KONICA MINOLTA

Aktuální vydání

celé číslo

11

2019

Využití robotů, dopravníků a manipulační techniky ve výrobních linkách

Průmyslové a servisní roboty

celé číslo

Plánování úloh v systémech RT – V: zvyšování provozuschopnosti systémů

Tento, závěrečný článek seriálu bude věnován přehledu základních pojmů, jakož i popisu a nástinu řešení problémů souvisejících s provozuschopností tzv. systémů reálného času (real-time, RT, systémy RT). Provozuschopností (anglicky dependability), nebo také spolehlivostí v širším smyslu, se v tomto článku rozumí schopnost systému RT plnit funkce v souladu s podmínkami vymezenými jeho specifikací a za těchto podmínek.

Provozuschopnost jakéhokoliv technického systému závisí na mnoha činitelích, které ji ovlivňují – z nejvýznamnějších zmiňme např. bezporuchovost (reliability), pohotovost/dostupnost (availability), udržovatelnost (maintainability) či bezpečnost ve smyslu dopadu možných následků činnosti systému (safety) nebo ve smyslu schopnosti zaručit důvěrnost informací (security).

Pro kvantifikaci těchto činitelů, a tedy i celkové úrovně provozuschopnosti, existuje množství ukazatelů, např. střední doba do poruchy (Mean Time To Failure – MTTF), střední doba provozu mezi poruchami (Mean Time Between Failures – MTBF), střední doba do opravy/obnovy (Mean Time To Repair – MTTR) atd., jejichž popisem se však článek zabývat nebude.

Existuje také množství technik umožňujících zajistit požadovanou úroveň provozuschopnosti systému pomocí odlišných prostředků použitelných na odlišných úrovních popisu a realizace systému. Účelem tohoto článku není vyčerpávajícím způsobem pokrýt obecnou problematiku zajištění provozuschopnosti systémů, ale představit typické problémy, jejich příčiny a vybrané postupy řešení související s konstrukcí systémů RT řízených při použití operačních systémů reálného času (RTOS) s ohledem na dosažení bezporuchového provozu. 

Základní pojmy

Dříve, než budou představeny konkrétní techniky používané k zajištění provozuschopnosti systémů RT, je třeba zmínit několik důležitých pojmů souvisejících s poruchami (obr. 1). Pro systémy RT jsou klíčová zpoždění (latence) související s těmito pojmy, jelikož obecně zvětšují pravděpodobnost nedodržení časových omezení úloh RT.

Porucha

Pojmem porucha (fault) je obvykle označována neplánovaná fyzická změna v původní struktuře obvodu, složení látky apod. Poruchy lze klasifikovat podle mnoha kritérií – např. podle doby trvání se rozlišují tyto poruchy:

  • trvalé (permanent), které jsou typicky nevratného charakteru (např. zkrat) a jsou v systému přítomné, dokud nejsou opraveny nebo není vyměněna ta část systému, v níž se porucha vyskytuje,
  • přechodné (transient), vyznačující se omezenou dobou trvání (např. změna stavu klopného obvodu v důsledku působení vnějšího elektromagnetického pole); jakmile pomine příčina jejího vzniku, přechodná porucha odezní,
  • občasné (intermittent), projevující se obdobně jako poruchy přechodné, avšak s tím rozdílem, že jde o opakovaný a za běhu systému obtížně odstranitelný jev, obvykle důsledek nahodilé nesprávné činnosti hardwaru nebo chyby při návrhu (např. uvolněný kontakt spínače, popř. neinicializovaný ukazatel apod.).

Poruchy lze modelovat různými tzv. modely poruch – např. model poruch typu trvalá nula/jedna, zpoždění apod. Porucha může být skrytá, jelikož např. zasáhla podsystém toho času nevyužívaný aktuální verzí systému RT; v takovém případě je funkce systému v praxi nedotčena a porucha zůstává neodhalena. 

Chyba

Není-li skrytá, porucha (např. zkrat na úrovni polovodičových vrstev v obvodu velmi vysoké integrace) se typicky projeví tzv. chybou (error), např. změnou hodnoty bitu v datech. Mezi vznikem poruchy a jejím projevem ve formě chyby však uplyne určitá doba (tLFobr. 1) potřebná k propagaci vlivu poruchy mezi souvisejícími částmi systému. Navíc, vznik chyby je nutným předpokladem pro její následnou detekci např. některým z bezpečnostních kódů.

Z uvedeného vztahu mezi poruchou a chybou rovněž plyne, že z hlediska chování systémů RT je ideální latence související s poruchami eliminovat či alespoň minimalizovat. Pouze tak lze eliminovat či minimalizovat i vliv poruch na chod systému RT. Tento způsob však vyžaduje přítomnost detekčních a korekčních mechanismů již na úrovni technického vybavení (hardware) systému – existují např. diagnostické detekční/lokalizační testy schopné detekovat, či dokonce lokalizovat poruchu z daného modelu poruch hardwaru ještě předtím, než je propagována do vyšších vrstev systému. V dané souvislosti je vhodné zmínit ukazatel pokrytí poruch (fault coverage), udávající procento poruch, které může být daným testem odhaleno. Nejsou-li potřebné mechanismy v hardwaru zahrnuty, lze mírnit dopad poruchy až poté, co se popř. projeví chybou. 

Zotavení se z chyby

Jsou-li splněny předpoklady pro detekci chyby – např. je-li příslušná část systému vybavena vhodným detekčním mechanismem, může být chyba (po uplynutí zpoždění tLE spojeného s provedením mechanismu) detekována a může být proveden pokus o zotavení se (obnovu) z chyby – viz latence tLFTobr. 1.

Selhání

Nezdaří-li se obnova z chyby, může dojít k selhání neboli celkové poruše (failure), kdy systém přestane plnit funkci, pro kterou byl navržen (viz latence tLRobr. 1). Má-li selhání vážné následky pro okolí systému, hovoří se o havárii či neštěstí (accident). Mnoho zejména bezpečnostně kritických systémů nebo alespoň jejich částí je proto navrženo tak, aby svou konstrukcí selhání zamezily např. zastavením veškeré své činnosti (fail-stop), přechodem do bezpečného stavu (fail--safe) či řízeným omezením svých činností (fail-operational).

Prostředky ke snížení poruchovosti

Ke snížení poruchovosti systému lze použít mnoho různých prostředků, které je možné rozdělit např. do těchto skupin:

  • prostředky k odstranění poruch (fault removal), typicky používané v etapách formální verifikace či ověřování systému,
  • prostředky k zamezení vzniku poruch (fault avoidance), obvykle realizované na úrovni hardwaru v etapě návrhu systému,
  • prostředky k predikci poruch (fault prediction), založené na analýze historie poruch získané na základě provozu systému v reálném prostředí či ze statistických dat nad simulačním modelem systému,
  • prostředky k dosažení odolnosti proti poruchám (fault tolerance), schopné zajistit chod systému navzdory výskytu poruch v systému.

Podle použité metody redundance lze prostředky dále rozčlenit na prostředky založené na redundanci prostorové (spatial) či časové (time), podle obr. 2, a podle způsobu reakce na chybu na prostředky s dopřednou (forward) či zpětnou (backward) obnovou běhu (recovery) atd.

S ohledem na charakter předchozích dílů tohoto seriálu budou v následujícím textu stručně představeny pouze principy vybraných prostředků zotavení se z poruch spadajících do kategorie odolnosti proti poruchám programového vybavení. Z pohledu použité metody redundance bude text omezen na prostředky realizovatelné na úrovni jádra RTOS a vyšší, tj. zejména na prostředky založené na redundanci časové a programové (obr. 2).

Kontrola toku řízení

Jako první si představme techniku (prostředek) umožňující detekovat chybu v toku řízení programu. Tato chyba se typicky projevuje tím, že posloupnost instrukcí prováděných procesorem je jiná, než byla navržena programátorem, např. začne být prováděn jiný podprogram, než který byl volán.

Princip této techniky lze shrnout následovně. Každý program P je nejprve rozčleněn na bloky Bi, z nichž každý je tvořen nejdelší souvislou posloupností neskokových instrukcí. Na P lze pohlížet jako na orientovaný graf, tzv. graf programu, GP = (V, E), jehož množina uzlů obsahuje všechny bloky z P a jehož množina hran E obsahuje všechny povolené přechody mezi bloky obsaženými v P. Cílem technik z této kategorie je ověřovat, zda prováděný přechod mezi bloky je povolen, nebo nikoliv. V případě, že povolen není, může být tato chyba indikována nadřazené jednotce, která následně rozhodne o způsobu reakce na ni.

Pro ilustraci nejprve zmiňme princip techniky označované ECCA (Enhanced Control-Flow Checking Using Assertions). Tato technika přiřazuje každému bloku Bi jednak identifikátor bIDi, reprezentovaný prvočíslem různým od 2, a jednak hodnotu bNEXTi, rovnou součinu hodnot identifikátorů povolených následovníků bloku Bi v daném GP. Pro účely detekce chybného toku řízení je dále deklarována globální proměnná GID, určená k ukládání výsledků speciálních operací SET (TEST) prováděných na začátku (konci) každého bloku Bi s použitím vztahů

vzorec (1)

při operaci SET, popř.

GID = bNEXTi + diff(GIDbIDi)              (2)

kde „diff“ je funkce vracející pro nulový rozdíl hodnotu 0 a jinak hodnotu 1, při operaci TEST. Chybný tok řízení může být detekován každou z uvedených operací.

Při použití operace SET vede chyba na dělení nulou, která se objeví ve jmenovateli v jednom z těchto případů:

  • buď Bi není platným následovníkem předcházejícího bloku, jehož hodnota je uložena v GID, a výsledkem výpočtu (GID mod bIDi) tedy bude hodnota 1, která se po inverzi změní na 0,
  • nebo je GID sudé číslo, a tedy výsledek (GID mod 2) je roven 0.

Při provádění operace TEST se do GID uloží hodnota bNEXTi zvětšená o hodnotu rozdílu (GID – bIDi), který je nulový, končí-li program v bloku, který začal poslední operací SET. V opačném případě je tento rozdíl sudý, což při následné operaci SET povede na dělení nulou. Ilustrace k technice ECCA pro program složený z bloků B1 až B5 je na obr. 3, obsahujícím graf programu a hodnoty bID, bNEXT pro jeho uzly.

Na obdobném principu je založena technika CFCSS (Control-Flow Checking by Software Signatures). Její předností je, že pro identifikaci bloku Bi nevyžaduje prvočíslo a pro detekci správnosti toku nepoužívá dělení – požadavky na paměť a výpočetní výkon jsou tedy menší než u ECCA. Pro detekci chybného kroku řízení pak CFCSS namísto použití operací SET, TEST přiřazuje každému bloku Bi vedle identifikátoru bihodnotu djirovnou rozdílu bj Åbi, kde bj je identifikátor bloku Bj, který je platným předchůdcem bloku Bi, kde Å představuje operaci XOR. Při vstupu do nového bloku Bi je nejprve testem ověřeno, zda z předchozího bloku Bj, jehož identifikátor bj je uložen v globální proměnné GID, se platně pokračuje v cílovém bloku. Test je jednoduchý, spočívající v porovnání hodnot GID Ådji bi. Je-li tok řízení správný, hodnoty jsou si rovné. Technika CFCSS nedostačuje v situaci, kdy jednomu cílovému bloku předchází několik bloků zdrojových. Za této situace mohou některé chyby v toku řízení zůstat nedetekovány.

N-verzní programování

Odolnost proti poruchám lze také zajistit zajištěním souběžného či současného běhu různých realizací úloh řešících zadaný problém – hovoří se pak o N-verzním či N-násobnémprogramování, inspirovaném technickou N-modulovou redundancí (NMR).

Výstup každé z n realizací úloh je vyhodnocen hlasovací jednotkou (voter), rozhodující o tom, který z potencionálně odlišných výsledků bude vzat jako správný. Mechanismů hlasování existuje mnoho, např. majoritní, indikující za správný ten z výsledků, který produkovala nadpoloviční většina úloh, či mediánový, indikující ten z výsledků, který je mediánem hodnot na výstupech úloh.

Nicméně platí, že hlasovací mechanismy bývají navrhovány s ohledem na důraz kladený na konkrétní složky spolehlivosti – je-li důležitá bezporuchovost, musí být vybraný celkový výsledek s velkou pravděpodobností skutečně správný; je-li důležitá dostupnost, hlasovací jednotka produkuje výsledek i tehdy, nemůže-li o správnosti výsledku rozhodnout; je-li důležitá bezpečnost, je nutné vhodně klasifikovat a maskovat nesprávné výsledky atd. Nedokáže-li hlasovací jednotka poskytnout nadřazené vrstvě výsledek, signalizuje namísto něj chybu (obr. 4).

Zotavení při použití záloh

Další mechanismus ke zvýšení spolehlivosti programového vybavení je založen na využití tzv. paměti záloh, využívané k ukládání bezchybného stavu (bodu obnovy) rozpracované úlohy. Je-li za běhu úlohy detekována chyba, je z paměti záloh obnoven posledně uložený stav úlohy a od něj začne být úloha prováděna znovu. Rozložení záloh v čase může být různé – např. perio­dické či náhodné.

Vedle základní úlohy provádějící zálohy může systém obsahovat i jednu nebo několik tzv. záložních úloh schopných načíst data ze zálohy a běžet s nimi namísto úlohy základní – ta může být zatím odstavena a poté např. testována na bezchybnost kódu a při nalezení chyby nahrazena výchozí verzí. Selžou-li jak základní, tak i záložní úlohy, je nadřazené jednotce signalizována chyba, tj. neschopnost danou funkci provést. Varianta této techniky založená na jedné základní a jedné záložní úloze je ilustrována na obr. 5.

Diagnostické úlohy

Poslední skupina technik používaných ke zvýšení odolnosti proti poruchám na úrovni programového vybavení, která bude v tomto článku představena, obsahuje techniky založené na využití tzv. diagnostických úloh. Inspirací pro vznik těchto technik byla existence periferie typu watchdog (WDG) na čipech mikrořadičů. Princip této periferie je jednoduchý – funkce watchdog čeká po předem stanovenou dobu (perioda cyklu WDG) na přijetí signálu. Přijde-li během této doby signál, je zahájen další cyklus WDG. Jinak funkce watchdog vyvolá nové spuštění (reset) mikrořadiče za účelem rychlé obnovy činnosti systému nacházejícího se např. ve stavu zacyklení či uváznutí. Výskyt nežádoucích stavů je pak vyvozen z neschopnosti systému včas signalizovat svoji správnou funkci periferii typu watchdog.

Analogií periferie typu watchdog v oblasti programového vybavení mohou být např. tzv. diagnostické úlohy (úlohy WDG). Princip spočívá v tom, že každé RT úloze τ je přiřazena periodická úloha WDG s prioritou významnější než τ (úloha wτ). Úloha wτ  musí být spuštěna co nejdříve po spuštění τ – viz obr. 6, vazba (1) – za účelem včasné detekce chyby v τ a případné aktivace mechanismu zotavení se z této chyby. Obdrží-li úloha wτ  do konce své periody (cyklu WDG) signál od úlohy τ, otestuje stav úlohy τ na přítomnost chyb (každá úloha ukládá svůj stav do paměti obnovy obsahující také posledně známý bezchybný stav). Je-li detekována chyba, popř. není-li úloha wτ  signalizována včas – vazba (3), je úlohou wτ  spuštěn mechanismus obnovy: úloha τ může být např. spuštěna znovu – vazba (4) – s nadějí, že v následné instanci bude dokončena bezchybně – viz vazby (4) až (7). S dokončením úlohy τ dojde i k zastavení činnosti jí příslušející úlohy wτ – viz obr. 6, vazby (4) až (7). Náznak možné realizace této techniky je uveden na obr. 7 – k odměřování cyklu WDG je zde použit nastavitelný časový limit čekání na příchod zprávy do schránky zpráv.

Správnou činnost diagnostických úloh lze sledovat zavedením nadřazené (systémové) diagnostické úlohy, jejímž úkolem je kontrolovat zejména „živost“ podřazených diagnostických úloh [1]. Nepracuje-li některá z podřazených diagnostických úloh správně či vzroste-li počet nových spuštění jí diagnostikovaných úloh nad předem danou mez, nadřazená diagnostická úloha obě tyto úlohy spustí znovu. Vzhledem ke své klíčové roli však nadřazená úloha (jednotka) musí být také dostatečně robustní ve smyslu zvýšené odolnosti proti poruchám.

Shrnutí

V článku je nastíněna problematika návrhu spolehlivých systémů RT s důrazem na možná řešení realizovatelná prostředky programového vybavení a jader RTOS. Snahou bylo ukázat základní principy a problémy související s použitím těchto prostředků, zejména jejich vlastnost reagovat na případnou poruchu s větším zpožděním než prostředky realizované ve vrstvách bližších hardwaru. Smysluplným a účinným se jeví použít tyto prostředky vyšších úrovní jako základní či doplňkové techniky např. v oblasti odolnosti proti přechodným poruchám či chybám při navrhování a implementaci programového vybavení, které lze v nižších vrstvách jen obtížně detekovat a opravit. Mnohé z dalších technik však ani zmíněny nebyly – patří mezi ně např. techniky izolace chyb, které se snaží zamezit šíření chyb vhodnou modularizací a dekompozicí systému. Z této kategorie zmiňme alespoň techniku uzavírání podsystému, založenou na myšlence autorizovat každou akci před tím, než bude prováděna, popř. techniku atomických akcí, omezující interakci uvnitř systému v daném časovém intervalu pouze na podmnožinu prvků; každá z takto omezených akcí buď skončí bezchybně, nebo chybou – jelikož může ovlivnit pouze úzce vymezené prvky, jsou okruh jejího šíření i prostor zotavení značně omezeny [2].

Závěr seriálu

Že návrh systémů RT je složitý, ovšem plyne i z předchozích článků [3] až [6] tohoto seriálu o plánování úloh v systémech RT. Jelikož tento článek je současně posledním článkem seriálu, na závěr stručně připomeňme a shrňme články jemu předcházející.

První článek [3] byl zaměřen na přehled problémů spojených s plánováním množin závislých úloh RT – byly v něm představeny základní typy závislostí mezi úlohami (časová, prostorová) a nastíněn vliv těchto závislostí na konstrukci plánovače; mj. byly přestaveny protokoly NPP (Non Preemptive Protocol), PIP (Priority Inheritance Protocol) a PCP (Priority Ceiling Protocol) přístupu k prostředkům. Ve druhém článku [4] bylo představeno několik technik společného plánování periodických a neperiodických úloh s důrazem na principy serverů úloh. Mimo jiné byly popsány principy vyzývacího (Polling Server – PS), odkládacího (Deferrable Server – DS) a sporadického serveru (Sporadic Server – SS) a serveru s výměnou priorit (Priority Exchange Server – PE). Třetí článek seriálu [5] byl věnován problematice plánování úloh při přetížení systému. Zejména byla diskutována základní východiska z přetížení založená na řízení degradace výkonu systému a zavedení důležitosti úloh. Čtvrtý, tj. předposlední článek [6] tohoto seriálu shrnul problematiku plánování úloh RT ve víceprocesorovém prostředí a představil základní mechanismy přidělování procesorů úlohám vycházející z mechanismu RM (Rate Monotonic Next Fit – RMNF, Rate Monotonic First Fit – RMFF, Rate Monotonic Best Fit – RMBF).

V seriálu bylo záměrně odkazováno pouze na produkty UPPAAL, TimesTool, Cheddar, uC/OS-II, FreeRTOS, QNX atd., které jsou široké veřejnosti volně dostupné k nekomerčnímu využití za podmínek daných vlastníky příslušných práv. Účelem bylo, aby po přečtení jednotlivých článků seriálu měl každý možnost si tyto produkty zdarma vyzkoušet a snadno si s jejich pomocí ověřit platnost principů v článcích popisovaných.

Poděkování

Tento článek byl vypracován v rámci projektu Centrum excelence IT4Innovations (reg. č. CZ.1.05/1.1.00/02.0070), podporovaného Operačním programem Výzkum a vývoj pro inovace, financovaného ze strukturálních fondů EU a ze státního rozpočtu ČR, projektu Metodiky pro návrh systémů odolných proti poruchám do rekonfigurovatelných architektur - vývoj, implementace a verifikace (MSMT LD12036), projektu Výzkum informačních technologií z hlediska bezpečnosti (CEZ MSM 0021630528) a grantu BUT FIT-S-11-1.

Literatura:

[1] ČELEDA, P.: Zvýšení spolehlivosti a diagnostika operačních systémů pracujících v reálném čase. Disertační práce, Univerzita obrany, Brno, 2007.

[2] SLIMAŘÍK, F.: Mechanismy zvýšení spolehlivosti vestavěných systémů pracujících v reálném čase. Diplomová práce, FIT VUT v Brně, 2010.

[3] STRNADEL, J.: Plánování úloh v systémech RT – I: závislé úlohy. Automa, 2012, roč. 18,
č. 10, s. 42–45, ISSN 1210-9592.

[4] STRNADEL, J.: Plánování úloh v systémech RT – II: neperiodické úlohy. Automa, 2012, roč. 18, č. 11, s. 44–46, ISSN 1210-9592.

[5] STRNADEL, J.: Plánování úloh v systémech RT – III: přetížení systému. Automa, 2012,
roč. 18, č. 12, s. 44–47, ISSN 1210-9592.

[6] STRNADEL, J.: Plánování úloh v systémech RT – IV: víceprocesorové prostředí. Automa, 2013, roč. 19, č. 11, s. 44–46, ISSN 1210-9592 

Ing. Josef Strnadel, Ph.D., Centrum excelence IT4Innovations,

Fakulta informačních technologií, Vysoké učení technické v Brně (strnadel@fit.vutbr.cz)

 

Obr. 1. Ilustrace k možnému dopadu výskytu poruchy na chování systému

Obr. 2. Základní klasifikace metod redundance používaných ke zvýšení spolehlivosti (REDWC – Recomputing with Duplication with Comparison, RESO – Recomputing with Shifted Operands, RESWO – Recomputing with Swapped Operands)

Obr. 3. Graf programu pro ilustraci principu technik ECCA (modré pozadí) a CFCSS (žluté pozadí) kontroly toku řízení

Obr. 4. Ilustrace k N-verznímu programování

Obr. 5. Ilustrace k technikám využívajícím paměť záloh

Obr. 6. Ilustrace k principu činnosti diagnostické úlohy wτ

Obr. 7. Ilustrace k realizaci diagnostickéúlohy prostředky RTOS μC/OS-II