Sistemas em tempo real caracterizam-se como tal quando seu correto funcionamento depende não apenas do correto processamento lógico de entradas e saídas, mas também da observância de restrições temporais na geração dos sinais de saída. Assim sendo, uma das características principais de dispositivos usados em aplicações em tempo real é seu determinismo, ou seja, sua capacidade de responder, em qualquer circunstância, dentro de limites de tempo previamente determinados. Sendo esta característica um requisito básico, percebe-se a vantagem de dispor de um hardware que a incorpore. Facilitando o desenvolvimento de aplicações para esse tipo de controle, com um melhor desempenho. Visando atender esta necessidade, este trabalho apresenta uma arquitetura de hardware de baixo custo para desenvolvimento de aplicações com requisitos de tempo-real para sistemas de controle distribuído. Cada unidade de processamento da arquitetura distribuída é formada pelos seguintes elementos: • Processador principal: • Gerenciador de timer e de tarefas: responsável pela gerência de timer e interrupções, bem como pela gerência dos instantes de ativação das tarefas concorrentes e sincronização com outras unidades de processamento do sistema distribuído de automação. • Processador de comunicação: responsável pela comunicação entre tarefas, incluindo o mapeamento para o protocolo de comunicação usado no barramento industrial (como por exemplo o Profibus). • Periféricos, tais como memórias, co-processadores aritméticos, unidades de disco, etc. A principal novidade proposta é o aproveitamento do baixo custo dos microcontroladores comerciais, atribuindo funções específicas para cada um, deixando o peso computacional do sistema operacional, na sua maior parte, em processadores diferentes do responsável pelo processamento das tarefas da aplicação. Dentre as vantagens da arquitetura proposta cabe aqui mencionar: • Aumento do poder de processamento de uma Unidade de Processamento das tarefas da aplicação do usuário. • Maior facilidade em obter o determinismo temporal, característica fundamental em sistemas tempo-real distribuídos. • Possibilidade de utilização de algoritmos de escalonamento mais complexos e especializados, sem uma sobrecarga proibitiva no desempenho do sistema. Os primeiros resultados obtidos com esta arquitetura, quando comparados com o exemplo industrial utilizado, são promissores. A recepção da comunidade científica também foi positiva, fato que pode ser medido pela aceitação dos diversos artigos apresentados e/ou publicados que basearam-se na arquitetura proposta nesta dissertação, quais sejam o 4th IFAC Workshop on Algorithms and Architectures for Real-Time Control [PoPe97b], Special Section of IFAC Control Engineering Practice Journal [PoPe97c], Tercer Taller Iberoamericano de Microeletrónica y sus Aplicaciones [Souza97], Euromicro'97 Workshop on Real-Time Systems [Parisoto97], Seminário Interno do DELET e IEE [PoPe96], Revista Egatea [PoPe97a] e o XII Congresso Brasileiro de Automática [PPS98]. / This work presents a low-cost hardware architecture that enhances the performance and increases the predictability of real-time distributed systems. The proposed architecture overcomes one of the major drawbacks of conventional architectures based on a single processar: the overload imposed by operating system activities. The architecture makes use of dedicated hardware units based on low cost microcontrollers. One microcontroller takes care of functions involving the management of task scheduling and time-dependent activation. Since scheduling algorithm tasks do not compete with application tasks anymore, they can be even more sophisticated and specialized. Another microcontroller is responsible for all activities related to inter-process communication, including the execution of communication drivers. It uses the processing capability to exchange data with the network, allowing the last microcontroller to expend more time in operations associated with the user's application. Not only the overall system performance is increased but the system behavior tends to be more deterministic, a very important characteristic when developing real-time applications.

Sistemas em tempo real caracterizam-se como tal quando seu correto funcionamento depende não apenas do correto processamento lógico de entradas e saídas, mas também da observância de restrições temporais na geração dos sinais de saída. Assim sendo, uma das características principais de dispositivos usados em aplicações em tempo real é seu determinismo, ou seja, sua capacidade de responder, em qualquer circunstância, dentro de limites de tempo previamente determinados. Sendo esta característica um requisito básico, percebe-se a vantagem de dispor de um hardware que a incorpore. Facilitando o desenvolvimento de aplicações para esse tipo de controle, com um melhor desempenho. Visando atender esta necessidade, este trabalho apresenta uma arquitetura de hardware de baixo custo para desenvolvimento de aplicações com requisitos de tempo-real para sistemas de controle distribuído. Cada unidade de processamento da arquitetura distribuída é formada pelos seguintes elementos: • Processador principal: • Gerenciador de timer e de tarefas: responsável pela gerência de timer e interrupções, bem como pela gerência dos instantes de ativação das tarefas concorrentes e sincronização com outras unidades de processamento do sistema distribuído de automação. • Processador de comunicação: responsável pela comunicação entre tarefas, incluindo o mapeamento para o protocolo de comunicação usado no barramento industrial (como por exemplo o Profibus). • Periféricos, tais como memórias, co-processadores aritméticos, unidades de disco, etc. A principal novidade proposta é o aproveitamento do baixo custo dos microcontroladores comerciais, atribuindo funções específicas para cada um, deixando o peso computacional do sistema operacional, na sua maior parte, em processadores diferentes do responsável pelo processamento das tarefas da aplicação. Dentre as vantagens da arquitetura proposta cabe aqui mencionar: • Aumento do poder de processamento de uma Unidade de Processamento das tarefas da aplicação do usuário. • Maior facilidade em obter o determinismo temporal, característica fundamental em sistemas tempo-real distribuídos. • Possibilidade de utilização de algoritmos de escalonamento mais complexos e especializados, sem uma sobrecarga proibitiva no desempenho do sistema. Os primeiros resultados obtidos com esta arquitetura, quando comparados com o exemplo industrial utilizado, são promissores. A recepção da comunidade científica também foi positiva, fato que pode ser medido pela aceitação dos diversos artigos apresentados e/ou publicados que basearam-se na arquitetura proposta nesta dissertação, quais sejam o 4th IFAC Workshop on Algorithms and Architectures for Real-Time Control [PoPe97b], Special Section of IFAC Control Engineering Practice Journal [PoPe97c], Tercer Taller Iberoamericano de Microeletrónica y sus Aplicaciones [Souza97], Euromicro'97 Workshop on Real-Time Systems [Parisoto97], Seminário Interno do DELET e IEE [PoPe96], Revista Egatea [PoPe97a] e o XII Congresso Brasileiro de Automática [PPS98]. / This work presents a low-cost hardware architecture that enhances the performance and increases the predictability of real-time distributed systems. The proposed architecture overcomes one of the major drawbacks of conventional architectures based on a single processar: the overload imposed by operating system activities. The architecture makes use of dedicated hardware units based on low cost microcontrollers. One microcontroller takes care of functions involving the management of task scheduling and time-dependent activation. Since scheduling algorithm tasks do not compete with application tasks anymore, they can be even more sophisticated and specialized. Another microcontroller is responsible for all activities related to inter-process communication, including the execution of communication drivers. It uses the processing capability to exchange data with the network, allowing the last microcontroller to expend more time in operations associated with the user's application. Not only the overall system performance is increased but the system behavior tends to be more deterministic, a very important characteristic when developing real-time applications.

Sistemas em tempo real caracterizam-se como tal quando seu correto funcionamento depende não apenas do correto processamento lógico de entradas e saídas, mas também da observância de restrições temporais na geração dos sinais de saída. Assim sendo, uma das características principais de dispositivos usados em aplicações em tempo real é seu determinismo, ou seja, sua capacidade de responder, em qualquer circunstância, dentro de limites de tempo previamente determinados. Sendo esta característica um requisito básico, percebe-se a vantagem de dispor de um hardware que a incorpore. Facilitando o desenvolvimento de aplicações para esse tipo de controle, com um melhor desempenho. Visando atender esta necessidade, este trabalho apresenta uma arquitetura de hardware de baixo custo para desenvolvimento de aplicações com requisitos de tempo-real para sistemas de controle distribuído. Cada unidade de processamento da arquitetura distribuída é formada pelos seguintes elementos: • Processador principal: • Gerenciador de timer e de tarefas: responsável pela gerência de timer e interrupções, bem como pela gerência dos instantes de ativação das tarefas concorrentes e sincronização com outras unidades de processamento do sistema distribuído de automação. • Processador de comunicação: responsável pela comunicação entre tarefas, incluindo o mapeamento para o protocolo de comunicação usado no barramento industrial (como por exemplo o Profibus). • Periféricos, tais como memórias, co-processadores aritméticos, unidades de disco, etc. A principal novidade proposta é o aproveitamento do baixo custo dos microcontroladores comerciais, atribuindo funções específicas para cada um, deixando o peso computacional do sistema operacional, na sua maior parte, em processadores diferentes do responsável pelo processamento das tarefas da aplicação. Dentre as vantagens da arquitetura proposta cabe aqui mencionar: • Aumento do poder de processamento de uma Unidade de Processamento das tarefas da aplicação do usuário. • Maior facilidade em obter o determinismo temporal, característica fundamental em sistemas tempo-real distribuídos. • Possibilidade de utilização de algoritmos de escalonamento mais complexos e especializados, sem uma sobrecarga proibitiva no desempenho do sistema. Os primeiros resultados obtidos com esta arquitetura, quando comparados com o exemplo industrial utilizado, são promissores. A recepção da comunidade científica também foi positiva, fato que pode ser medido pela aceitação dos diversos artigos apresentados e/ou publicados que basearam-se na arquitetura proposta nesta dissertação, quais sejam o 4th IFAC Workshop on Algorithms and Architectures for Real-Time Control [PoPe97b], Special Section of IFAC Control Engineering Practice Journal [PoPe97c], Tercer Taller Iberoamericano de Microeletrónica y sus Aplicaciones [Souza97], Euromicro'97 Workshop on Real-Time Systems [Parisoto97], Seminário Interno do DELET e IEE [PoPe96], Revista Egatea [PoPe97a] e o XII Congresso Brasileiro de Automática [PPS98]. / This work presents a low-cost hardware architecture that enhances the performance and increases the predictability of real-time distributed systems. The proposed architecture overcomes one of the major drawbacks of conventional architectures based on a single processar: the overload imposed by operating system activities. The architecture makes use of dedicated hardware units based on low cost microcontrollers. One microcontroller takes care of functions involving the management of task scheduling and time-dependent activation. Since scheduling algorithm tasks do not compete with application tasks anymore, they can be even more sophisticated and specialized. Another microcontroller is responsible for all activities related to inter-process communication, including the execution of communication drivers. It uses the processing capability to exchange data with the network, allowing the last microcontroller to expend more time in operations associated with the user's application. Not only the overall system performance is increased but the system behavior tends to be more deterministic, a very important characteristic when developing real-time applications.

Sistemas de controle industriais precisam atender a requisitos temporais para garantir seu correto funcionamento, sendo por isto considerados sistemas tempo-real. Quando tais sistemas são distribuídos, tais como redes de sensores, atuadores e controladores interligados por barramentos de campo, a comunicação desempenha um papel importante no comportamento temporal. Este trabalho propõe uma ferramenta para validar o comportamento temporal da comunicação em um protocolo de barramento de campo, o Foundation Fieldbus. A proposta inclui a especificação de requisitos e a visualização da validação. Pretende-se auxiliar a compreensão do comportamento temporal e possibilitar a depuração de sistemas tempo-real distribuídos. O sistema desenvolvido encontra-se operacional e foi validado em diversos estudos de caso, os quais são descritos no presente trabalho.

Este trabalho aborda o desenvolvimento de uma arquitetura de controle em tempo real para servoposicionadores pneumáticos, baseada em computadores pessoais (PCs). Os servoposicionadores pneumáticos são de baixo custo, leves, não poluentes e de fácil utilização. Como apresentam boa relação entre peso e força, são bastante atraentes em aplicações de robótica. Entretanto, devido a suas não linearidades, os servoposicionadores pneumáticos apresentam dificuldades em seu controle. Visando compensá-las, são desenvolvidos algoritmos de controle cada vez mais complexos, necessitando de ferramentas mais robustas quanto ao poder de processamento. Ferramentas com características necessárias para o desenvolvimento de algoritmos e para o controle em tempo real de sistemas custam caro, o que dificulta o desenvolvimento de novas tecnologias de controle de servoposicionadores pneumáticos. Este trabalho apresenta uma revisão das soluções utilizadas na construção de sistemas pneumáticos de posicionamento e daquelas adotadas no controle digital de sistemas automáticos. Descrevese o processo de construção de uma bancada experimental, e o desenvolvimento das soluções em hardware e software para o controle digital é discutido. Visando uma solução economicamente atraente, são utilizados unicamente softwares de código aberto e de livre utilização, assim como hardwares de baixo custo.Para verificar a eficiência da solução proposta, a arquitetura de controle é utilizada para realizar a identificação dos parâmetros do sistema pneumático. Dentre eles, destacam-se a vazão mássica e o atrito, informações importantes para simulação e controle do sistema. Também são utilizados controladores do tipo Proporcional-Integral-Derivativo, implementados para apoiar o estudo do desempenho da arquitetura no controle do servoposicionador pneumático.

Os sistemas operacionais de tempo real, assim como os sistemas embarcados, estão inseridos no desenvolvimento de projetos de automação industrial segmentado em diversas áreas de pesquisa como, por exemplo, robótica, telecomunicações, e barramentos industriais. As aplicações de sistemas modernos de controle e automação necessitam de alta confiabilidade, velocidade de comunicação, além de, determinismo temporal. Sistemas operacionais de tempo real (SOTR) têm-se apresentado como uma solução confiável quando aplicadas em sistemas que se fundamentam no cumprimento de requisitos temporais. Além disso, o desempenho computacional é totalmente dependente da capacidade operacional da unidade de processamento. Em um sistema monoprocessado, parte da capacidade computacional da unidade de processamento é utilizada em atividades administrativas, como por exemplo, processos de chaveamento e salvamento de contexto. Em decorrência disto, surge a sobrecarga computacional como fator preponderante para o desempenho do sistema. Este trabalho tem por objetivo, analisar e fornecer uma arquitetura alternativa para realizar o co-processamento de tarefas em uma plataforma IBM-PC, aumentando a capacidade computacional do microprocessador principal. No presente trabalho, a plataforma de coprocessamento realiza a execução do algoritmo de escalonamento do sistema operacional, desta forma distribuiu-se o gerenciamento temporal das tarefas entre a plataforma IBM-PC e a unidade de co-processamento.

Aplicações recentes no setor de automação industrial utilizam barramentos de campo para prover comunicação entre dispositivos. Estas aplicações normalmente exigem que os barramentos apresentem suporte tempo real. A garantia do adequado atendimento a requisitos temporais restritos é de fundamental importância para o correto funcionamento do sistema. Este documento apresenta um sistema de validação temporal para aplicações desenvolvidas utilizando tecnologias de barramentos de campo. O sistema desenvolvido, chamado BR-Tool, permite monitoração em tempo de execução de uma rede de barramento de campo, confrontando os dados obtidos com requisitos temporais previamente definidos pelo operador. O sistema BR-Tool é composto por dois elementos: um sub-sistema de aquisição de mensagens (placa de aquisição) e um sub-sistema de validação (ferramenta computacional). A placa de aquisição foi especialmente projetada para operar com diferentes interfaces de barramentos de campo, realizando as tarefas de captura de eventos, marcação temporal e salvamento de um histórico de eventos. A ferramenta de validação, que roda no computador, realiza as tarefas de filtragem de eventos, especificação de requisitos e validação temporal, permitindo diversos modos de visualização dos resultados. A comunicação entre a placa de aquisição e a ferramenta de validação é implementada por uma interface PCI, permitindo operar com velocidades de até 12Mbps.

Sistemas de controle industriais precisam atender a requisitos temporais para garantir seu correto funcionamento, sendo por isto considerados sistemas tempo-real. Quando tais sistemas são distribuídos, tais como redes de sensores, atuadores e controladores interligados por barramentos de campo, a comunicação desempenha um papel importante no comportamento temporal. Este trabalho propõe uma ferramenta para validar o comportamento temporal da comunicação em um protocolo de barramento de campo, o Foundation Fieldbus. A proposta inclui a especificação de requisitos e a visualização da validação. Pretende-se auxiliar a compreensão do comportamento temporal e possibilitar a depuração de sistemas tempo-real distribuídos. O sistema desenvolvido encontra-se operacional e foi validado em diversos estudos de caso, os quais são descritos no presente trabalho.

Um sistema tempo-real caracteriza-se por possuir requisitos temporais para execução de suas atividades, e de acordo com a sua tolerância ao atendimento destes requisitos é classificado em hard-real-time ou soft-real-time. O presente trabalho se propõe a apresentar uma arquitetura de hardware e software para suporte a sistemas tempo-real embarcados de baixo custo com objetivo de aplicação em pesquisas no meio acadêmico e que possa ser usado até em ambientes hard-real-time. A motivação para este trabalho está na necessidade de incorporação de garantias temporais (determinismo) em sistemas operacionais, características estas tão necessárias para sistemas tempo-real, e que são problemáticas de serem mantidas em sistemas dinâmicos que usam arquiteturas de hardware e software convencionais. Apoiado em estudos já realizados neste sentido, esta proposta pretende suprir o suporte em hardware, usando para tal microcontroladores de 32bits com alta capacidade de processamento e um ambiente de software confiável, já conhecido, com porte para sistemas embarcados e com código fonte aberto: o uClinux, porém com modificações para a sua adaptação no hardware proposto e para enfatizar as suas características tempo-real. / Real-time systems are characterized by the fact that not only logical but also timing correctness properties have to be satisfied. Typically, a real-time system is divided into two categories: hard-real-time, if missing a deadline may lead to catastrophic consequences, and soft-real-time, if a late completion gracefully degrades the performance without causing damage. This work presents a low cost embedded hardware and software architecture to support real-time systems. While mainly intended for research purposes, the proposed architecture should provide support to the development of hard-real-time systems. The proposed architecture addresses a common problem in conventional architectures: the maintenance of a deterministic temporal behavior, essential in real-time systems, and damaged by an overload caused by operating systems activities. The proposed architecture make use of a 32bits high performance microcontroller, a reliable, popular and open source code operating system to embedded applications uClinux, and enhance these with extensions to better cope with real-time systems development.

Sistemas de controle industriais precisam atender a requisitos temporais para garantir seu correto funcionamento, sendo por isto considerados sistemas tempo-real. Quando tais sistemas são distribuídos, tais como redes de sensores, atuadores e controladores interligados por barramentos de campo, a comunicação desempenha um papel importante no comportamento temporal. Este trabalho propõe uma ferramenta para validar o comportamento temporal da comunicação em um protocolo de barramento de campo, o Foundation Fieldbus. A proposta inclui a especificação de requisitos e a visualização da validação. Pretende-se auxiliar a compreensão do comportamento temporal e possibilitar a depuração de sistemas tempo-real distribuídos. O sistema desenvolvido encontra-se operacional e foi validado em diversos estudos de caso, os quais são descritos no presente trabalho.