Max. 4 pont) Kérjük, hogy az ütemezéseket - az időpontok és időtartamok pontos, léptékhelyes megadásával - grafikusan adja meg.. 3. Ütemezési algoritmusok II Mutassa be, hogyan ütemezné egy, a Priority Ceiling Protocol (PCP) szabályai szerint működő ütemező a T1, T2 és T3 taszkokat, melyek prioritása a felsorolás sorrendjében csökkenő, ha az egymás közötti kommunikációra három közös adatterületet használnak, melyeken a kölcsönös kizárást szemaforok segítségével oldjuk meg! Az S1 és S2 szemafort a T1 taszk is használja, az 1

2 S3-at csak T2 és T3. Az ütemező az alábbiakban felsorolt események hatására azonnal megkapja a processzort, futási ideje elhanyagolható. Minden taszk csak egyszer fut le. A rendszer egyetlen processzort tartalmaz. Az esemény időpontja [ms] Akció p4 T3 futásra kész. p4+150 T2 futásra kész. p4+400 T1 futásra kész. Időtartamok ms] 100 Ennyi idejű futása után T3 igényli az S3 szemaforral védett erőforrást. 100 További ennyi idejű futása után T3 igényli az S2 szemaforral védett erőforrást. 150 Ekkora T3 S2 szemaforral védett kritikus szakaszának processzorigénye. 300 Ekkora T3 S3 szemaforral védett kritikus szakaszának processzorigénye. p5 Ennyi T3 összes processzorigénye. 100 Ennyi idejű futása után T2 igényli az S3 szemaforral védett erőforrást. 100 Ekkora T2 S3 szemaforral védett kritikus szakaszának processzorigénye. p6 Ennyi T2 összes processzorigénye. 100 Ennyi idejű futása után T1 igényli az S1 szemaforral védett erőforrást. 100 Ekkora T1 S1 szemaforral védett kritikus szakaszának processzorigénye. p7 További ennyi idejű futása után T1 igényli az S2 szemaforral védett erőforrást. p8 Ekkora T1 S2 szemaforral védett kritikus szakaszának processzorigénye. p9 Ennyi T1 összes processzorigénye. (5 pont) 3.2. A 3.1. feladathoz kapcsolódóan határozza meg az egyes taszkok válaszidejét! (Max.1 pont) 3.3. Mutassa be, hogyan ütemezné egy, az Immediate Priority Ceiling Protocol (IPCP) szabályai szerint működő ütemező az 3.1. feladat szerinti taszkokat! (Max. 3 pont) 3.4. A 3.3. feladathoz kapcsolódóan határozza meg az egyes taszkok válaszidejét! (Max.1 pont) Kérjük, hogy az ütemezéseket - az időpontok és időtartamok pontos megadásával - grafikusan adja meg. 4. Irodalomkutatás A feladat célja: A tárgyhoz kapcsolódó szakmai ismeretek és dokumentumok keresése és feldolgozása Szakmai ismeretek rendszerezése és magyar nyelvű összefoglalása Kísérleti megvalósítások és alkalmazások megismerése Kutatással és fejlesztéssel foglalkozó egyetemi és ipari intézmények megismerése A kutatási-fejlesztési eredményeket bemutató konferenciák vagy vásárok megismerése Konkrét feladatok: 4.1. Keressen a web-en dokumentumokat olyan, elsősorban angol vagy német nyelvű dokumentumokat, amelyek az alábbi táblázatban megadott címszóhoz, ill. témamegjelöléshez kapcsolódnak Készítsen magyar nyelvű Powerpoint prezentációt, amely bemutatja a megadott címszóhoz tartozó szakmai terület célkitűzéseit, jelentőségét és aktualitását, valamint az eddig elért eredményeket! (A prezentáció minimum 5 elemű webes hivatkozási lista is tartozzon.) (Max. 5 pont) 4.3. A prezentáció keretében mutasson be a tématerületen legalább egy alkalmazást, vagy kísérleti megvalósítást! (Max. 2 pont) 4.4. A prezentáció keretében mutasson be legalább három, a tématerületen eredményesen tevékenykedő egyetemi, kutatóintézeti vagy céghez kapcsolódó szakmai műhelyt! (Max. 2 pont) 4.5. A prezentáció keretében mutasson be legalább egy, a témakörrel is foglalkozó szakmai konferenciát vagy vásárt! (Max. 1 pont) Ügyeljen arra, hogy tartalmában és formájában is igényes prezentációt adjon ki a kezéből! A fogalmazás során fokozott figyelmet fordítson arra, hogy mondanivalója mások által jól érthető, hiteles, hasznos és kerek legyen! Ahol szükséges adjon meg kellő számú hivatkozást is! 2

3 Neptun A B p1 p2 p3 p4 p5 p6 p7 p8 p9 Irodalomkutatás AC380P ubiquitous computing (application fields) AE0F networked embedded systems (products?) AE46CK embedded systems in critical infrastructure AQ166K gigabit internet (standards) AW3SLJ cyber physical systems security AYC7B fault-tolerance in embedded systems B45NIK TTCAN (specification + products) BB80T networked embedded systems (standards?) BXLSP fault-tolerance in embedded systems (standards) C66UKS ambient assisted living (applications) C7GU Flexray products D20E4F ARTEMIS SRA (users) DL2XSG RTOS for embedded systems DOX4P ambient intelligence (applications) E56NDW ambient assisted living (users) EAEPMT embedded systems for assisted living ELYK ARTEMIS SRA (applications) F262M tinyos (applications) F9YTAY pervasive computing (applications) FFKRB stability of hybrid systems FK211B smart city networks+technologies FNARVP tinyos (programing) GBQDMP microvisor versus hypervisor GMPPAH ubiquitous computing (applications) H26KJ embedded systems in critical infrastructure HGQ62E tinyos (applications) HLUNLA medical cyber-physical systems I5RVI Internet of things versus CPS IJ0W power-aware computing (processors) IL21NI cyber physical systems versus IoT IMTWFK Internet of things and 5G communication IW62WD networked embedded systems (applications) IWOFHH network protocols for sensor networks IXH8RO medical cyber-physical systems IYHNFZ power-aware computing strategies IYIQJ ambient assisted living applications J3JFCU embedded systems in critical infrastructure JH9PRI security in distributed embedded systems K1A6Y power-aware computing: scheduling L08JXJ ARTEMIS SRA (participants) L88JN embedded systems for assisted living LEFU1D modelling cyber-physical systems MA1ZVZ security in distributed embedded systems MJQEF ambient intelligence (medical applications) MSNDP pervasive computing (components) 3

4 NEUFW POSIX scheduler (specification) ODX2QM hybrid systems (applications) OILR tactile internet (applications) OQSZDQ pervasive computing (medical applications) PE1TSL TTCAN (specification + products?) PK9CSN protocols and middleware for sensor networks PSZ9NA embedded virtualization (applications) PVKD5W fault-tolerance in embedded systems Q16VZ Internet of things + Cloud computing QCLMFF TTEthernet (specification + products?) R2GPOQ security in distributed embedded systems RTJU5F smart city (consortia+technologies) RUPSNF networked sensing and control (applications) S7EU1S Industry 4.0 (platforms + standards?) SR72DR RT-Linux (scheduling) T9O3CC operating systems for embedded systems UM38EE middleware for sensor networks UTEJVZ design principles of cyber physical systems VDS3NB Flexray (specification) XRG1CV ambient intelligence (medical applications) Y32ZDZ networked sensing and control YHSJGQ hybrid systems (stability) ZALYDI modelling cyber-physical systems ZHS8UP embedded operating systems (specifications) 5. Szenzorhálózatos alkalmazások (Opcionális/szorgalmi feladat, amelynek megoldásával maximum 20 többletpont szerezhető.) Az alábbi kód egy TinyOS operációs rendszer alatt futó, nesc nyelven írt szenzorhálózatos alkalmazást ír le. Az alkalmazás célja a hálózatban lévő linkek minőségbecslése. Az egyes csomópontok broadcast üzeneteket küldenek és ilyen üzeneteket fogadnak. Egy node a szomszédos node-októl vett üzenetek számából következtet az adott szomszédhoz kapcsolódó link minőségére (kevés üzenet: rossz minőségű link, sok üzenet: jó minőségű link). A feladat megoldásához nem szükséges a kód futtatása vagy szimulálása, ill. a TinyOS rendszer telepítése vagy használata (utóbbi egyébként szabadon hozzáférhető a címen). Megjegyzés: A hálózatban egy üzenet átvitele akkor sikeres, ha az üzenet teljes hosszában hibátlan megjelenik a vevőnél (valamennyi bitje hibátlan vagy hibajavító kódolás segítségével helyreállítható). Feladatok 5.1. A program tartalmaz egy logikai hibát. Mi ez a hiba, hogyan javítaná ki? (Max. 2 pont) 5.2. A bekapcsolás után mennyi idő múlva kezdenek üzenetet küldeni az egyes node-ok? (Max. 2 pont) 5.3. A bekapcsolás után kb. mennyi idő múlva tárolja el az eredményt az alkalmazás (a store paranccsal)? (Max. 4 pont) 5.4. Milyen várható értékeket tartalmaz a store paranccsal eltárolt num[] tömb az 1. számú node-on, ha a kommunikációs protokoll nem tartalmaz hibajavító kódolást (de hibadetektálást természetesen igen)? (Max. 4 pont) 5.5. Milyen várható értékeket tartalmaz a store paranccsal eltárolt num[] tömb az 1. számú node-on, ha a kommunikációs protokoll egy egy-bit-hibát javító kódolást is tartalmaz? (Max. 4 pont) 5.6. Mekkora valószínűséggel jut el a 0. számú node-tól a 3. számú node-ig egy üzenet, ha a hálózat ún. elárasztásos protokollt használ? (Az elárasztásos protokollban minden sikeresen vett üzenetet a vevő egyszer megismétel. Minden állomás legfeljebb egyszer küldhet el egy üzenetet. 4

5 Ha egy vevő egy üzenetet többször is megkap, pl. más forrásokból, akkor is csak egyszer küldi tovább.) A számítást az 5.5. feladatban szereplő hibajavító kódolás feltételezésével végezze el. (Max. 4 pont) A válaszok akkor teljes értékűek, ha indoklást is tartalmaznak. Paraméterek: A rádióüzenet teljes hossza N bit. A kommunikációs linkek minőségét az alábbiakban a bithiba-valószínűséggel jellemezzük: p(i,j) annak a valószínűségét adja meg, hogy az i-ik csomópontból a j-ik csomópontba átvitt bit hibásan érkezik meg. M olyan négyzetes mátrix, ahol p(i,j) a mátrix i-ik sorának j-ik eleme. A mátrix 1-el jelölt elemei azt jelzik, hogy a kommunikáció a két csomópont között nem lehetséges. (A mátrix elemeinek értékét az alábbiakban sorfolytonosan adjuk meg.) Az alkalmazás konfigurációja a következő: Konfiguráció configuration HomeWork implementation components Main, HomeWorkM, GenericComm as Comm, TimerC as TimerC1, TimerC as TimerC2; Main.StdControl -> Comm; Main.StdControl -> TimerC1; Main.StdControl -> TimerC2; Main.StdControl -> HomeWorkM; HomeWorkM.Timer1 -> TimerC1.Timer[unique("Timer")]; HomeWorkM.Timer2 -> TimerC2.Timer[unique("Timer")]; HomeWorkM.SendMsg -> Comm.SendMsg[13]; HomeWorkM.ReceiveMsg -> Comm.ReceiveMsg[13]; A konfigurációs fájlban felhasznált interfészek a következők: Timer interfész command result_t start(char type, uint32_t interval); command result_t stop(); event result_t fired(); A start parancs első paramétere vagy TIMER_REPEAT vagy TIMER_ONE_SHOT, attól függően, hogy a fired eseményt periodikusan vagy csak egyszer szeretnénk megkapni a második (interval) paraméter által meghatározott idő leteltével (ez a paraméter 1/1024-ed másodpercben értendő). Az időzítő a stop paranccsal megállítható. StdControl interfész command result_t init(); command result_t start(); command result_t stop(); Ez a szabványos interfész a legtöbb TinyOS komponens használatához szükséges. A megfelelő komponenseket inicializálni (init), elindítani (start) és megállítani (stop) lehet. Ugyanezen az interfészen keresztül kapja a vezérlést a feladatban ismertetett központi komponens a MAIN modultól. ReceiveMsg interfész event TOS_MsgPtr receive(tos_msgptr m); 5

6 A rádiós csatornán érkező üzenetet jelzi és adja át ez az esemény. A TOS_MsgPtr egy olyan struktúrára mutat, melynek data tagja tartalmazza az üzenet (alkalmazás számára) hasznos részét. SendMsg interfész command result_t send(uint16_t address, uint8_t length, TOS_MsgPtr msg); event result_t senddone(tos_msgptr msg, result_t success); Rádiós üzenetet a send paranccsal küldhetünk, melynek első paramétere a megcímzett csomópont, második paramétere az alkalmazás szintű csomagterület hossza, végül a küldendő (teljes) csomagra mutató pointert adjuk át. A sikeres csomagküldésről a senddone üzenet értesít. A "siker" itt azt jelenti, hogy az üzenet elhagyta a csomópont rádiós rétegét, de nem mond semmit arról, hogy a címzetthez valóban megérkezett-e. A konfigurációs fájlban hivatkozott HomeWorkM modul tartalma a következő: HomeWorkM modul includes IntMsg; module HomeWorkM provides interface StdControl; uses interface Timer as Timer1; interface Timer as Timer2; interface SendMsg; interface ReceiveMsg; implementation bool sending_enabled; char serialnumber=0; struct TOS_Msg data; char max[4]; uint8_t num[4]; command result_t StdControl.init() return SUCCESS; command result_t StdControl.start() sending_enabled=false; return call Timer1.start(TIMER_ONE_SHOT, 10000); command result_t StdControl.stop() return rcombine(call Timer1.stop(), call Timer2.stop()); event result_t Timer1.fired() 6

7 IntMsg *message = (IntMsg *)data.data; if (sending_enabled) if (call Timer1.start(TIMER_REPEAT, 1000)) sending_enabled=true; else if (serialnumber < 100) serialnumber++; message->val = serialnumber; atomic message->src = TOS_LOCAL_ADDRESS; call SendMsg.send(TOS_BCAST_ADDR, sizeof(intmsg), &data); return SUCCESS; event result_t Timer2.fired() uint8_t k; for (k=0; k<4; k++) store(k,num[k],max[k]); // stores num and max for each k return SUCCESS; event result_t SendMsg.sendDone(TOS_MsgPtr msg, bool success) return SUCCESS; event TOS_MsgPtr ReceiveMsg.receive(TOS_MsgPtr recv_packet) IntMsg *message = (IntMsg *)recv_packet->data; if (message->val > max[message->src]) max[message->src]=message->val; num[message->src]++; call Timer2.stop(); call Timer2.start(TIMER_ONE_SHOT, 60000); return recv_packet; Az IntMsg.h tartalma a következő: IntMsg.h typedef struct IntMsg uint16_t val; uint16_t src; IntMsg; 7

8 Neptun N M AC380P AE0F AE46CK AQ166K AW3SLJ AYC7B B45NIK BB80T BXLSP C66UKS C7GU D20E4F DL2XSG DOX4P E56NDW EAEPMT ELYK F262M F9YTAY FFKRB FK211B FNARVP GBQDMP GMPPAH H26KJ HGQ62E HLUNLA I5RVI IJ0W IL21NI IMTWFK IW62WD IWOFHH IXH8RO IYHNFZ IYIQJ J3JFCU JH9PRI K1A6Y L08JXJ L88JN LEFU1D MA1ZVZ MJQEF MSNDP NEUFW

9 ODX2QM OILR OQSZDQ PE1TSL PK9CSN PSZ9NA PVKD5W Q16VZ QCLMFF R2GPOQ RTJU5F RUPSNF S7EU1S SR72DR T9O3CC UM38EE UTEJVZ VDS3NB XRG1CV Y32ZDZ YHSJGQ ZALYDI ZHS8UP A beadás tudnivalói: Határidő: november 15-e, csütörtök, délelőtt 10 óra. A feladatok megoldását elektronikusan, pdf formátumban, egyetlen fájlban - a Neptunban regisztrált címről küldve - a peceli@mit.bme.hu címre kérjük. A fájl neve: BIRHF2018_név_neptun_kód.pdf legyen. A házi feladattal max. 40(+20) pont érhető el. A házi feladat elfogadásának minimum-követelménye 16 pont (40%). 9