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 no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/6067 / Palancia

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).

[ES] La presente tesis propone un nuevo entorno general para la construcción de sistemas flexibles de tiempo real estricto, esto es, sistemas que necesitan de garantías de tiempo real estricto y de un comportamiento flexible. El entorno propuesto es capaz de integrar tareas con varios niveles de criticidad y diferentes paradigmas de planificación en el mismo sistema. Como resultado, el entorno permite proporcionar garantías de tiempo real estricto a las tareas críticas y además conseguir una planificación adaptativa e inteligente de las tareas menos críticas. El entorno se define en términos de un modelo de tareas, una arquitectura software y un conjunto de servicios. El modelo de tareas propone construir una aplicación flexible de tiempo real estricto como un conjunto de tareas, donde cada tarea se estructura en una secuencia de componentes obligatorios y opcionales. La arquitectura software propone separar la ejecución de las tareas en dos niveles de planificación interrelacionados, de manera que un nivel planifica los componentes obligatorios mediante una política de planificación de tiempo real estricto mientras que el otro nivel planifica los componentes opcionales mediante una política de planificación basada en la utilidad. El conjunto de servicios incluye, por una parte, un sistema de comunicación entre los componentes de las tareas (tanto obligatorios como opcionales) y, por otra, una serie de mecanismos para la detección y tratamiento de excepciones temporales producidas en ejecución. Por otra parte, la presente tesis muestra que el entorno teórico propuesto puede ser implementado realmente. En concreto, se presenta el diseño e implementación de un sistema de ejecución (es decir, un núcleo de sistema operativo) capaz de soportar las características de dicho entorno. Este sistema, denominado Flexible Real-Time Linux (FRTL), ha sido desarrollado a partir de un núcleo mínimo existente denominado Real-Time Linux (RT-Linux). Finalmente, esta tesis presenta una caracterización temporal completa del sistema FRTL y medidas reales de su sobrecarga. La caracterización temporal ha permitido el desarrollo de un test de garantía completo de todo el sistema (incluyendo la aplicación y el núcleo de FRTL), que puede ser utilizado para verificar las restricciones temporales de cualquier aplicación implementada sobre FRTL. Por su parte, las medidas de la sobrecarga de FRTL muestran que este núcleo ha sido diseñado e implementado de manera eficiente. En conjunto, se demuestra que el núcleo FRTL es a la vez predecible y eficiente, dos características que informan de su utilidad en la implementación real de aplicaciones flexibles de tiempo real estricto. / [CA] Aquesta tesi proposa un nou entorn general per a la construcció de sistemes flexibles de temps real estricte, això és, sistemes que requereixen garanties de temps real estricte i un comportament flexible. L'entorn proposat és capaç d'integrar tasques amb diferentsnivells de criticitat i diferents paradigmes de planificació al mateix sistema. Com a resultat, l'entorn permet proporcionar garanties detemps real estricte a les tasques crítiques i a més aconseguir una planificació adaptativa i intel¿ligent de les tasques menys crítiques. L'entorn es defineix en termes d'un model de tasques, una arquitectura software i un conjunt de serveis. El model de tasques proposa la construcció d'una aplicació flexible de temps real estricte com a un conjunt de tasques on cadascuna és estructurada com una seqüència de components obligatòries i opcionals. L'arquitectura software proposa la separació de l'execució de les tasques en dos nivells de planificació interrelacionats, de manera que un nivel planifica les components obligatòries mitjançant una política de planificació de temps real estricte mentre que l'altre nivell planifica les components opcionals mitjançant una política de planificació basada en la utilitat. El conjunt de serveis inclou, per una part, un sistema de comunicació entre les components de les tasques (tant obligatòries com opcionals) i, per una altra, una sèrie de mecanismes per a la detecció i tractament d'excepcions temporals produïdes en execució. Per altra banda, la present tesi mostra que el proposat entorn teòric pot ésser implementat realment. En concret, es presenta el diseny i la implementació d'un sistema d'execució (es a dir, un nucli de sistema operatiu) capaç de suportar les característiques d'aquest entorn. Aquest sistema, anomenat Flexible Real-Time Linux (FRTL), ha sigut desenvolupat a partir d'un nucli mínim existent anomenat Real-Time Linux (RT-Linux). Finalment, aquesta tesi presenta una caracterització temporal completa del sistema FRTL i mesures reals de la seua sobrecàrrega. La caracterització temporal ha permés el desenvolupament d'un test de garantia complet de tot el sistema (incloent l'aplicació i el nucli FRTL), que pot ésser utilitzat per a verificar les restriccions temporals de qualsevol aplicació implementada sobre FRTL. Per la seua part, les mesures de la sobrecàrrega de FRTL mostren que aquest nucli ha sigut disenyat i implementat de manera eficient. En conjunt, es demostra que el nucli FRTL és al mateix temps predible i eficient, dos característiques que informen de la seua utilitat a la implementació real d'aplicacions flexibles de temps real estricte. / Terrasa Barrena, AM. (2001). Flexible Real-Time Linux a New Environment for Flexible Hard Real-Time Systems [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/18060