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Sistemas de Tiempo Real y Lenguajes de Programación

• El tema central son los sistemas de tiempo real y los lenguajes de programación utilizados en ellos.

Contextualización de los Lenguajes de Programación

• Los lenguajes de programación en sistemas de tiempo real se analizan a partir de una introducción a la programación secuencial y concurrente.
• Se estudia Ada en detalle, incluyendo sus tipos, estructuras de control y paquetes.
• Se incluyen el estudio de tareas, objetos protegidos y comunicación.
• Se incluyen tareas periódicas y a periódicas, inversión prioridades, pragmas de programación y manejadores de dispositivos.

Índice de Contenidos

• Se consideran los requisitos para lenguajes de programación en sistemas de tiempo real.
• Los lenguajes secuenciales y concurrentes son importantes.
• Se compara C vs. Ada.
• El soporte de ejecución es un aspecto clave.

Elección del Lenguaje de Programación

• Una pregunta central es qué lenguaje de programación es el más adecuado para implementar un Sistema de Tiempo Real (STR).
• Se destacan los lenguajes ensambladores, secuenciales y concurrentes.
• En la evolución de lenguajes de programación se citan ALGOL, FORTRAN, COBOL y LISP.
• En los 1970's, Pascal y C.
• En los 1980's Modula-2 y ADA83.
• En los 1990's: Objective C, ADA95, Java y C++.

Requisitos en Sistemas de Tiempo Real

• Es necesario modelar el paralelismo del entorno mediante concurrencia.
• Se requiere gestionar y controlar el tiempo de forma adecuada.
• Se incluyen relojes y temporizadores.
• Los manejadores de errores (excepciones) son importantes para la robustez.
• Se requieren manejadores de interrupciones y definición de tipos con registros de dispositivos.
• Se utilizan modelos de objetos y tipos de datos orientados a objetos.
• Importante la compilación separada, transportable y eficiente.

Lenguajes para Sistemas Críticos y de Tiempo Real

• Los lenguajes más utilizados son C, C++ y Ada.
• C es popular por su eficiencia y proximidad al sistema operativo, aunque no ofrece muchas características deseables como concurrencia.
• C++ añade un modelo de objetos y concurrencia a C, pero carece de abstracciones propias de tiempo real.
• Ada está diseñado para sistemas empotrados de tiempo real y proporciona las características deseables.
• Method-Based Design permite la generación de código a partir de herramientas de modelado (Matlab Simulink).

Lenguajes Secuenciales

• Tienen un único flujo de control (thread o tarea).
• Poseen una estructura clara y son fáciles de analizar y depurar.
• En C el código realiza un incremento de una cantidad determinada de una variable global, mostrando pre y post condiciones.
• En ADA el código realiza un incremento de una cantidad determinada de una variable global, mostrando pre y post condiciones.

Lenguajes Concurrentes

• Permiten definir varios flujos de control que se ejecutan de forma concurrente.
• Se requiere planificación y mecanismos de comunicación/sincronización.
• Presentan problemas para la validación y depuración.
• Necesitan un soporte de ejecución (Runtime Support RTS).

Lenguaje Secuencial y su Dependencia del S.O. (API)

• Dependencia del Sistema Operativo a través de su API (Interfaz de Programación de Aplicaciones).
• Se utilizan abstracciones como procesos y threads.
• Se hace uso de la comunicación y sincronización que proporciona el API.
• El uso de ficheros y el manejo de excepciones también son aspectos importantes.

Tareas en C

• El ejemplo muestra cómo se crean tareas en C utilizando pthreads.
• Se define el número de tareas (NumeroTareas = 5).
• Se crea una función Sumador que incrementa un contador.
• Las tareas se crean y se espera a que terminen mediante pthread_join.
• Se verifica el resultado final.

Lenguaje Concurrente y su Dependencia del S.O. (API)

• Al igual que con los lenguajes secuenciales, existe una dependencia del Sistema Operativo a través de su API.
• El lenguaje concurrente necesita un soporte de ejecución.
• Igual que el secuencial, se utilizan abstracciones como procesos y threads.
• Igual que el secuencial, la comunicación y sincronización que proporciona el API son importantes.
• Igual que el secuencial, el uso de ficheros y el manejo de excepciones también son aspectos importantes.

Tareas en ADA

• Se muestra cómo se crean tareas en Ada utilizando la palabra clave task.
• Se define el número de tareas (NumeroTareas = 2).
• Se crea un tipo de tarea sumador que incrementa un contador.
• Las tareas se lanzan automáticamente al inicio del programa.
• Se espera a que terminen usando un bucle y un retardo.
• Se verifica el resultado final.

Programación Concurrente

• Las "razas" de código son endémicas en proyectos grandes debido a la inadecuación de las primitivas de sincronización tradicionales.
• La dificultad de manejar el acceso concurrente a datos lleva a ingenieros experimentados a evitarlo.
• La popularidad de Node.js y la programación reactiva/async (ej. Python Starlette) son alternativas para evitar problemas de concurrencia.

Lenguaje C

• Es uno de los lenguajes de programación más populares.
• Es un lenguaje sencillo y poco estructurado.
• Permite definir tipos de datos por el usuario, no exige una definición estricta de datos y es de nivel relativamente bajo.
• Permite la compilación separada además de ser barato y eficiente.

Versiones del Lenguaje C

• C común: Apareció en 1978, ligado al sistema operativo UNIX.
• C ANSI o C ISO: Estandarización en 1988 y luego en 1995 y 1999. Versión no ambigua y portable con asignación de estructuras, tipos enumerados, prototipos de funciones y librerías estándar.

Lenguaje C++

• Es un lenguaje derivado del C, pero más complejo.
• Incluye definición de módulos (clases), programación orientada a objetos, tipificación más estricta, tratamiento de excepciones y plantillas.
• C++ fue estandarizado en 1998.

Lenguaje Ada

• Ada es un lenguaje específicamente desarrollado para sistemas de tiempo real y sistemas empotrados.
• Fue promovido por el Departamento de Defensa de EE.UU.
• Se redactó un documento de requisitos en 1975.
• En 1979 se eligió el desarrollo de CII Honeywell Bull como vencedor y se nombró Ada en honor a Augusta Ada Byron.

Lenguaje Ada Características

• Fuertemente tipado (estricto) y muy estructurado.
• Modelo de objetos, tareas y mecanismos de comunicación y sincronización.
• Modelo de manejo de excepciones y gestión del tiempo.
• Modular (packages) con separación entre la especificación y la implementación.

Filosofía de ADA

• La legibilidad del código es más importante que la concisión.
• El código se debe leer muchas más veces de las que se escribe.
• Tipificación estricta para prevenir errores, El compilador no infiere nada sobre tipos (no interpreta las intenciones del programador).
• Detección de errores en tiempo de compilación.

Lenguaje Ada Características

• Diseñado para sistemas grandes y empotrados.
• Tiene distintas versiones: Ada83, Ada95, Ada2005, Ada 2012, Ada 2022.
• La norma ISO define un núcleo común y no permite la ambigüedad.
• Incluye anexos para sistemas de tiempo real (TR), sistemas distribuidos, programación de sistemas, sistemas de información y cálculo numérico.

Programa Ejemplo en ADA

• Los programas ADA incluyen: Cláusulas de Contexto, especificación del programa y comentarios.
• Se incluyen zonas declarativas el inicio de la secuencia y el fin del programa.

Aspectos Sintácticos en ADA Nombres

• Los nombres se conforman de una secuencia de letras y dígitos, empezando por una letra.
• Se usa "_" para separar partes del nombre.
• Los nombres deberían ser indicativos de lo que denotan deben representar.
• No se distinguen mayúsculas de minúsculas.
• Las palabras reservadas quedan excluidas.

Ada Ravenscar

• Es un subconjunto del lenguaje Ada pensado para sistemas de tiempo real.
• Impone restricciones a la parte concurrente del lenguaje para permitir análisis temporales.
• Permite un modelo de ejecución concurrente determinista y una implementación eficiente del núcleo de ejecución.
• Permite una implementación de "implementación pequeña y eficiente" y el código permite que las tareas puedan responder a plazos muy cortos.

Lenguaje Cy ADA Comparación

• Notación segura: asignación
• ADA: el código tiene la siguiente estructura

if (theSignal = Clear) then
 OpenGates(....);
 StartTrain(...);
end if;

Lenguaje Cy ADA Comparación

• Arrays
• En el caso de ADA la sintaxis segura debe incluir el índice dentro del rango, si no CONSTRAINT_ERROR.

ADA Concurrencia

• ADA incluye: Tareas, comunicación/sincronización, objetos protegidos y manejo de excepciones.
• Los programas incluyen:

task Periodic_Task is
pragma Priority(10);
end Periodic_Task;

task body Periodic_Task is
 Periodo : Time_Span; Siguiente: Time;
begin
 Siguiente := Clock;
 loop
 -- Acciones
 Siguiente := Siguiente + Periodo;
 delay until Siguiente;
 end loop;
end Periodic_Task;

Lenguaje Cy ADA Comparación Concurrencia

-C no tiene modelo de concurrencia, se debe usar él ofrecido por el S.O. para generar tareas internas.

• El compilador de Cno tiene la semántica de las llamadas.

Programas C y ADA

• Se muestra un pseudocódigo de código ADA
• Se muestra un código de programa C que hace tareas cada periodo con una espera "delay" antes de volver a lanzarse.

Cy ADA Creación de Tareas

• Código C P/OSIX usando pthread
• Para varias tarea se puede usar un bucle para lanzar una tarea en cada ciclo.

C/ARINC65

• Se puede usar el código para tareas en lenguaje C
• Para varias tarea se puede usar un bucle para lanzar una tarea en cada ciclo.

De C a ADA

• Se presenta un diagrama de flujo del código, para su implementación en C y ADA
• Con sus respectivas sintaxis en ambos lenguajes.