Điện toán thời gian thực: Cổng vào Internet of Things

(PCWorldVN) Xu hướng của ngành công nghiệp điện toán trong tương lai nâng tầm quan trọng của độ chính xác hơn là tốc độ xử lý.

• Đánh giá rủi ro theo thời gian thực
• Google thêm tính năng tìm kiếm thời gian thực
• IoT trong đô thị thông minh: Cần tính kết nối và bảo mật
• 5 thiết bị IoT không nên kết nối công khai
• Nguồn năng lượng mới cho các thiết bị IoT

Điện toán thời gian thực

Điện toán thời gian thực có nghĩa là hệ thống nhận được nhiều hơn một phản hồi ngay lập tức sau khi nhấn Enter. Trong thực tế, ý nghĩa thực sự của nó liên quan đến việc giao tiếp với các thiết bị đang thực hiện những công việc cùng thời điểm. Hệ thống thông tin thời gian thực không chỉ đơn giản là đưa ra kết quả chính xác mà còn phải xử lý trong khoản thời gian rất ngắn. Mỗi thành phần của hệ thống đều phải nằm trong thời gian thực và các hoạt động được đặc trưng bởi khoảng thời gian tính toán (Ci)  hay kỳ hạn (Di) – là khoảng thời gian tối đa cho một nhiệm vụ (task), và trong trường hợp có những nhiệm vụ thực hiện theo chu kỳ với khoảng thời gian xác định (Ti).

Lấy ví dụ, Gleason 600HTL Turbo Lapper, thiết bị điều khiển được thiết kế bởi viện nghiên cứu Viewpoint Systems và được sử dụng trong ngành cơ khí chính xác. Hệ thống này được sử dụng để tạo ra những bộ bánh răng côn cho các nhà sản xuất xe hơi. Về tiêu chuẩn sản xuất bộ bánh răng này, thì việc đánh bóng phải đạt ở tốc độ 3.100 vòng/phút, đi qua mỗi điểm tiếp xúc khoảng 52 lần/giây.

Nhưng Viewpoint đã tích hợp vào các bộ điều khiển một hệ thống tính toán thời gian thực từ National Instruments (NI), có thể tăng tốc độ tiếp xúc giữa các bánh răng nhanh hơn khoảng 20 lần, tức là 1.000 lần/giây. Bằng cách thay đổi tốc độ vòng quay, hệ thống có thể giúp phát hiện các điểm lỗi và sửa chữa kích thước của bánh răng. Việc này không chỉ cải thiện thời gian hoàn thành sản phẩm mà còn đảm bảo độ chính xác của việc tiếp xúc các bánh răng của thành phẩm sau khi hoàn thành.

Công nghệ ứng dụng trong chứng khoán

Thời gian thực và tốc độ cao

Trong khi các thành quả đạt được khá tích cực thì việc thay đổi khả năng xử lý được tính bằng 1/1.000 giây cũng rất đáng chú ý trong thời đại gigahertz. Nếu ta cho rằng, phải là các ứng dụng điều khiển có yêu cầu thời gian tính toán rất nhanh mới gọi là điều khiển thời gian thực, thì một câu hỏi sẽ được đặt ra là: như thế nào mới được gọi là nhanh?

Khi đề cập về hệ thống thời gian thực, có một số quan niệm sai lầm phổ biến, đặc biệt là các tương tác trong khoảng micro hoặc nano giây làm tiêu chuẩn, còn việc xử lý lâu hơn thì không phải. Tuy nhiên, để hiểu đúng thì thời gian thực có nghĩa là hệ thống hoạt động chính xác không chỉ phụ thuộc vào kết quả, mà còn phụ thuộc vào thời điểm đưa ra kết quả.  Hệ thống sẽ có lỗi khi yêu cầu về thời gian không được đáp ứng bởi trong  hệ thống thời gian thực  thì khả năng  xử lý tiền định trước đó đã xác định đáp ứng các nguồn dữ liệu đầu vào. Thông thường ở đây là những hệ thống mạng vật lý, được sử dụng để quản lý quá trình tương tác.

Nhiều người thường nhầm lẫn hệ thống thời gian thực với máy tính tốc độ cao, chẳng hạn như giao dịch tài chính hoặc cá cược thể thao. Sự khác biệt ở đây là đối với máy tính tốc độ cao thì người ta đang nói về mức hoạt động trung bình trong một khoảng thời gian nào đó có thể tính bằng 1/1000 giây. Nhưng hệ thống thời gian thực còn sử dụng các quá trình tính toán đồng thời để có thể phản ứng với nhiều sự kiện diễn ra cùng một lúc.

IoT với nền tảng là điện toán đám mây

Việc chế tạo các bánh răng cần có độ chính xác cao cùng với tốc độ xử lý cực nhanh.

Thời gian thực mở ra cánh cổng đối với Internet of Thing

Xu hướng hiện nay của ngành công nghiệp máy tính là việc hệ thống ngày càng có hiệu suất lớn hơn trong khi giá thành đang giảm xuống nhanh chóng. Điều này đã diễn ra trong khoảng hơn 10 năm vừa qua và phần lớn đến từ sự bùng nổ của điện thoại thông minh.

Đối với lĩnh vực  điện toán thời gian thực, những bộ điều khiển ít tốn kém nhưng mạnh mẽ sẽ được tối ưu hóa cho việc giao tiếp giữa các thiết bị với nhau. Và hiện tại cũng chỉ có Internet of Things mới cần đến chúng.

Điều này giống như những chiếc máy tính để bàn hồi thập niên 80 đã làm cuộc cách mạng cho giới văn phòng. Tương tự như vậy, sự kết hợp của việc thu thập, phân tích dữ liệu và hệ thống phần cứng điều khiển có thể là cuộc cách mạng mới trong ngành công nghiệp sản xuất. Nhiều năm trước, doanh nghiệp chỉ có hệ điều hành và các trình điều khiển, ngày nay những điểm cơ bản đó còn phải có thêm middleware, ứng dụng, kết nối. Và yêu cầu mới được đặt ra là tât cả mọi thành phần của hệ thống có thể được sử dụng trong môi trường thời gian thực với hiệu suất đạt được tối đa ở mọi thời điểm.

Điều này giống như những  kì vọng mà Cisco thường đề cập đến môi trường mới được kì vọng là nơi công cụ cho phép hệ thống có thể tiếp cận với tất cả mọi người mà không cần mất nhiều thời gian để học hỏi và nắm bắt. Đơn giản chỉ cần một ý tưởng tốt là đã tạo ra được giải pháp cho Internet of Things.

Điển hình như ví dụ về việc chế tạo bánh răng cho xe hơi đã đề cập ở trên. Từ lúc lên ý tưởng cho đến giai đoạn thử nghiệm chỉ mất khoảng 6 tháng nhờ vào sức mạnh của  những hệ thống thông dụng. Giải pháp mới sử dụng  thiết bị NI CompactRIO, trong đó bao gồm một bộ điều khiển, mạch tích hợp cỡ lớn với cấu trúc mảng phần tử logic mà người dùng có thể lập trình được (FPGA), hệ điều hành thời gian thực -  RTOS, ngôn ngữ lập trình thời gian thực NI's LabVIEW và modun cổng giao tiếp I/O với nhiều thiết bị mở rộng khác. Nói chung, phần mềm ứng dụng trên thiết bị thời gian thực có khả năng tùy biến rất cao và một số hệ thống cao cấp như máy bay hoặc máy MRI có thể có hàng triệu dòng mã. Tuy nhiên, ngày nay trên các ứng dụng thường có lớp giao diện đồ họa người dùng và được dựa trên các nền tảng phổ thông.

Thiết bị NI CompactRIO

Thời gian thực mở ra cánh cổng cho xu hướng Internet of Things

Thách thức và cơ hội

Cuộc cách mạng mới của điện toán thời gian thực sẽ có không ít những trở ngại trên con đường phát triển. Điểm đáng chú ý nhất ở đây là thiếu các tiêu chuẩn giao diện. Bộ điều khiển logic lập trình có tới hơn 20 giao thức khác nhau và mỗi nhà sản xuất là một cái riêng biệt. Những nỗ lực thống nhất tạo nên chuẩn tương tác mới đang được diễn ra bởi tổ chức Industrial Internet Consortium nhưng tất cả chỉ mới là bắt đầu.

Nhưng dù cho nền tảng này có được một chuẩn kết nối thì phát sinh mới xảy ra đó là các vấn đề về an ninh bảo mật. Gartner chỉ ra rằng, các nhà cung cấp điện toán thời gian thực đang đối  mặt với những thách thức về tính an toàn và bảo mật trong không gian rộng lớn của Internet of Thing. Hiện nay không có những thiết lập chuẩn vững chắc trong việc phát triển và triển khai các hệ thống nhúng. Một cuộc điều tra chỉ ra rằng, 70% các nhà sản xuất đang cố gắng hoàn thiện hệ thống an ninh, còn 30% còn lại vẫn chưa biết phải bắt đầu từ đâu.

Ngoài hai yêu tố vừa nêu ra thì chi phí và thời gian tới thị trường còn nhiều hạn chế. Những công ty RTOS như Green Hills Software dành hàng ngàn USD cho các dòng lệnh bảo mật để hệ thống của mình có thể được an toàn, trước khi bổ sung thêm các tính năng cũng như hoàn thiện giao diện. Nhưng cho dù thế nào đi nữa thì luôn có những cuộc tấn công và điều an toàn nhất chỉ có là không kết nối máy tính với bất cứ điều gì. Đó cũng là một giải pháp và các mạng riêng không được kết nối với Internet công cộng có thể sẽ được phổ biến với người dùng doanh nghiệp trong hệ thống Internet of Thing.

An ninh có được đảm bảo hay không thì việc hợp nhất sức mạnh của điện toán thời gian thực vẫn là một điều tất yếu và đây chính là một phần trong Internet của vạn vật.

Điện toán thời gian thực là tương lai và trước đó thì chúng ta cần khả năng tương tác và chúng ta cần tiêu chuẩn.

RTOS xuất hiện trong các bộ định tuyến RTOS (real time operating system) là một hệ điều hành đa nhiệm trong đó các tác vụ được thực thi một cách song song đối với người dùng. Các ứng dụng cần được thực thi với thời gian thật chính xác, các lỗi phát sinh cần được cô lập và xử lý nhanh chóng. Mọi sự chậm trễ, lỗi phát sinh không lường trước có thể khiến hệ thống bị đổ vỡ. Vì vậy, RTOS sử dụng trong những ứng dụng yêu cầu thời gian đáp ứng nhanh, chính xác về thời gian. Trong hệ thống vi điều khiển có tài nguyên rất giới hạn, do đó hệ điều hành này chỉ tập trung vào một số ít các tính năng. Chúng cố gắng tối ưu tối đa số luồng, bộ lập lịch và các tác vụ (task) trên một hệ thống cỡ nhỏ. Thông thường, RTOS là một phân đoạn hoặc một phần của chương trình, trong đó nó giải quyết việc điều phối các tác vụ, lập lịch và phân mức ưu tiên cho task, nắm bắt các thông điệp gửi đi từ task. Các chức năng cơ bản của một RTOS: •     Bộ lập lịch (scheduler). •     Dịch vụ thời gian thực (realtime services). •     Đồng bộ và xử lý thông điệp (synchronization and messaging). Chúng ta có thể tìm thấy RTOS trong các bộ định tuyến và chuyển mạch trên mạng, động cơ xe, máy nhắn tin, điện thoại di động, thiết bị y tế, thiết bị đo lường và điều khiển công nghiệp và các vô số ứng dụng khác.

PC World VN, 10/2015