This thesis describes the integration of the end-to-end flow real-time model, which is defined in the MARTE (Modeling and Analysis of Real-Time and Embedded Systems) standard, into distribution middleware, as it can facilitate the development process of distributed real-time systems based on the Model-Driven Engineering (MDE) paradigm. The study focuses on how distribution standards and their implementations guarantee the real-time behaviour of these kinds of applications, thus providing a set of features required to develop analyzable distributed real-time systems. The standards studied are RT-CORBA (Real-Time Common Object Request Broker Architecture), the DSA (Distributed Systems Annex) of Ada, and DDS (Data Distribution Service for real-time systems). The features analysed will contribute to the definition of the endpoints pattern, a new proposal that, when integrated with distribution middleware, enables the use of MDE and schedulability analysis techniques more easily. This thesis also presents a distributed real-time platform supporting different distribution standards, and scheduling policies, and several examples or case studies to validate the features and usability of the endpoints pattern. In addition, this thesis deals with the use of the end-to-end flow model in high-integrity systems by adapting the endpoints pattern to the Ravenscar profile, and also explores the integration of the proposal into a toolset for MDE to enable the automatic generation of Ravenscar-compliant distribution code. Finally, specific implementations of the endpoints pattern are presented for full and restricted Ada.

Los sistemas de tiempo real fueron, en un principio, concebi-dos para ser utilizados en aplicaciones críticas tales como sistemas espaciales, aviación, control de centrales, plantas industriales. En este tipo de aplicaciones, las decisiones que provienen de estos algoritmos de control deben ser aplicadas antes de un determinado instante de tiempo denominado vencimiento. Debido a que estas aplicaciones son conside-radas críticas, las primeras investigaciones definieron a estos sistemas como de tiempo real duro, en los cuales ningún ven-cimiento puede ser perdido. Generalmente, las condiciones para garantizar tiempo real duro son pesimistas y los sistemas resultan en consecuencia sobredimensionados. Esta capa-cidad de procesamiento ociosa fue utilizada para la ejecución de tareas denominadas blandas. Estas tareas son atendidas por el sistema una vez que las condiciones temporales duras están garantizadas. Una de las mayores áreas de utilización de sistemas de tiempo real son las aplicaciones de control. Sin embargo, y debido a las discrepancias existentes entre la teoría de control y la de tiempo real, existen perturbaciones que los sistemas de tiempo real producen en las aplicaciones de control. Estas perturbaciones son debido a que en un sistema de tiempo real, las estrategias de control pueden ser relegadas del uso del procesador produciendo retardos cuando existen tareas de mayor prioridad que requieren su utilización. Como estos retardos no son constantes de invocación a invocación de la tarea de control, se produce un jitter que no es tenido en cuenta por la teoría de control y que puede provocar efectos indeseables sobre la aplicación. Por consiguiente, el modelo de tareas considerado por la teoría clásica de tiempo real no es enteramente adecuado para su utilización en sistemas de control.Esto se debe a que en ellos, no resulta suficiente observar el cumplimiento de los vencimientos ya que aparecen nuevos requerimientos temporales no contemplados por dichos modelos como son las fluctuaciones en los tiempos de actualización de parámetros de control y de las señales de comando, que provocan per-turbaciones indeseadas en el sistema a controlar. En este contexto, esta tesis propone la utilización de técnicas que admiten una violación acotada de los requerimientos en pos de garantizar su aplicabilidad a sistemas de control intole-rantes a variaciones en los tiempos de activación y respues-ta de tareas críticas aprovechando tanto los tiempos ociosos del sistema como produciendo pérdidas controladas de venci-mientos que no comprometan la integridad del sistema. El objetivo principal de esta tesis consiste en el análisis y de-sarrollo de disciplinas de planificación en tiempo real de bajo jitter para aplicaciones de propósito dedicado en sistemas de control.

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En la mayoría de las aplicaciones industriales es necesaria la verificación del correcto funcionamiento de las estrategias de control y automatismo antes de ser aplicadas al proceso real. Este tipo de aplicaciones requieren la utilización de sistemas de tiempo real para garantizar que los resultados no sólo son correctos desde el punto de vista lógico-aritmético, sino que se producen antes de un determinado tiempo, denominado vencimiento. Los sistemas de tiempo real utilizados en este tipo de aplicaciones incluyen desde controladores industriales (PLC1), redes de datos y sensores hasta avanzados sistemas de control distribuido (DCS). Asimismo, existen diferentes restricciones que pueden contraponerse a los requerimientos temporales en tales diseños como ser: el consumo de energía, las dimensiones físicas de las aplicaciones, el alcance y el retardo de los enlaces de datos, entre otras. Por otro lado, las actuales aplicaciones en donde se requieren estrategias de control y automatismos demandan técnicas sofisticadas de análisis y verificación de funcionamiento bajo diferentes escenarios. Muchos de los escenarios de funcionamiento que deben ser considerados involucran condiciones críticas del proceso, las cuales no son deseables de reproducir en la aplicación real y menos aún con un sistema de control que está bajo verificación. Actualmente, los sistemas distribuidos y redes de sensores son ampliamente utilizados en diversas aplicaciones y con diferentes objetivos. Si bien en estas aplicaciones los requerimientos temporales raramente exigen un tratamiento de tiempo real duro, sí resulta necesario garantizar la consistencia temporal de los datos para asegurar que las acciones que se obtengan de dichos datos sean también consistentes. En consecuencia, es necesario un análisis conjunto de los sistemas diseñados y la aplicación que permita confirmar que las especificaciones de diseño se satisfacen para diferentes escenarios de funcionamiento. En la mayoría de las implementaciones modernas de estrategias de control y automatismos se utilizan simuladores de los controladores y se generan artificialmente las entradas que en la aplicación real provendrían de los sensores. Sin embargo, este tipo de metodología de prueba no permite verificar la correcta dinámica del controlador debido a que no es simple generar el mismo comportamiento en las entradas que cuando éstas están conectadas a los sensores reales. Para evitar estas restricciones en la verificación, y en aplicaciones que lo justifican, se suelen desarrollar plataformas que emulen el comportamiento de la aplicación específica. No obstante, la utilización de estas plataformas es exclusiva a la aplicación para las que fueron destinadas y su costo de desarrollo es generalmente elevado. Esta tesis tiene como objetivo el desarrollo de una plataforma para el análisis y la simulación de sistemas distribuidos y redes de sensores en tiempo real en aplicaciones donde se implementen estrategias de control y automatismos industriales. Para realizar esta plataforma se utilizó la herramienta TrueTime, creada por Johan Eker y Anton Cervin2 y posteriormente ampliada por su grupo de investigación. Esta herramienta permite la simulación en un ambiente de Simulink /Matlab del conjunto tiempo-real/control para verificar lasperturbaciones que diferentes algoritmos de diagramación producen en las aplicaciones de control. La herramienta TrueTime fue modificada y ampliada para la incorporación de los parámetros que, luego de un profundo análisis, son los adecuados para monitorear y configurar en forma genérica las redes de sensores y sistemas distribuidos anteriormente detallados. El protocolo de comunicaciones OPC 3 fue utilizado para generar en el controlador industrial bajo verificación todo el entorno simulado de la aplicación. / In most of the industrial applications, it is necessary the verification of the correct operation of the control strategies and automatism before being applied to the real process. This type of applications requires the use of real time systems to guarantee that the results not only are correct from the arithmetical and logical point of view, but that take place before a certain time, named deadline. The utilization of real-time systems in this kind of applications includes from industrial controllers (PLC) to data and sensors networks for advanced distributed control systems (DCS). Also, different constraints may exist that can be opposed to the temporal requirements in such designs: the energy consumption, the size of the implementations, the communications rate of the data links, among others. On the other hand, the present applications in which strategies of control and automatism are required, demand sophisticated techniques of analysis and verification of operation under different scenes. Many of the operation scenes that has to be considered, involve critical conditions of the process which are not desirable to reproduce in the real application and much less with a control system that is under verification. At the moment, the distributed systems and networks of sensors are widely used in diverse applications and with different objectives. Although in these applications the temporal requirements rarely demand a treatment of hard real-time, it is necessary to guarantee that temporal consistency of the data is preserved. Consequently, a holistic analysis of the designed control systems and the application is necessary to assure that the design specifications are satisfied for different scenes of operation. In most of the modern implementations of strategies of control and automatism, simulators of the controllers are used, artificially generating the inputs that come from the applications. Nevertheless, this type of testing methodology does not allow verifying the right dynamics of the controller, because it is not a easy task to generate the same behavior in the inputs of the simulator that when these input are connected to the real sensors. In order to avoid these restrictions in the verification, and in applications that justify it, usually they are developed platforms that emulate the behavior of the specific application. Nevertheless, the use of these platforms is exclusive to the application for which they were designed and consequently its development is generally expensive. The objective of this thesis is the development of a simulation platform designed for the analysis and simulation of distributed control systems and sensor networks in real-time applications in which strategies of control and industrial automatism are implemented. In order to develop this platform the TrueTime tool, developed by Johan Eker and Anton Cervin and later extended by its research group, was used. This tool allows us the simulation in a Simulink /Matlab environment of the set real time/control features of an implementation in order to verify the disturbances that different control configurations produce on the control applications. The TrueTime tool was modified and extended to incorporate the parameters that, after a deep analysis, were considered the main parameters required to build the most common scenes required in industrial applications. The communication protocol OPC was configured in order to generate all the simulated surroundings of the application on the industrial controller under verification.

La presente tesis doctoral aborda el problema de los sistemas de mando y control, y en concreto los sistemas C4ISR. Los sistemas C4ISr (Command Control, Computers and Communications Information Surveillance and Reconaissance) engloban un amplio número de arquitecturas y sistemas informáticos y de comunicaciones. Su principal finalidad, tanto en aplicaciones civiles como militares, es la de obtener información sobre el estado del teatro de operaciones para entregársela, convenientemente formateada, a las personas al mando de una operación de forma que se construyan una adecuada visión del mismo que les permita tomar las decisiones correctas. Por otra parte, deben servir de plataforma de comunicaciones para transmitir dichas órdenes y cualquier otra información que se estime oportuna. La presente tesis doctoral se centra en identificar las necesidades existentes en mando y control a nivel táctico, tanto en la vertiente civil como en la militar, y plantear una arquitectura global para sistemas C4ISR que permita diseñar, desarrollar e implementar una solución de sistema de mando y control de pequeñas unidades (nivel de batallón e inferiores) para mejorar la conciencia situacional, tanto individual como como compartida, de los comandantes en esos niveles. Se ha promovido el planteamiento de arquitecturas y el desarrollo de sistemas que implementen los novedosos conceptos de mando y control, detectados en la literatura científica reciente, para la consecución de la efectividad en el cumplimiento de una misión, siguiendo la filosofía COTS (Commercial off-the self), enfatizando el uso de estándares en todos sus componentes y una aproximación OSS (open source software) en el desarrollo de componentes software, e integrando fluljos multimedia como una de las principales aportaciones. Para ello se ha realizado un exhaustivo y profundo análisis del estado del arte acerca de los sistemas de mando y control, desde sus comienzos hasta las últimas propuestas. Esto nos ha conducido / Pérez Llopis, I. (2009). Arquitectura de un sistema C4ISR para pequeñas unidades [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/6067

Se ha determinado, en una arquitectura multi-Core SMP, el lugar donde incorporar el PP o el HPP sin alterar el ISA del resto de los core. Se ha obtenido una familia de procesadores que ejecutan los algoritmos de Petri para dar solución a sistemas reactivos y concurrentes, con una sólida verificación formal que permite la programación directa de los procesadores. Para esto, se ha construido el hardware de un PP y un HPP, con un IP-Core en una FPGA, integrado a un sistema multi-Core SMP, que ejecuta distintos tipo de RdP. Esta familia de procesadores es configurable en distintos aspectos: - Tamaño del procesador (cantidad de plazas y transiciones). - Procesadores con tiempo y procesadores temporales. - Arquitectura heterogénea, que permite distribuir los recursos empleados para instanciar el procesador según se requiera, y obtener un ahorro sustancial. - La posibilidad de configurar el procesador en pos de obtener los requerimientos y minimizar los recursos. Muy valorado en la construcción de sistemas embebidos. En los sistemas con alta necesidad de concurrencia y sincronización, donde se ha evaluado este procesador, las prestaciones han mostrado una importante mejora en el desempeño. El procesador tiene la capacidad de resolver simultáneamente, por conjuntos múltiples disparos, lo que disminuye los tiempos de consulta y decisión, además los programas ejecutados cumplen con los formalismos de las RdP extendidas y sincronizadas, y los resultados de su ejecución son determinísticos. Los tiempos de respuesta para determinar una sincronización son de dos ciclos por consulta (entre la solicitud de un disparo y la respuesta).

Un Sistema de Tiempo Real (STR) debe garantizar que sus resultados, además de correctos, cumplan también con un conjunto de restricciones temporales. En general, esto implica asegurar que sus tareas finalicen su ejecución antes de un vencimiento. Para cumplir esto, la predictibilidad y el determinismo adquieren suma importancia. El campo de aplicación clásico de los STR ha sido la industria, como por ejemplo la aviónica, la exploración espacial, equipamiento médico, sistemas de control, etc. Todos estos sistemas tienen en común el de ser de misión crítica, donde un fallo tiene consecuencias graves, como pérdidas materiales y económicas, daños al medio ambiente o poner en riesgo la vida humana. Por lo general estos sistemas son estáticos, y utilizan arquitecturas de hardware y algoritmos de efectividad comprobada. En muchas ocasiones su diseño e implementación es ad-hoc. Sin embargo, en las últimas décadas el campo de aplicación de los STR se ha extendiendo. En la actualidad son utilizados en ámbitos y productos de lo más variados: electrodomésticos, productos electrónicos de consumo, telefonía celular, automóviles, comunicaciones, sistemas de reservas de pasajes, etc. Muchos de estos sistemas están constituidos tanto por tareas críticas como por tareas no-críticas. Un fallo en la ejecución de las primeras tiene consecuencias graves, en tanto que el incumplimiento de las restricciones temporales de las últimas afecta la calidad de servicio esperada. Es vital entonces que las tareas no-críticas no afecten la correcta ejecución de las tareas críticas. Un STR con estas características se denomina heterogéneo. En los últimos años, gracias al incremento de la potencia de cálculo de los microprocesadores, y la reducción de sus costos, el número de STR que permiten que coexistan estos dos conjuntos de tareas ha aumentado. Para lograr una correcta ejecución de un STR heterogéneo, se requiere de técnicas que calculen y administren en línea, el tiempo ocioso disponible. De esta manera, el planificador puede mantener la garantía decumplimiento de las constricciones temporales de las tareas críticas, y al mismo tiempo brindar una atención aceptable a las tareas sin requerimientos estrictos. En la actualidad, microprocesadores más potentes abren la posibilidad de implementar estos métodos incluso en sistemas que antaño contaban con muy baja potencia de cálculo. Sin embargo, la sobrecarga que agregan no es despreciable, por lo que reducir el costo computacional de estos métodos sigue siendo de suma utilidad, aún cuando se dispone de hardware con mayor capacidad de computo. Existe una amplia literatura que aborda la problemática de la planificación de STR heterogéneos. Sin embargo, existe una brecha significativa entre los desarrollos teóricos en la disciplina, y las técnicas efectivamente utilizadas en la industria. Es necesario poder comprobar el costo real y las ventajas y desventajas objetivas de implementar los modelos teóricos de punta. Muchos modelos teóricos no tienen en cuenta costos adicionales presentes en implementaciones concretas. Estos son comúnmente considerados despreciables en la modelización, a fin de simplificar el análisis, la evaluación y el desarrollo del sistema. Como consecuencia, en la implementación real se estos parámetros se sobrestiman, lo que resulta en una menor eficiencia del sistema. Un ejemplo común es el uso de microprocesadores con una capacidad de cálculo por encima de la realmente requerida, lo que impacta negativamente en el consumo de energía y en los costos. Un modelo más detallado en la etapa de diseño, implementación y verificación, permitiría mejorar el desempeño del sistema final, sin abandonar la garantía de predictibilidad temporal. Igualmente importantes, se deben contar con técnicas y herramientas que permitan implementar estos modelos métodos teóricos de manera eficiente. La presente tesis se basa en la hipótesis de que los STR heterogéneos pueden ser eficaces en la planificación de sus conjuntos de tareas y en el uso de sus recursos computacionales. Bajo esta premisa, se presentan nuevos modelos y mejoras a modelos ya existentes, junto con simulaciones, pruebas y desarrollos necesarios para su verificación. El trabajo se basa fuertemente en la implementación práctica de los resultados teóricos, identificando las dificultades reales que su puesta en práctica trae aparejado. De esta manera, se busca reducir la brecha existente entre los resultados obtenidos por la investigación científica en la disciplina de los STR, y aquello concretamente utilizado e implementado realmente en la industria, la investigación y el desarrollo tecnológico. / A Real-Time System (RTS) must warrant that its results are correct and fulfill a set of temporal restrictions. This implies that each task completes its execution before a specific deadline. In order to accomplish this, the predictibility and determinism of the system as a whole is very important. These kind of systems are used in several industries, like aircraft avionics, space exploration, medical equipment, etc., which are mission critical. A failure in this systems could have catastrophic consequences, like loss of human lives. Most of the time the design and implementation of these systems is ad-hoc. In the last decades, thanks to the growth and sophistication of embedded systems, the application domain of the RTS increased. Nowdays they can be found on consumer electronics, cellphones, communications systems, cars, etc. A lot of these new kind of real-time systems are composed of both critical and noncritical tasks. A failure in the execution of the former have severe consequences, but a missed deadline of the later only affects the quality of service. Such a RTS is known as a heterogeneus one. In order to accomplish a correct execution of a heterogeneus RTS, methods and techniques that calculates and manages the system idle-time are needed. With these tools, the system scheduler can guarantee that all the time-critical tasks fulfill their deadlines. Nonetheless, these techniques add an execution overhead to the system. Although severalworks in the literature proposes solutions for many of the scheduling problems in a heterogeneus RTS, a gap exists between these results and what is actually used and implemented in the industry. Many theoretical models do not take into account the additional costs present in a concrete implementation. These are commonly considered negligible in order to simplify the analysis, evaluation and development of the system. As a consequence, some parameters are overestimated, resulting in reduced system efficiency. A common scenario is the use of microprocessors more powerful than required, with negative impact on energy consumption and production costs. A more detailed model in the design and implementation stage could improve the performance of the final system, without abandoning the guarantee of temporal predictability. Equally important, there must be techniques and tools that allow the implementation of these theoretical results. The working hipothesis of this thesis is that a heterogeneus RTS could be efficient in the scheduling of their tasks and resources. Following this premise, new models and improvements to existing ones are presented, in conjunction with several simulations and implementations of the theoretical results, in order to identify the real difficulties that the implementation brings about. This seeks to reduce the gap between the scientific research in the discipline of RTS and what actually implemented in the industry.