Chapter 4

Introduction

Real-time systems are designed to react to external events within precise timing constraints. Examples include:

• Engine Controllers
• Seatbelt Monitors

Deadline Characteristics

• Periodic Tasks: Execute at regular intervals (e.g., multiple-rate periodicity).
• Aperiodic Tasks: Occur irregularly. Deadlines are classified as:
• Hard Deadlines: Missing the deadline causes system failure.
• Soft Deadlines: Missing the deadline results in degraded performance. The software architecture of such systems can adopt various strategies, including:
• Super Loop Architecture
• Foreground/Background Architecture
• Scheduling of multiple processes (Multiple scheduling policies)

---

Super Loop Architecture

The Super Loop Architecture is a straightforward structure where an infinite loop continuously executes tasks sequentially.

void main(void) {
    /* Initialization */
    while (1) {
        Task1();
        Task2();
        Task3();
    }
}

Key Features

1. Initialization: Performed once before entering the loop.
2. Task Execution: Tasks are executed sequentially within the infinite loop.
3. Loop Behavior: A variant of batch processing, operating cyclically.

Challenges

• Determinism: Response time depends on the loop’s execution time, making it unpredictable.
• Responsiveness: Timely response is hard to guarantee for tasks with strict deadlines.
• Polling Periodicity: Ensuring precise timing for task execution is challenging.
• Multi-rate Systems: Handling tasks with widely varying frequencies is impractical.

Advantages

• Simple to implement.
• Minimal hardware resource requirements.
• Highly portable.

Disadvantages

• Inaccurate timing.
• High power consumption.

Flow

graph TD
    A[Initialization] --> B[Start Infinite Loop]
    B --> C[Execute Task 1]
    C --> D[Execute Task 2]
    D --> E[Execute Task N]
    E --> B

---

الملخص

الـ Super Loop من أبسط أنظمة البرمجة في العموم. هو برنامج فيه لوب لانهائي بتتنفذ فيه المهام المطلوبة ورا بعض.

مشكلته

• الاستجابة: لو فيه حاجة حصلت وأنت في نص مهمة تانية بيبقى صعب تستجيب سريعا.
• توقيت مهمات: مش دقيق لأن الحساب مش ثابت.

مثال بسيط

تخيل بودا في مكتب بيمر على كل درج ويفتحه يشوف فيه فلوس ولا لا. لو فلوس بياخدها ويكمل مع الباقي.

---

Foreground/Background Architecture

The Foreground/Background Architecture divides system operations into two levels:

1. Foreground: Handles asynchronous, time-critical tasks via Interrupt Service Routines (ISRs).
2. Background: Executes less critical tasks sequentially within an infinite loop.

void main(void) {
    /* Initialization */
    while (1) {
        ADC_Read();
        SPI_Read();
        USB_Packet();
    }
}
 
void ISR_USB(void) {
    Clear_Interrupt();
    Read_Packet();
}

Key Features

1. Interrupt-Driven Foreground: Reactive tasks respond to events immediately.
2. Background Tasks: Use remaining CPU cycles for non-critical operations.

Challenges

• Responsiveness: Longer interrupt latency may delay critical responses.
• Determinism: Task response times are difficult to predict due to non-uniform execution times.
• Complexity: Becomes difficult to manage for systems requiring multi-rate scheduling.

Advantages

• Faster response to critical events.
• Efficient use of CPU resources.

Disadvantages

• Increased complexity with growing task diversity.
• Longer interrupt latency for deeply nested ISRs.

Flow

الملخص

العمل المشترك ما بين الخلفية والمقدمة في النظام ده بيعتمد على تقسيم الوظائف:

• المقدمة (الفورية): معالجة الاحداث من خلال مقاطعة الإشارات.
• الخلفية: بتشتغل في وقت فراغ المعالج لإنجاز المهام الأقل ضرورة.

مثال بسيط

تخيل بودا بواب بيفتح البوابة كل ما يسمع الجرس (المقدمة) ويسرق في الوقت الفاضي (الخلفية).

---

Multi-Rate Systems

Multi-Rate Systems manage tasks with varying timing requirements, including synchronous and asynchronous tasks.

Key Characteristics

• Synchronous Periodic Tasks: Repeat at different rates (e.g., spark control every 2 ms).
• Aperiodic Tasks: Triggered by irregular events (e.g., button press).
• Modern Applications: Common in systems like automobile engine controllers.

Challenges

• Keeping track of both synchronous and asynchronous tasks.
• Applying different timing requirements to each task type.
• Major limitations of Super Loop and Foreground/Background Architectures in handling multi-rate systems effectively.

---

الملخص

في أنظمة المعالجة متعددة السرعات:

• المهام الدورية: بتتنفذ في مواعيد محددة ومختلفة في نفس الوقت.
• المهام غير الدورية: بتحصل غير منظمة ولازم تعامل مختلف مع متطلباتها.

مثال بسيط

تخيل بودا بيسرق كل 2 ثانية ويتوب كل 1000 ثانية. كل مهمة لها توقيتها والنظام يعتمد على التنسيق بين هذه المهام.

مقارنة سريعه

النوع	المميزات	العيوب
Super Loop	بسيط وسهل التنفيذ.	غير دقيق في التوقيت.
	لا يحتاج موارد كبيرة.	صعوبة في التعامل مع المهام متعددة السرعات (Multi-rate).
	سهل النقل بين الأنظمة.	استجابة بطيئة للأحداث الطارئة.
Foreground/Background	استجابة أسرع للأحداث الحرجة من خلال الانتربت (Interrupts).	تعقيد أكبر مع زيادة عدد المهام.
	استغلال فعال لقدرات المعالج.	زمن تأخير الانتربت قد يؤخر المهام الحرجة.
		تحديات في التحكم في الأنظمة متعددة السرعات.
Multi-Rate Systems	يمكنه التعامل مع المهام الدورية وغير الدورية بمواقيت مختلفة.	يتطلب تنسيق معقد بين المهام المختلفة.
	مناسب للتطبيقات الحديثة مثل أنظمة السيارات.	صعب التنفيذ باستخدام Super Loop أو Foreground/Background.

ملخص بسيط

• Super Loop: مناسب لو المهام بسيطة ومش محتاجة توقيت دقيق، لكن استجابته بطيئة ومش هينفع مع الأنظمة المعقدة.
• Foreground/Background: أحسن في التعامل مع الأحداث الفورية لكنه معقد شوية وصعب يظبط توقيت المهام المتعددة.
• Multi-Rate Systems: أحسن حاجة للأنظمة الحديثة والمعقدة زي أنظمة السيارات، بس محتاج نظام إدارة قوي ومناسب ليه.