Определение и основные характеристики систем реального времени

РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА СИСТЕМ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

Данное Д. Гиллиесом [2] каноническое определение системы реального времени (СРВ) сводится к тому, что это система[1], правильность функционирования которой определяется не только корректностью выполнения вычислений, но и временем, в котором получен требуемый результат, т.е. для событий, происходящих в такой системе, то, когда эти события происходят также важно, как логическая корректность самих событий. Если требования по времени не выполняются, то считается, что произошел отказ системы. При этом в системе должны существовать средства проверки соблюдения временных ограничений и, кроме того, заранее неочевидно, как эти временные ограничения соблюсти. «Поэтому необходимо, чтобы было гарантировано (аппаратными и программными средствами и алгоритмами обработки) выполнение требований по времени. Гарантия выполнения требований по времени необходима, чтобы поведение системы было предсказуемо при высокой степени использования ресурсов для удовлетворения требованиям по времени с минимальными затратами» [2].

Любая система, в которой существенную роль играет время генерации выходного сигнала, является СРВ. Это обычно связано с тем, что входной сигнал соответствует каким-то изменениям в физическом процессе, и выходной сигнал должен быть связан с этими же изменениями. Временная задержка от получения входного сигнала до выдачи выходного должна быть небольшой, чтобы обеспечить приемлемое время реакции, т.е. время реакции является системной характеристикой. При выборе аппаратного обеспечения СРВ основополагающими моментами являются жесткие требования к временным характеристикам и гибкости системы. Большинство проектов реального времени осуществляется в рамках архитектурных решений магистрально-модульных систем.

СРВ можно рассматривать и как аппаратно-программный комплекс, своевременно и предсказуемо реагирующий на поступающие извне возмущения в виде непредсказуемого потока внешних событий.

Основная функция СРВ– обеспечение гарантированной программной обработки сигналов датчиков в заданных временных рамках, т. е. если система под управлением операционной системы реального времени получает сигнал в момент времени t ₀, то он гарантированно будет обработан с началом обработки не позднее, чем в момент времени t ₀+ t_r. Время t_r называется временем реакции системы. Схематически СРВ изображена на рис. 1.1.

Устройство связи с оператором (интерфейс пользователя)

ОПЕРАТОР

Преобразователи и устройства связи с объектом

СРВ

Рис. 1.1. Система реального времени

В качестве параметров СРВ можно выделить:

· количество типов событий. Чем больше эта величина, тем сложнее СРВ;

· поведение событий во времени (периодические, непериодические);

· крайние сроки обработки событий.

Принято различать системы жесткого и мягкого реального времени:

1. Системой жесткого реального времени (ЖСРВ) (hard real time) называется система, где неспособность обеспечить реакцию на какие-либо события в заданное время является отказом и ведет к невозможности решения поставленной задачи. Теоретически время реакции в жестких системах может составлять и секунды, и часы, и недели. Практически считают, что время реакции в системах жесткого реального времени должно быть все-таки минимальным. Большинство ЖСРВ являются системами контроля и управления, причем данные СРВ сложны в реализации, так как для них предъявляются особые требования в вопросах безопасности. Более того, с увеличением быстродействия вычислительной техники (ВТ) это время имеет тенденцию к уменьшению от 1 миллисекунды до 100 микросекунд.

2. Точного определения для мягкого реального времени (soft real time) не существует, поэтому все СРВ, не попадающие под определение жестких систем, называются мягкими СРВ (МСРВ). Они характеризуются тем, что задержка реакции не критична, хотя и может привести к увеличению стоимости результатов и снижению производительности системы в целом. Так как система мягкого реального времени может не успевать все делать в заданное время, возникает проблема определения критериев успешности (нормальности) ее функционирования. В зависимости от функций системы это может быть максимальная задержка в выполнении каких-либо операций, средняя своевременность обработки событий и т.п. Более того, эти критерии влияют на то, какой алгоритм планирования задач является оптимальным.

Для проектов ЖРВ и МРВ систем могут встретиться такие сложности, как выбор времени применения и требования к ресурсам, пригодность ресурсов системы. В частности, в проекте системы жесткого реального времени, которая поддерживает критические процессы (например, системы управления полетами, управления атомной электростанции, управления буровой вышкой и т.д.), эта сложность может быть усилена противоречивыми прикладными требованиям. Например, при необходимости предоставления высоко надежных и доступных услуг, требуется обеспечить эти услуги при удовлетворении строгих ограничений выбора времени.

СРВ должны реагировать на различные типы внутренних и внешних событий (периодических и непериодических). Необходимо отметить, что принадлежность системы к классу СРВ никак не связана с ее быстродействием. Исходные требования к времени реакции системы и другим временным параметрам определяются или техническим заданием на систему, или просто логикой ее функционирования. Быстродействие СРВ должно быть тем больше, чем больше скорость протекания процессов на объекте контроля и управления. Чтобы определить необходимое быстродействие для систем, имеющих дело со стационарными процессами, часто используют теорему Котельникова, из которой следует, что частота дискретизации сигналов должна быть как минимум в 2 раза выше граничной частоты их спектра. При работе с широкополосными по своей природе переходными процессами (транзиент-анализ) часто применяют быстродействующие АЦП с буферной памятью, куда с необходимой скоростью записывается реализация сигнала, которая затем анализируется и/или регистрируется вычислительной системой. При этом требуется закончить всю необходимую обработку до следующего переходного процесса, иначе информация будет потеряна. Подобные системы иногда называют системами квазиреального времени.

СРВ можно разделить на специализированные и универсальные:

1. Специализированной СРВ называется система, где конкретные требования определены. Такая система должна быть специально спроектирована для удовлетворения этих требований.

2. Универсальная СРВ должна уметь выполнять произвольные (заранее не определенные) временные задачи без применения специальной техники. Разработка таких систем является сложной задачей, хотя обычно требования, предъявляемые к таким системам, мягче, чем требования для специализированныхсистем.

Проведенный анализ СРВ определяет их как большие и сложные системы с распределенной структурой, которая характеризуется сложностью в тестировании и жестким взаимодействием с аппаратурой, выполнение задач в которой зависит от времени.

Основные требования к СРВ:

· требования по времени;

· возможность параллельного выполнения нескольких задач;

· предсказуемость;

· важно максимальное время отклика на событие, а не среднее;

· особые требования в вопросах безопасности;

· возможность безотказной работы в течение длительного периода времени.

Дата добавления: 2014-12-16