Лекция 6. Тема: Системы реального времени

Тема: Системы реального времени

План

1. Общие сведения о системах реального времени (СРВ). Определения.

2. Классификация СРВ, режимы реального времени.

3. Компоненты СРВ.

4. Операционные системы реального времени (ОСРВ).

5. Архитектура ОСРВ, требования к ОСРВ.

6. Задачи, процессы, потоки.

7. Современные ОСРВ: Vx Works, Windows CE, QNX.

Ключевые слова

Система реального времени, жесткое реальное времени, мягкое реальное время, система управленич, отказ, время отклика, время обработки, мультимедиа, программные комплекс, целевая платформа, процесс, потоки, ядрА, операционная система, синхронизация, внешние события, планирование, автоматизация, высокопроизводительные системы, архиткектура, интерфейс, аппаратно-программный комплекс, внешние события, системы автоматизации.

Рассмотрим несколько определений систем реального времени (СРВ). Система называется системой реального времени, если правильность ее функционирования зависит не только от логической корректности вычислений, но и от времени, за которое эти вычисления производятся. СРВ – это любая система, работающая в режиме реального времени.

Режим, при котором организация обработки данных подчиняется темпу процессов вне систем обработки данных, называется обработкой в реальном масштабе времени. СРВ – это системы, которые предсказуемо (в смысле времени реакции) реагируют на непредсказуемые внешние события. В системах управления реальными объектами, построенных на основе реальных компьютеров, процесс управления сводится к решению фиксированного задач. К системам рельного времени могут быть отнесены практически все системы промышленной автоматизации, высокопроизводительные компьютерные системы, процессоры цифровой обработки сигналов, качественно организованная мультимедиа, программа бортового компьютера (fly-by-wire), системы военного и аэрокосмического применения и другие. Подобные системы обязаны поддерживать многоточность, гарантированное время реакции на внешние события, простой доступ к таймеру и внешним устройствам. Способность гарантировать время реакции является отличным признаком СРВ. Системы реально времени, как аппаратно-программный комплекс, включает в себя:

· датчики, регистрирующие события на объекте

· модули ввода/вывода, преобразующие показания датчиков в цифровой вид, пригодный для обработки этих показаний на компьютере;

· компьютер с программой, реагирующей на события, происходящие на объекте.

Главные требования СРВ – эти системы должны выполнять свои операции вовремя. Из определения СРВ вытекает основное свойство СРВ: предсказуемость или детерминированность. Только благодаря этому свойству, разработчик сможет гарантировать функциональность и корректность спроектированной системы. При этом, собственно, скорость реакции системы важна только относительно скорости протекания внешних процессов, за которыми СРВ должна следить или которыми должна управлять.

Система работает в реальном времени, если ее быстродействие адекватно скорости протекания физических процессов на объектах контроля или управления. Система управления должна собрать данные, произвести их обработку в соответствии с заданными алгоритмами и выдать управляющие воздействия за такой промежуток времени, который обеспечивает успешное решение поставленных перед системой задач.

Например, мультимедийные системы предъявляют к системе те же требования, что и промышленные задачи реального времени. В мультимедиа основной проблемой является синхронизация изображения на экране со звуком. Звук генерируется внешним аппаратным устройством с собственным таймером, и изображение синхронизируется с ним. Человек способен заметить малые временные неоднородности в звуковом потоке, а пропуск кадров в визуальном потоке не так заметен. Расхождение же звука и изображения фиксируется человеком уже при задержках около 30мс. Поэтому системы высококачественного мультимедиа должны обеспечивать синхронизацию с такой же или более высокой точностью, что мало отличается от реального времени.

Классификация систем реального времени. Принято различать системы «жесткого» и «мягкого» реального времени.

Системой «жесткого» реального времени называется система, где неспособность обеспечивать реакцию на какие-либо события в заданное время является отказом и ведет к невозможности решения поставленной задачи. Системы жесткого реального времени не допускают никаких задержек реакции системы ни при каких условиях, т.к. может произоти катастрофа в случае задержки реакции (например, не сработала система аварийных блокировок атомного реактора), стоимость опоздания может быть бесконечно велика. Жесткое реальное время требует, чтобы время отклика никогда не превышало срок исполнения (т.е. R ≤ D)

Рис. 1. Жесткое время исполнения.

Примеры: система управления двигателем, система торможения, подушка безопасности.

Точного определения для мягкого времени не существует, поэтому будем считать, что сюда относятся все системы реального времени, не попадающих в категорию жестких. (теоретически не проработаны).

Рис. 2. Мягкое реальное время.

Примеры: экранный редактор, сеть передачи данных, сервер базу данных.

Комбинированное реальное время – режим работы системы, имеющий черты как жесткого, так и мягкого режима.

Основное отличие между системами жесткого и мягкого реального времени в следующем: системы жесткого реального времени никогда не опоздает с реакцией на события, система реального времени не должна опаздывать с реакцией на события.

Примеры: мультимедиа приложения, высокоскоростные системы передачи данных.

Компоненты СРВ. Если СРВ строится как программный комплекс, то в общем виде она может быть представлена как комбинация трехъ компонентов: прикладное программногое обеспечение (потоки), операционная система реального времени (ОСРВ-API, защита) и аппаратное обеспечение (процессор, кэш, устройства). Аппаратная часть СРВ, на которой исполняется ОСРВ и прикладное По принято называть целевой платформой.

Операционная система реального времени, ОСРВ – это ОС, в которой успешность работы любой программы зависит не только от ее логической правильности, но и от времени, за которое она получила этот результат. Применение ОСРВ всегда связано с аппаратурой, с объектом, с событиями, происходящими на объекте. ОСРВ ориентирована на обработку внешних событий и служит только инструментом для создания конкретного аппаратно-программного комплекса реального времени. Все ОСРВ являются много задачными ОС. Задачи делят между собой ресурсы компьютерной системы, в том числе и процессорное время.

По своей внутренней архитектуре ОСРВ можно условно разделить на монолитные ОС, Ос на основе микроядра клиент-сервер и объектно-ориентированные (уровневые).

Ядра предоставляют пользователю такие базовые функции, как планирование и синхронизация задач, межзадачная коммутация, управление памятью и т.п. Операционные системы в дополнение к этому имеют файловую систему, сетевую поддержку, интерфейс с оперетором и другие средства высокого уровня.

Принцип построения монолитных ОС заключается в представлении ОС как набора модулей, взаимодействующих между собой внутри ядра системы и предоставляющих прикладным программам входные интерфейсы для обращения к аппаратуре. Главным недостатком такой архитектуры является плохая предсказуемость ее поведения (из-за взаимодействия модулей системы).

В задачах автоматизации широкое распространение в качестве ОСРВ получили уровневые ОС. Примером такой ОС является система MS-DOS. В этих системах прикладные приложения могли получить доступ к аппаратуре только посредством ядра системы и непосредственно. По сравнению с монолитными ОС такая архитектура обеспечивает большую предсказуемость реакции системы. Недостаток таких систем является отсутствие в них многозадачности.

Одной из наиболее эффективных архитектур для построения ОСРВ считается архитектура клиент-сервер. Общая схема ОС, работающей на этой технологии представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Построение ОСРВ с использованием архитектуры клиент-сервер.

Основным принципом такой архитектуры является вынесекние сервисов ОС в виде серверов на уровне пользователя, а микроядро выполняет функции диспетчера сообщений между клиентскими пользовательскими программами и серверами-сестемными сервисами. Преимущества такой архитектуры:

· повышенная надежность ОС;

· масштабируемость;

· повышенная отказоустойчивость («зависший» сервис может быть перезапущен без перезагрузки системы).

Среди известных ОСРВ, реализующих архитектуру микроядра, можно отметить OS9 и QNX.

Существуют различные определения термина «задача» для многозадачной ОСРВ. Будем считать задачей набор операций (машинных инструкций), предназначенный для выполнения логически законченной функцией системы. Принято различать 2 разновидноти задач: процессы и потоки. Процесс представляет собой отдельный загружаемый программный модуль (файл), который вовремя исполнения имеет в памяти свои независимые области для кода и данных. В отличие от этого, потоки могут пользоваться общими участками кода и данных в рамках единого программного модуля.

Хорошим примером многоточной программы является редактор текста Word, где в рамках одного приложения может одновременно происходить и набор текста и проверка правописания.

Каждый поток имеет важное свойство, на основе которого ОС принимает решение о том, когда предоставить ему время процессора. Это свойство называется приоритетом потока и выражается численным значением.

Важной частью любой ОСРВ является планировщик задач (диспетчер, супервизор и т.п.). Его функции остаются теме же: определить какая из задач должна выполняться в системе в каждый конкретный момент времени.

Приоритет используется в основном планировщиком задач для определения того, какая из готовый к работе задач должна получить управление. Самым простым методом планирования, не требующим никакого специального ПО и планировщика, является использование циклического алгоритма.

Современные ОСРВ. К ним относятся VxWorks, Windows CE, QNX. VxWorks – Unix-подобная ОСРВ, разрабатываемая компанией WRS (США). ОС VxWorks построена по принципам монолитной ОС. Она включает в себя многозадачное ядро и планировщик с быстрым откликом на прерывания, средства межпроцессорного и синхронизации, а также файловую систему и сетевую подсистему (TCP/IP). Система имеет мощные средства разработки и отладки приложений и в течение многих лет считается одним из лидеров ОСРВ. Примеры использования VxWorks:

· аппарат NASA, предназначенный для изучения Марса;

· новейшие авиалайнеры Boeing 787;

· медицинское оборудование компании Siemens;

· система управления робототехническими комплексами и другие.

Windows CE – это вариант ОС Ms Windows для наладонных компьютеров, мобильных телефонов и встраиваемых систем. Архитектура этой системы соответствует монолитной модели архитектуры ОС. На базе ОС Windows CE основано множество платформ, а также промышленных устройств и встроенных систем.

QNX – коммерческая POSIX-совместимая ОСРВ, предназначенная для встраиваемых систем. Считается одной из лучших реализаций концепции микроядерных ОС.

Примеры использования:

· системы управления ядерным реактором;

· система управления дорожным движением;

· работа с кредитными карточками и другие.

Контрольные вопросы и задания

1. Дайте определение системы реального времени (СРВ).

2. Какие системы могут быть отнесены к СРВ?

3. Перечислите устройства, входящие в аппаратно-программный комплекс СРВ.

4. Определение главного требования и основное свойства СРВ.

5. Что называется системой жесткого реального времени?

6. В чем основное отличие между системами жесткого и мягкого реального времени?

7. Назовите компоненты СРВ.

8. Приведите примеры систем жесткого времени.

9. Объясните построение ОСРВ с использованием архитектуры клиент-сервер (Рис. 3)

10. Что представляют собой процессы и потоки?

11. Какую функцию в СРВ выполняет планировщик задач?

12. Перечислите известные вам современные ОСРВ.

Литература 4, 10, 6, 21.

Дата добавления: 2014-01-11