Bài giảng Hệ thống điều khiển phân tán - Chương 7: Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán

©2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
C
h
ư
ơ
n
g
1
C
h
ư
ơ
n
g
1
Hệ thống 
₫iều khiển phân tán
13.09.06
Chương 7: Xử lý thời gian thực
và xử lý phân tán
2©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 7: Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán © 2005 - HMS
Chương 7: Nội dung
7.1 Khái niệm “thời gian thực”
7.2 Hệ điều hành thời gian thực
7.3 Khái niệm “xử lý phân tán”
7.4 Các kiến trúc xử lý phân tán
7.5 Các cơ chế giao tiếp trong hệ phân tán
3©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 7: Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán © 2005 - HMS
ƒ Xử lý thời gian thực là nguyên lý làm việc cơ bản của 
mỗi bộ điều khiển, 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 điều 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 bên trong một bộ điều khiển (số)
ƒ Chúng ta cũng còn biết tương đối ít về cơ chế giao 
tiếp giữa các thành phần mềm trong một hệ thống điều 
khiển phân tán
Tại sao cần nghiên cứu về xử lý thời gian thực
7.1 Khái niệm thời gian thực
4©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 7: Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán © 2005 - HMS
Hệ thời gian thực là gì?
A real-time system is one in which the correctness of 
the system depends not only on the logical results, 
but also on the time at which the results are 
produced. 
JOHN A. STANKOVIC ET AL.: Strategic Directions in Real-Time and 
Embedded Systems. ACM Computing Surveys, Vol. 28, No. 4, December 1996
Mỗi hệ thống điều khiển là một hệ thời gian thực
Phần lớn các hệ thời gian thực là các hệ thống điều
khiển
5©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 7: Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán © 2005 - HMS
Vấn ₫ề thời gian trong hệ ĐK qua mạng
Sensor
I/O
Controller
I/O
ActuatorSensor
I/O
Sensor
I/O
Bus trường
Ts
Tin Tout
Ta
Tc
6©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 7: Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán © 2005 - HMS
Chiếc xe hơi có làmột hệ thời gian thực?
Hơn 30 máy vi tính bên trong (µP) nối mạng
Chúng ta có nên tìm hiểu nguyên lý hoạt động của
chúng?
7©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 7: Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán © 2005 - HMS
Nội dung liên ngành
Kỹ thuật
điều khiển
Khoa học
máy tính
Công nghệ
truyền thông
Hệ thời gian thực
Mạng truyền thông
công nghiệp
Hệ phân tán
Hệ điều khiển
phân tán
8©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 7: Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán © 2005 - HMS
Một hệ thời gian thực có các ₫ặc ₫iểm:
ƒ Tính phản ứng: Hệ thống phải phản ứng với các sự
kiện xuất hiện vào các thời điểm không biết trước.
ƒ Tính nhanh nhạy: Hệ thống phải xử lý thông tin một
cách nhanh chóng để có thể đưa ra kết quả phản ứng
một cách kịp thời.
ƒ Tính đồng thời: Hệ thống phải có khả năng phản ứng
và xử lý đồng thời nhiều sự kiện diễn ra.
ƒ Tính tiền định: Dự đoán trước được thời gian phản ứng
tiêu biểu, thời gian phản ứng chậm nhất cũng như trình
tự đưa ra các phản ứng.
9©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 7: Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán © 2005 - HMS
Xử lý thời gian thực là gì?
Xử lý thời gian thực là hình thức xử lý thông tin trong một 
hệ thống để đảm bảo tính năng thời gian thực của nó.
Luôn liên quan với các sự kiện bên ngoài (tính phản
ứng)
Yêu cầu cao về hiệu suất phần mềm (tính nhanh
nhạy)
Đòi hỏi xử lý đồng thời nhiều tác vụ (tính đồng thời) 
Đòi hỏi cơ sở lý thuyết chặt chẽ phục vụ phân tích
và đánh giá (tính tiền định)
10
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 7: Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán © 2005 - HMS
Khái niệm “tác vụ” (task)
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
11
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 7: Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán © 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
12
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 7: Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán © 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)
13
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 7: Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán © 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
14
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 7: Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán © 2005 - HMS
7.2 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. 
15
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 7: Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán © 2005 - HMS
Các nhiệmvụ chính của hệ ₫iều hành thời
gian thực trongmột 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 đồng bộ hóa quá trình: Giúp các tác vụ chia sẻ tài nguyên
sử dụng chung (bộ nhớ, cổng vào/ra,..)
– Hỗ trợ giao tiếp liên quá 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
16
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 7: Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán © 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
17
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 7: Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán © 2005 - HMS
Phương pháp lập lịch
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.
ƒ Sách lược lập lịch
– FIFO: đến trước sẽ được thực hiện trước.
– Mức ưu tiên cố định/động: các tác vụ được đặt các mức ưu tiên cố
định hoặc có thể thay đổi nếu cần.
– Preemptive: chen hàng, chọn một tác vụ để thực hiện trước các tác vụ
khác.
– Non-preemptive: không chen hàng, các tác vụ được thực hiện bình
thường dựa trên mức ưu tiên của chúng.
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.
18
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 7: Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán © 2005 - HMS
7.3 Khái niệmxử lý phân tán
ƒ Xử lý phân tán là hình thức xử lý thông tin tất yếu của 
các hệ thống phân tán nói chung và các hệ thống điều 
khiển phân tán nói riêng
ƒ Xử lý phân tán giúp nâng cao năng lực xử lý thông tin 
của một hệ thống, góp phần cải thiện tính năng thời gian
thực, nâng cao độ tin cậy và tính linh hoạt của hệ thống.
ƒ Phân biệt các khái niệm:
– Xử lý cục bộ => ứng dụng đơn độc
– Xử lý cạnh tranh => ứng dụng đa nhiệm
– Xử lý tập trung => ứng dụng tập trung
– Xử lý nối mạng => ứng dụng mạng (giao tiếp hiện)
– Xử lý phân tán => ứng dụng phân tán (giao tiếp ngầm)
19
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 7: Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán © 2005 - HMS
Giao tiếp ngầmÙ Giao tiếp hiện
ƒ Giao tiếp hiện (explicit communication):
– Hoạt động giao tiếp được coi là chức năng riêng
– Sử dụng dịch vụ giao tiếp (ví dụ lập trình) cần biết rõ
về hệ thống truyền thông (kiến trúc giao thức)
Hệ thống truyền thông
A B
A B
Hệ thống truyền thông
‰ Giao tiếp ngầm (implicit communication):
– Hoạt động giao tiếp được thực hiện ngầm khi cần thiết
– Sử dụng dịch vụ giao tiếp (ví dụ lập trình) cần biết rõ
về hệ thống truyền thông (kiến trúc giao thức)
20
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 7: Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán © 2005 - HMS
7.4 Các kiến trúc xử lý phân tán
ƒ Kiến trúc Master/Slave
– Chức năng xử lý thông tin được phân chia trên nhiều trạm tớ
– 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
Master
Slave Slave Slave
Ví dụ: Bộ điều khiển
Ví dụ: Các vào/ra phân tán, các thiết bị trường
21
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 7: Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán © 2005 - HMS
ƒ Kiến trúc Client/Server
– Chức năng xử lý thông tin được phân chia thành hai phần khác
nhau, phần sử dụng chung cho nhiều bài toán được thực hiện
trên các server, phần riêng thực hiện trên từng 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
22
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 7: Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán © 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 (kiến trúc PLC/DCS)
hoặc các thiết bị trường thông minh (kiến trúc FCS)
23
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 7: Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán © 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
24
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 7: Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán © 2005 - HMS
7.5 Các cơ chế giao tiếp trong hệ ĐKPT
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, thích hợp trong kiến 
trúc bình đẳng (ví dụ giữa các trạm điều khiển).
25
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 7: Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán © 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, hiệu quả cao
– Áp dụng cho trao đổi dữ liệu tuần hoàn, thích hợp trong kiến
trúc Master/Slave
Master Slave1 Slave2 Slave3
Message1
Response1
Message2
Response2
Message3
Response3
26
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 7: Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán © 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.
27
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 7: Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán © 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