Определение систем реального времени. Особенности разработки с использованием осрв. Отличия от операционных систем общего назначения

Операционная система реального времени

Операционная система, которая может обеспечить требуемое время выполнения задачи реального времени даже в худших случаях , называется операционной системой жёсткого реального времени .

Операционная система, которая может обеспечить требуемое время выполнения задачи реального времени в среднем , называется операционной системой мягкого реального времени .

Системы жёсткого реального времени не допускают задержек реакции системы, так как это может привести к:

• потере актуальности результатов
• большим финансовым потерям
• авариям и катастрофам

Если не выполняется обработка критических ситуаций либо она происходит недостаточно быстро, система жёсткого реального времени прерывает операцию и блокирует её, чтобы не пострадала надёжность и готовность остальной части системы. Примерами систем жёсткого реального времени могут быть - бортовые системы управления (на самолёте, космическом аппарате, корабле, и пр.), системы аварийной защиты, регистраторы аварийных событий.

Системы мягкого реального времени характеризуются возможностью задержки реакции, что может привести к увеличению стоимости результатов и снижению производительности системы в целом. Примером может служить работа компьютерной сети . Если система не успела обработать очередной принятый пакет, это приведет к остановке на передающей стороне и повторной посылке (в зависимости от протокола). Данные при этом не теряются, но производительность сети снижается.

Основное отличие систем жёсткого и мягкого реального времени можно охарактеризовать так: система жёсткого реального времени никогда не опоздает с реакцией на событие, система мягкого реального времени - не должна опаздывать с реакцией на событие.

Обозначим операционной системой реального времени такую систему, которая может быть использована для построения систем жёсткого реального времени. Это определение выражает отношение к ОСРВ как к объекту, содержащему необходимые инструменты, но также означает, что эти инструменты ещё необходимо правильно использовать.

Большинство программного обеспечения ориентировано на «мягкое» реальное время. Для подобных систем характерно:

• гарантированное время реакции на внешние события (прерывания от оборудования);
• жёсткая подсистема планирования процессов (высокоприоритетные задачи не должны вытесняться низкоприоритетными, за некоторыми исключениями);
• повышенные требования к времени реакции на внешние события или реактивности (задержка вызова обработчика прерывания не более десятков микросекунд, задержка при переключении задач не более сотен микросекунд)

Классическим примером задачи, где требуется ОСРВ, является управление роботом , берущим деталь с ленты конвейера . Деталь движется, и робот имеет лишь маленький промежуток времени, когда он может её взять. Если он опоздает, то деталь уже не будет на нужном участке конвейера, и следовательно, работа не будет выполнена, несмотря на то, что робот находится в правильном месте. Если он подготовится раньше, то деталь ещё не успеет подъехать, и он заблокирует ей путь.

Отличительные черты ОСРВ

Таблица сравнения ОСРВ и обычных операционных систем:

Архитектуры ОСРВ

В своем развитии ОСРВ строились на основе следующих архитектур .

• . ОС определяется как набор модулей, взаимодействующих между собой внутри ядра системы и предоставляющих прикладному ПО входные интерфейсы для обращений к аппаратуре. Основной недостаток этого принципа построения ОС заключается в плохой предсказуемости её поведения, вызванной сложным взаимодействием модулей между собой.
• . Прикладное ПО имеет возможность получить доступ к аппаратуре не только через ядро системы и её сервисы, но и напрямую. По сравнению с монолитной такая архитектура обеспечивает значительно большую степень предсказуемости реакций системы, а также позволяет осуществлять быстрый доступ прикладных приложений к аппаратуре. Главным недостатком таких систем является отсутствие многозадачности .
• Архитектура «клиент-сервер» . Основной её принцип заключается в вынесении сервисов ОС в виде серверов на уровень пользователя и выполнении микроядром функций диспетчера сообщений между клиентскими пользовательскими программами и серверами - системными сервисами. Преимущества такой архитектуры:

1. Повышенная надёжность, так как каждый сервис является, по сути, самостоятельным приложением и его легче отладить и отследить ошибки;
2. Улучшенная масштабируемость , поскольку ненужные сервисы могут быть исключены из системы без ущерба к её работоспособности;
3. Повышенная отказоустойчивость, так как «зависший» сервис может быть перезапущен без перезагрузки системы.

Особенности ядра

Ядро ОСРВ обеспечивает функционирование промежуточного абстрактного уровня ОС, который скрывает от прикладного ПО специфику технического устройства процессора (нескольких процессоров) и связанного с ним аппаратного обеспечения.

Основные сервисы

Указанный абстрактный уровень предоставляет для прикладного ПО пять основных категорий сервисов.

• Управление задачами . Самая главная группа сервисов. Позволяет разработчикам приложений проектировать программные продукты в виде наборов отдельных программных фрагментов, каждый из которых может относиться к своей тематической области, выполнять отдельную функцию и иметь свой собственный квант времени, отведенный ему для работы. Каждый такой фрагмент называется задачей . Сервисы в рассматриваемой группе обладают способностью запускать задачи и присваивать им приоритеты. Основной сервис здесь - планировщик задач . Он осуществляет контроль за выполнением текущих задач, запускает новые в соответствующий период времени и следит за режимом их работы.
• Динамическое распределение памяти . Многие (но не все) ядра ОСРВ поддерживают эту группу сервисов. Она позволяет задачам заимствовать области оперативной памяти для временного использования в работе приложений. Часто эти области впоследствии переходят от задачи к задаче, и посредством этого осуществляется быстрая передача большого количества данных между ними. Некоторые очень малые по размеру ядра ОСРВ, которые предполагается использовать в аппаратных средах с строгим ограничением на объём используемой памяти, не поддерживают сервисы динамического распределения памяти.
• Управление таймерами . Так как встроенные системы предъявляют жёсткие требования к временным рамкам выполнения задач, в состав ядра ОСРВ включается группа сервисов, обеспечивающих управление таймерами для отслеживания лимита времени, в течение которого должна выполняться задача. Эти сервисы измеряют и задают различные промежутки времени (от 1 мкс и выше), генерируют прерывания по истечении временных интервалов и создают разовые и циклические будильники.
• Взаимодействие между задачами и синхронизация . Сервисы данной группы позволяют задачам обмениваться информацией и обеспечивают её сохранность. Они так же дают возможность программным фрагментам согласовывать между собой свою работу для повышения эффективности. Если исключить эти сервисы из состава ядра ОСРВ, то задачи начнут обмениваться искаженной информацией и могут стать помехой для работы соседних задач.
• Контроль устройства ввода/вывода . Сервисы этой группы обеспечивают работу единого программного интерфейса , взаимодействующего со всем множеством драйверов устройств, которые являются типичными для большинства встроенных систем.

В дополнение к сервисам ядра, многие ОСРВ предлагают линейки дополнительных компонентов для организации таких высокоуровневых понятий, как файловая система , сетевое взаимодействие, управление сетью, управление базой данных , графический пользовательский интерфейс и т. д. Хотя многие из этих компонентов намного больше и сложнее, чем само ядро ОСРВ, они, тем не менее, основываются на его сервисах. Каждый из таких компонентов включается во встроенную систему, только если её сервисы необходимы для выполнения встроенного приложения и только для того, чтоб свести расход памяти к минимуму.

Отличия от операционных систем общего назначения

Многие операционные системы общего назначения также поддерживают указанные выше сервисы. Однако ключевым отличием сервисов ядра ОСРВ является детерминированный , основанный на строгом контроле времени, характер их работы. В данном случае под детерминированностью понимается то, что для выполнения одного сервиса операционной системы требуется временной интервал заведомо известной продолжительности. Теоретически это время может быть вычислено по математическим формулам , которые должны быть строго алгебраическими и не должны включать никаких временных параметров случайного характера. Любая случайная величина , определяющая время выполнения задачи в ОСРВ, может вызвать нежелательную задержку в работе приложения, тогда следующая задача не уложится в свой квант времени, что послужит причиной для ошибки.

В этом смысле операционные системы общего назначения не являются детерминированными. Их сервисы могут допускать случайные задержки в своей работе, что может привести к замедлению ответной реакции приложения на действия пользователя в заведомо неизвестный момент времени. При проектировании обычных операционных систем разработчики не акцентируют своё внимание на математическом аппарате вычисления времени выполнения конкретной задачи и сервиса. Это не является критичным для подобного рода систем.

Планирование задач

Работа планировщика

Большинство ОСРВ выполняют планирование задач, руководствуясь следующей схемой. Каждой задаче в приложении ставится в соответствие некоторый приоритет. Чем больше приоритет, тем выше должна быть реактивность задачи. Высокая реактивность достигается путём реализации подхода приоритетного вытесняющего планирования (preemptive priority scheduling), суть которого заключается в том, что планировщику разрешается останавливать выполнение любой задачи в произвольный момент времени, если установлено, что другая задача должна быть запущена незамедлительно.

Описанная схема работает по следующему правилу: если две задачи одновременно готовы к запуску, но первая обладает высоким приоритетом, а вторая низким, то планировщик отдаст предпочтение первой. Вторая задача будет запущена только после того, как завершит свою работу первая.

Возможна ситуация, когда задача с низким приоритетом уже запущена, а планировщик получает сообщение, что другая задача с более высоким приоритетом готова к запуску. Причиной этому может послужить какое-либо внешнее воздействие (прерывание от оборудования), как, например, изменение состояния переключателя устройства, управляемого ОСРВ. В такой ситуации планировщик задач поведет себя согласно подходу приоритетного вытесняющего планирования следующим образом. Задаче с низким приоритетом будет позволено выполнить до конца текущую ассемблерную команду (но не команду, описанную в исходнике программы языком высокого уровня), после чего выполнение задачи останавливается. Далее запускается задача с высоким приоритетом. После того, как она прорабатывает, планировщик запускает прерванную первую задачу с ассемблерной команды, следующей за последней выполненной.

Каждый раз, когда планировщик задач получает сигнал о наступлении некоторого внешнего события (триггер), причина которого может быть как аппаратная, так и программная, он действует по следующему алгоритму .

1. Определяет, должна ли текущая выполняемая задача продолжать работать.
2. Устанавливает, какая задача должна запускаться следующей.
3. Сохраняет контекст остановленной задачи (чтобы она потом возобновила работу с места останова)
4. Устанавливает контекст для следующей задачи.
5. Запускает эту задачу.

Эти пять шагов алгоритма также называются переключением задач .

Выполнение задачи

В обычных ОСРВ задача может находиться в 3-х возможных состояниях:

1. Задача выполняется;
2. Задача готова к выполнению;
3. Задача заблокирована.

Большую часть времени основная масса задач заблокирована. Только одна задача может выполняться на центральном процессоре в текущий момент времени. В примитивных ОСРВ список готовых к исполнению задач, как правило, очень короткий, он может состоять не более чем из двух-трёх наименований.

Основная функция администратора ОСРВ заключается в составлении такого планировщика задач.

Если в списке готовых к выполнению задач последних имеется не больше двух-трех, то предполагается, что все задачи расположены в оптимальном порядке. Если же случаются такие ситуации, что число задач в списке превышает допустимый лимит, то задачи сортируются в порядке приоритета.

Алгоритмы планирования

В настоящее время для решения задачи эффективного планирования в ОСРВ наиболее интенсивно развиваются два подхода.

• Статические алгоритмы планирования (RMS, Rate Monotonic Scheduling). Используют приоритетное вытесняющее планирование. Приоритет присваивается каждой задаче до того, как она начала выполняться. Преимущество отдается задачам с самыми короткими периодами выполнения.
• Динамические алгоритмы планирования (EDF, Earliest Deadline First Scheduling). Приоритет задачам присваивается динамически, причем предпочтение отдается задачам с наиболее ранним предельным временем начала (завершения) выполнения.

Взаимодействие между задачами и разделение ресурсов

• Временное блокирование прерываний
• Двоичные семафоры
• Посылка сигналов

ОСРВ обычно не используют первый способ, потому что пользовательское приложение не может контролировать процессор столько, сколько хочет. Однако, во многих встроенных системах и ОСРВ позволяется запускать приложения в режиме ядра для доступа к системным вызовам и даётся контроль над окружением исполнения без вмешательства ОС.

На однопроцессорных системах наилучшим решением является приложение запущенное в режиме ядра , которому позволено блокирование прерываний. Пока прерывание заблокировано, приложение использует ресурсы процесса единолично и никакая другая задача или прерывание не может выполняться. Таким образом защищаются все критичные ресурсы. После того как приложение завершит критические действия, оно должно разблокировать прерывания, если таковые имеются. Временное блокирование прерывания позволено только тогда, когда самый долгий промежуток выполнения критической секции меньше, чем допустимое время реакции на прерывание. Обычно этот метод защиты используется только когда длина критического кода не превышает нескольких строк и не содержит циклов . Этот метод идеально подходит для защиты регистров .

Когда длина критического участка больше максимальной или содержит циклы, программист должен использовать механизмы идентичные или имитирующие поведение систем общего назначения, такие как семафоры и посылка сигналов.

Выделение памяти

Следующим проблемам выделения памяти в ОСРВ уделяется больше внимания, нежели в операционных системах общего назначения.

Во-первых, скорости выделения памяти. Стандартная схема выделения памяти предусматривает сканирование списка неопределённой длины для нахождения свободной области памяти заданного размера, а это неприемлемо, так как в ОСРВ выделение памяти должно происходить за фиксированное время.

Во-вторых, память может стать фрагментированной в случае разделения свободных её участков уже запущенными процессами. Это может привести к остановке программы из-за её неспособности задействовать новый участок памяти. Алгоритм выделения памяти, постепенно увеличивающий фрагментированность памяти, может успешно работать на настольных системах, если те перезагружаются не реже одного раза в месяц, но является неприемлемым для встроенных систем, которые работают годами без перезагрузки.

Простой алгоритм с фиксированной длиной участков памяти очень хорошо работает в несложных встроенных системах.

Также этот алгоритм отлично функционирует и в настольных системах, особенно тогда, когда во время обработки участка памяти одним ядром следующий участок памяти обрабатывается другим ядром. Такие оптимизированные для настольных систем ОСРВ, как Unison Operating System или DSPnano RTOS, предоставляют указанную возможность.

Операционные системы реального времени (список)

Следует сделать замечание, что в списке отсутствуют системы, разработанные в СССР для систем военного и космического назначения - по вполне понятным причинам, связанным с режимом секретности. Однако, их существование и использование на протяжении десятков лет, является бесспорным фактом, который следует учитывать.

Примечания

Литература

• Зыль С. Операционная система реального времени QNX: от теории к практике. - 2-е изд. - СПб. : БХВ-Петербург, 2004. - 192 с. - ISBN 5-94157-486-Х
• Зыль С. QNX Momentics. Основы применения. - СПб. : БХВ-Петербург, 2004. - 256 с. - ISBN 5-94157-430-4
• Кёртен Р. Введение в QNX/Neutrino 2. - СПб. : Петрополис, 2001. - 512 с. - ISBN 5-94656-025-9
• Ослэндер Д. М., Риджли Дж. Р., Рингенберг Дж. Д. Управляющие программы для механических систем: Объектно-ориентированное проектирование систем реального времени. - М .: Бином. Лаборатория знаний, 2004. - 416 с. - ISBN 5-94774-097-4

Ссылки

• Обзор операционных систем реального времени (англ.)

Реального времени (RTOS) - это ОС, которая гарантирует определенную способность в течение заданного временного отрезка. Например, она может быть спроектирована так, чтобы отображать, что некий объект стал доступен для робота на сборочном конвейере. Такие оболочки классифицируются на «жесткие» и «мягкие».

Жесткие операционные системы в режиме реального времени предполагают, что расчет не может быть выполнен, если объект не будет доступен в назначенное период (такая операция будет заканчиваться неудачей).

В мягкой операционной системе в режиме реального времени сборочная линия при таких условиях будет продолжать функционировать, но объем производства может быть ниже, поскольку объекты не в состоянии быть доступными в назначенное время, в результате чего робот будет временно непродуктивным.

Прежде чем приводить примеры операционных систем реального времени, необходимо разобраться в особенностях их использования. Одни такие ОС создаются для специального применения, другие - для более общего. Кроме того, некоторые оболочки общего назначения также иногда используются для работы в режиме в реального времени. Как такого типа могут выступить общеизвестные Windows 2000 или IBM Microsoft/390. То есть даже если ОС не отвечает некоторым требованиям, она может иметь характеристики, которые позволяют рассматривать ее в качестве решения для конкретной задачи приложения в режиме реального времени.

Примеры операционных систем и их характеристика

В целом реального времени имеют следующие характерные черты:

• Многозадачность.
• Технологические потоки, которые могут быть приоритетными.
• Достаточное количество уровней прерываний.

ОС реального времени часто используются в составе небольших встраиваемых оболочек, которые применяются в формате микроустройств. Так, некоторые ядра можно рассматривать как однозадачные операционные системы (примеры: ядра в составе IOS, Android и т. д.) в режиме реального времени. Однако для выполнения ими поставленных задач требуются другие компоненты устройства, например, драйвера. Именно поэтому полноценная как правило, бывает больше, чем просто ядро.

Типичным примером приложения ОСРВ является HDTV-приемник и дисплей. Он должен прочитать цифровой сигнал, декодировать его и отображать в виде поступающих данных. Любая задержка будет заметна как пиксельное видео и/или искаженный звук.

Вместе с тем, когда звучит просьба «приведите примеры операционных систем такого типа», подразумевается упоминание наиболее известных названий. Что же входит в эту группу?

VxWorks от компании WindRiver

VxWorks является операционной системой реального времени, разработанной как проприетарное программное обеспечение с помощью компании WindRiver. Будучи впервые выпущенной в 1987 году, VxWorks изначально была предназначена для использования во встраиваемых системах, требующих реального времени и детерминированной производительности. Так, примеры операционных систем такого типа находят применение в сферах охраны и обеспечения безопасности, различных отраслей промышленности (особенно аэрокосмической и оборонной), производстве медицинских приборов, промышленного оборудования, робототехники, энергетики, управления транспортом, сетевой инфраструктурой, совершенствования автомобильной и бытовой электроники.

VxWorks поддерживает Intel (x86, включая новый вариант IntelQuarkSoC и x86-64), MIPS, PowerPC, SH-4 и ARM-архитектуру. Данная ОСРВ поставляется с мощным ядром, промежуточным программным обеспечением, поддержкой платных дополнительных пакетов и аппаратных технологий сторонних производителей. В своем последнем выпуске - VxWorks 7 - система была модернизирована для модульности и апгрейда так, что ядро ​​ОС содержится отдельно от промежуточного программного обеспечения, приложений и других пакетов.

QNX Neutrino

Также классические примеры операционных систем указанного типа - некоторые Unix-подобные оболочки. Таковой является QNX Neutrino, первоначально разработанная в начале 1980-х годов канадской компанией Quantum Software Systems. В конечном счете, разработка была приобретена BlackBerry в 2010 году. QNX является одним из первых коммерчески успешных операционных систем микроядра, которая используется в различных устройствах, включая авто- и мобильные телефоны.

FreeRTOS

FreeRTOS является популярной ядерной ОС в режиме реального времени для встраиваемых устройств, которая загружается 35 микроконтроллерами. Она распространяется под лицензией GPL с дополнительным ограничением и необязательными исключениями. Ограничение запрещает бенчмаркинг, в то время как исключение позволяет использовать собственный код пользователей вместе с закрытым исходным кодом, сохраняя при этом само ядро. Это облегчает тем самым использование FreeRTOS в собственных приложениях.

Windows CE

Windows Embedded Compact - это операционная система подсемейства, разработанная корпорацией «Майкрософт» в рамках семейства продуктов Windows Embedded. В отличие от Windows Embedded Standard, который основан на Windows NT, эти примеры операционных систем используют эксклюзивное гибридное ядро. Компания «Майкрософт» предоставляет лицензии Windows CE для производителей оригинального оборудования, которые могут изменять и создавать свои собственные пользовательские интерфейсы, обеспечивая техническую основу для этого.

Быстродействие ПЛК (компьютера) влияет на величину динамической погрешности системы автоматизации и запас ее устойчивости при наличии обратной связи. Для улучшения этих характеристик используют быстродействующие модули ввода-вывода и компьютер (ПЛК) с высокопроизводительным процессором. Это позволяет улучшить динамические характеристики системы, однако большинство операционных систем (ОС) не могут обеспечить одно и то же время выполнения задачи при повторных ее запусках, то есть время выполнения является случайной величиной.

Для устранения этой проблемы был разработан класс операционных систем, которые обеспечивают детерминированное (т.е. не случайное) время выполнения задач и время реакции на аппаратные прерывания. Такие ОС получили название операционных систем реального времени ОС РВ и были поделены на ОС жесткого и мягкого реального времени.

В системах жесткого реального времени существует жесткий временной порог. При его превышении наступают необратимые катастрофические последствия.

В системах мягкого реального времени характеристики системы ухудшаются с увеличением времени управляющей реакции. Система может работать плохо, но без катастрофических последствий.

Для решения задач жесткого реального времени применяют классический подход, т.е. построение событийно управляемой системы. Где для каждого события в системе устанавливается четко определенное время реакции и определенный приоритет. Практическая реализация таких систем сложна и всегда требует тщательной проработки и моделирования.

Следовательно, ОС РВ отличаются своим поведением, а не внутренним принципом построения. К примеру, операционная система Windows XP при управлении медленными (тепловыми) процессами может рассматриваться как ОС РВ, то есть если вероятность появления недопустимо больших задержек достаточно низка для достижения требуемого уровня сервиса.

В ОС жесткого РВ процесс представляется на выполнение одновременно с указанием требуемого времени выполнения. Планировщик ОС либо разрешает выполнение, гарантируя требуемое время, либо отклоняет процесс как невозможный для исполнения. Для этого планировщик должен точно знать, сколько времени требуется каждой функции ОС для выполнения задачи.

Базовыми требованиями для обеспечения режима реального времени являются следующие:

1) высокоприоритетные задачи всегда должны выполняться в первую очередь;

2) должна быть исключена инверсия приоритетов;

3) процессы и потоки, время выполнения которых нельзя планировать, никогда не должны полностью занимать ресурсы системы.

Инверсией приоритетов называют ситуацию, когда поток с высоким приоритетом требует предоставления ресурса, который уже занят потоком с более низким приоритетом.

Основным методом решения этой проблемы в ОС РВ является наследование приоритетов, которое заключается в следующем. Если низкоприоритетный поток блокирует выполнение нескольких высокоприоритетных потоков, то низкоприоритетный поток игнорирует назначенный ему первоначально приоритет и выполняется с приоритетом, который является наивысшим в блоке ожидающих его потоков. После окончания работы поток принимает свой первоначальный приоритет.

Для обеспечения режима реального времени в ОС могут быть реализованы следующие требования

1) поддержка динамических приоритетов,которые можно менять в процессе выполнения задачи, в многозадачном режиме с вытесняющим ядром (как для процессов, так и для потоков);

2) возможность наследования приоритетов;

3) возможность вытеснения задач ядром ОС;

4) ограниченная латентность прерываний (время, в течение которого прерывание запрещено - на время обработки критической секции кода);

5) выполнение сервисов ОС с приоритетом, который назначается клиентом сервиса.

В системах РВ обычно отсутствует виртуальная память, поскольку этот метод использует подкачку страниц с диска, время выполнения которой является непредсказуемым.

Наиболее распространенными в ПЛК и компьютерах для решения задач автоматизации являются операционные системы Windows CE, QNX Neutrino и OS-9.

QNX Neutrino

QNX Neutrino корпорации QNX Software Systems является операционной системой реального времени и обеспечивает многозадачный режим с приоритетами. Поддерживает микропроцессоры семейств ARM,StrongARM, xScale, x86, MIPS, PowerPC, SH-4, способна выполнять до 250 задач на одном узле.

QNX относится к микроядерным ОС, т.е. реализует только базовые функции ядра - управление адресным пространством ОЗУ и виртуальной памяти, процессами и потоками, обеспечивает межпроцессорную коммуникацию. Состоит из ядра, планировщика процессов и сервисов. Построена на основе сервисов - небольших задач, выполняющих основные функции ОС. Такая структура позволяет отключить любую ненужную функциональность, не изменяя ядро. Каждый драйвер, приложение, протокол или файловая система выполняются вне ядра, в защищенном адресном пространстве.

Инверсия приоритетов преодолевается с помощью распределенного наследования приоритетов. Операционная система QNX нашла применение как на нижнем уровне АСУТП (ОС для контроллеров), так и на верхнем уровне (ОС для программного обеспечения SCADA).

Операционная система OS-9 фирмы Microware System является многозадачной и многопользовательской, работает в режиме мягкого реального времени. Используется во встраиваемых приложениях на платформах ARM, StrongARM, MIPS, PowerPC, Hitachi SuperH, x86, Pentium, XScale, Motorola 68K.

OS-9 относится к классу Unix-подобных операционных систем реального времени и предлагает многие привычные элементы среды Unix. Все функциональные компоненты OS-9, включая ядро, иерархические файловые менеджеры, систему ввода/вывода и средства разработки, реализованы в виде независимых модулей. Комбинируя эти модули, разработчик может создавать системы с самой разной конфигурацией - от миниатюрных автономных ядер, ориентированных на ПЗУ контроллеров, до полномасштабных многопользовательских систем разработки.

OS-9 обеспечивает выполнение всех основных функций операционных систем реального времени: управление прерываниями, межзадачный обмен информацией и синхронизация задач.

OC WINDOWS

Операционная система Windows знакома всем как настольная система. Но это, прежде всего, относится к платформам Windows 3.хх/95, в которых действительно отсутствует поддержка реального времени. Ситуация резко изменилась с появлением Windows NT.

Сама по себе Windows NT не является операционной системой реального времени в силу ряда ее особенностей. Система поддерживает аппаратные, а не программные прерывания, отсутствует приоритетная обработка отложенных процедур и др.

Но в конце ХХ века ряд фирм предприняли серьезные попытки превратить Windows NT в ОС жесткого реального времени. И эти попытки увенчались успехом. Компания VenturCom разработала модуль Real Time Extension (RTX) - подсистему реального времени (РВ) для Windows NT. Эта подсистема имеет собственный планировщик со 128 приоритетами прерываний, который не зависит от NT. Максимальное время реакции на прерывание составляет 20-80 мкс вне зависимости от загрузки процессора. Теперь при каждом прерывании от таймера приоритет передается критичным по времени задачам. А в оставшееся от их работы время могут выполняться «медленные» процессы: ввод/вывод, работа с диском, сетью, графическим интерфейсом и т. п.

Windows CE.NET

Многозадачная операционная система жесткого реального времени Windows CE.NET корпорации Microsoft поддерживает микропроцессоры с архитектурой ARM, StrongARM и xScale, MIPS, SH, X86-совместимые. 32-разрядная Windows CE была создана компанией Microsoft для малых компьютеров (калькуляторов), но в силу ряда достоинств стала претендовать на роль стандартной ОС реального времени. К числу этих достоинств относятся:

1) открытость и простота стыковки с другими ОС семейства Windows;

2) время реакции порядка 500 мкс;

3) значительно меньшие по сравнению с другими ОС Windows требования к ресурсам памяти и возможность построения бездисковых систем.

4) допускает одновременное выполнение до 32 процессов;

5) имеет 256 уровней приоритетов;

6) поддерживает вытесняющую многозадачность;

7) обеспечивает карусельное исполнение цепочек с одинаковым приоритетом;

8) поддерживает вложенные прерывания;

9) имеет среднее время обработки прерывания 2,8 мкс, поддерживает вложенные прерывания;

10) обеспечивает время обработки потока прерываний (Interrupt Service Thread, IST), равное 17,9 мкс;

11) в минимальной конфигурации может быть установлена при объеме ОЗУ 200 Кб.

Планирование выполняется на основе приоритетов, для устранения инверсии используется наследование приоритетов. Несмотря на наличие возможности работы с виртуальной памятью, для обеспечения режима жесткого реального времени ее отключают.

Windows CE .NET поддерживает Microsoft Visual Studio .NET и Microsoft eMbedded Visual C++ с языками программирования Visual C++, Visual C#, and Visual Basic .NET

А в 1999 году компанией Direct by Koyo ОС Windows CE была впервые установлена на платформу микроPLC.

Выбор операционной системы программно-технических средств верхнего уровня АСУТП определяется прикладной задачей (ОС общего пользования или ОСРВ). Но наибольшую популярность и распространение получили различные варианты ОС Windows (Windows NT/2000). Ими оснащены программно-технические средства верхнего уровня АСУТП, представленные персональными компьютерами (ПК) разной мощности и конфигурации - рабочие станции операторов/диспетчеров и специалистов, серверы баз данных (БД) и т. д.

Такая ситуация возникла в результате целого ряда причин и тенденций развития современных информационных и микропроцессорных технологий.

Вот несколько основных аргументов в пользу Windows:

Windows имеет очень широкое распространение в мире, в том числе и в России, в связи с чем легко найти специалиста, который мог бы сопровождать системы на базе этой ОС;

Эта ОС имеет множество приложений, обеспечивающих решение различных задач обработки и представления информации;

ОС Windows и Windows-приложения просты в освоении и обладают типовым интуитивно понятным интерфейсом;

Приложения, работающие под управлением Windows, поддерживают общедоступные стандарты обмена данными;

Системы на базе ОС Windows просты в эксплуатации и развитии, что делает их экономичными как с точки зрения поддержки, так и при поэтапном росте;

Microsoft развивает информационные технологии (ИТ) для Windows высокими темпами, что позволяет компаниям, использующим эту платформу «идти в ногу со временем».

Планирование выполнения задач - одна из ключевых концепций в многозадачности и многопроцессорности как в операционных системах общего назначения, так и в операционных системах реального времени. Планирование заключается в назначении приоритетов процессам в очереди с приоритетами. Программный код, выполняющий эту задачу, называется планировщиком

Реального времени? Обратим внимание на подробное изучение ОСРВ. Прежде всего, это специальные виды которые отличаются от универсальных ОС своей производительностью и быстродействием в наихудших ситуациях. Существует много понятий, которые раскрывают специфику:

ОСРВ - система, которая способна обеспечивать необходимый сервис за определенный промежуток времени;

Система реального времени, которая отличается постоянной готовностью и время обрабатываемой информации незаметно для пользователей;

- “быстрая система”, где на первый план выходит не время отклика ОСРВ, а достаточность времени для работы с приложением.

Для полноты картины стоит обратить внимание на характерные особенности операционных систем реального времени. Самой важной особенностью является гарантированная и стабильная реакция на происходящие события. Задачи любого уровня (высокого и низкого приоритета) не должны конфликтовать между собой и вытеснять друг друга. Высокий уровень требований ко времени отклика на определенное событие в реальном времени.

Реального времени

Разделяют их в зависимости от программ: жесткие (hard), мягкие (soft) и интерактивные. Вкратце рассмотрим каждый вид.

Жесткие ОСРВ имеют строго определенное время отклика на событие в реальном времени. Пример: аппаратное прерывание, показ команд управления должен обрабатываться за что и происходит в 100% случаев.

Мягкие системы реального времени позволяют в 80-90 % случаев отклоняться от определенных временных рамок на один порядок. Но главное, чтобы эти задержки не привели к непоправимым последствиям.

Интерактивные ОСРВ включают (когда индивид ожидает отклика от системы после заданных им указаний или команд).

Самые распространенные операционные системы реального времени и их характеристики

Большинство ОСРВ - закрытого типа, и о них сложно получить подробную информацию. Компания WindRiver Systems разработала VxWorks (жесткая ОСРВ) для разработки ПО на встраиваемых ПК. Она основана на работе компьютера-хоста, на котором ведется разработка программного обеспечения, и компьютера-клиента, где и используется под управления VxWorks.

Эти операционные системы реального времени - широконастраиваемые, но программные модули нельзя использовать в другой среде, что делает их достаточно ограниченными в использовании. К преимуществам можно отнести:

Неограниченное количество решаемых задач.

Количество приоритетных задач - до 256.

Задачи планируются циклически или по приоритетам.

Семафоры, которые помогают управлять критическими системными ресурсами.

Операционные системы реального времени QNX Neutrino Realtime Operating System - детище компании QNX Software Systems. Она основана на кросс-серверной архитектуре и отличается большой многозадачностью с режимом приоритетов. Каждый элемент системы работает самостоятельно: при сбоях и неполадках любое звено может самостоятельно перезапуститься, не повлияв на работу ядра или других компонентов. Она также имеет глубокую конфигурацию, привязку к базовому ядру, что исключает работу в другой среде.

ChorusOS представляет пример встраиваемой ОС, которая широко применяется в телекоммуникациях. Она поддерживает различные телекоммуникационные протоколы, Java-технологии, что позволяет внедрять новые разработки и приложения.

Отличие от ОС общего пользования и назначения

Отличаются ОСРВ от систем общего назначения детерминированным характером работы, который обусловлен строгим контролем времени, затрачиваемым на обработку задач. Понятие “детерминирование” описывает определенный заранее временной интервал, за который выполняется одна программа реального времени.

Отличительные черты ОСРВ от ОС общего назначения

ОС общего назначения, особенно многопользовательские, такие как UNIX , ориентированы на оптимальное распределение ресурсов компьютера между пользователями и задачами. В операционных системах реального времени подобная задача отходит на второй план - все отступает перед главной задачей - успеть среагировать на события, происходящие на объекте.Другое отличие - применение операционной системы реального времени всегда связано с аппаратурой, с объектом, с событиями, происходящими на объекте. Операционная система реального времени ориентирована на обработку внешних событий. Операционная система реального времени может быть похожа по пользовательскому интерфейсу на ОС общего назначения, однако устроена она совершенно иначе.Кроме того, применение операционных системах реального времени всегда конкретно. Если ОС общего назначения обычно воспринимается пользователями (не разработчиками) как уже готовый набор приложений, то операционная система реального времени служит только инструментом для создания конкретного аппаратно-программного комплекса реального времени. И поэтому наиболее широкий класс пользователей операционных системах реального времени - разработчики комплексов реального времени, люди проектирующие системы управления и сбора данных. Проектируя и разрабатывая конкретную систему реального времени, программист всегда знает точно, какие события могут произойти на объекте, знает критические сроки обслуживания каждого из этих событий.Система РВ должна успеть отреагировать на событие, произошедшее на объекте, в течение времени, критического для этого события. Величина критического времени для каждого события определяется объектом и самим событием, и может быть разной, но время реакции системы должно быть предсказано (вычислено) при создании системы. Отсутствие реакции в предсказанное время считается ошибкой для систем реального времени.Система должна успевать реагировать на одновременно происходящие события. Даже если два или больше внешних событий происходят одновременно, система должна успеть среагировать на каждое из них в течение интервалов времени, критического для этих событий.

Системы жёсткого и мягкого реального времени

Различают системы реального времени двух типов - системы жесткого реального времени и системы мягкого реального времени.

Системы жесткого реального времени не допускают никаких задержек реакции системы ни при каких условиях, так как:

• результаты могут оказаться бесполезны в случае опоздания
• может произойти катастрофа в случае задержки реакции

• стоимость опоздания может оказаться бесконечно велика.

Примеры систем жесткого реального времени - бортовые системы управления, системы аварийной защиты, регистраторы аварийных событий.

Системы мягкого реального времени характеризуются тем, что задержка реакции не критична, хотя и может привести к увеличению стоимости результатов и снижению производительности системы в целом.Пример - работа сети. Если система не успела обработать очередной принятый пакет, это приведет к таймауту на передающей стороне и повторной посылке (в зависимости от протокола, конечно). Данные при этом не теряются, но производительность сети снижается.Основное отличие между системами жесткого и мягкого реального времени можно выразить так: система жесткого реального времени никогда не опоздает с реакцией на событие, система мягкого реального времени - не должна опаздывать с реакцией на событие

Ядро операционной системы

Ядро́ - центральная часть операционной системы (ОС), обеспечивающая приложениям координированный доступ к ресурсам компьютера, память, внешнее аппаратное обеспечение, внешнее устройство ввода и вывода информации, переводя команды языка приложений на язык двоичных кодов, которые понимает компьютер.Как основополагающий элемент ОС, ядро представляет собой наиболее низкий уровень абстракции для доступа приложений к ресурсам системы, необходимым для их работы. Как правило, ядро предоставляет такой доступ исполняемым процессам соответствующих приложений за счёт использования механизмов межпроцессного взаимодействия и обращения приложений к системным вызовам ОС.

Монолитное ядро

Монолитное ядро предоставляет богатый набор абстракций оборудования. Все части монолитного ядра работают в одном адресном пространстве. Это такая схема операционной системы, при которой все компоненты её ядра являются составными частями одной программы, используют общие структуры данных и взаимодействуют друг с другом путём непосредственного вызова процедур. Монолитное ядро - старейший способ организации операционных систем. Примером систем с монолитным ядром является большинство UNIX-систем.

Достоинства : Скорость работы, упрощённая разработка модулей.

Недостатки : Поскольку всё ядро работает в одном адресном пространстве, сбой в одном из компонентов может нарушить работоспособность всей системы.

Некоторые старые монолитные ядра, в особенности систем класса UNIX/Linux, требовали перекомпиляции при любом изменении состава оборудования. Большинство современных ядер позволяют во время работы подгружать модули, выполняющие часть функций ядра. В этом случае компоненты операционной системы являются не самостоятельными модулями, а составными частями одной большой программы, называемой монолитным ядром (monolithic kernel), которое представляет собой набор процедур, каждая из которых может вызвать каждую. Все процедуры работают в привилегированном режиме.

Микроядро

Микроядро предоставляет только элементарные функции управления процессами и минимальный набор абстракций для работы с оборудованием. Большая часть работы осуществляется с помощью специальных пользовательских процессов, называемых сервисами. Решающим критерием «микроядерности» является размещение всех или почти всех драйверов и модулей в сервисных процессах.

Достоинства : Устойчивость к сбоям оборудования, ошибкам в компонентах системы. Основное достоинство микроядерной архитектуры - высокая степень модульности ядра операционной системы. Это существенно упрощает добавление в него новых компонентов. В микроядерной операционной системе можно, не прерывая её работы, загружать и выгружать новые драйверы, файловые системы и т. д. Существенно упрощается процесс отладки компонентов ядра, так как новая версия драйвера может загружаться без перезапуска всей операционной системы. Компоненты ядра операционной системы ничем принципиально не отличаются от пользовательских программ, поэтому для их отладки можно применять обычные средства. Микроядерная архитектура повышает надежность системы, поскольку ошибка на уровне непривилегированной программы менее опасна, чем отказ на уровне режима ядра.

Недостатки : Передача данных между процессами требует накладных расходов.

Среда исполнения

Требования, предъявляемые к среде исполнения систем реального времени, следующие:

• небольшая память системы - для возможности ее встраивания;
• система должна быть полностью резидентна в памяти, чтобы избежать замещения страниц памяти или подкачки;
• система должна быть многозадачной - для обеспечения максимально эффективного использования всех ресурсов системы;
• ядро с приоритетом на обслуживание прерывания. Приоритет на прерывание означает, что готовый к запуску процесс, обладающий некоторым приоритетом, обязательно имеет преимущество в очереди по отношению к процессу с более низким приоритетом, быстро заменяет последний и поступает на выполнение. Ядро заканчивает любую сервисную работу, как только поступает задача с высшим приоритетом. Это гарантирует предсказуемость системы;
• диспетчер с приоритетом - дает возможность разработчику прикладной программы присвоить каждому загрузочному модулю приоритет, неподвластный системе. Присвоение приоритетов используется для определения очередности запуска программ, готовых к исполнению. Альтернативным такому типу диспетчеризации является диспетчеризация типа "карусель", при которой каждой готовой к продолжению программе дается равный шанс запуска. При использовании этого метода нет контроля за тем, какая программа и когда будет выполняться. В среде реального времени это недопустимо. Диспетчеризация, в основу которой положен принцип присвоения приоритета, и наличие ядра с приоритетом на прерывание позволяют разработчику прикладной программы полностью контролировать систему. Если наступает событие с высшим приоритетом, система прекращает обработку задачи с низшим приоритетом и отвечает на вновь поступивший запрос.

Сочетание описанных выше свойств создает мощную и эффективную среду исполнения в реальном времени.

Кроме свойств среды исполнения, необходимо рассмотреть также сервис, предоставляемый ядром ОС реального времени. Основой любой среды исполнения в реальном времени является ядро или диспетчер. Ядро управляет аппаратными средствами целевого компьютера: центральным процессором, памятью и устройствами ввода/вывода; контролирует работу всех других систем и программных средств прикладного характера. В системе реального времени диспетчер занимает место между аппаратными средствами целевого компьютера и прикладным программным обеспечением. Он обеспечивает специальный сервис, необходимый для работы приложений реального времени. Предоставляемый ядром сервис дает прикладным программам доступ к таким ресурсам системы, как, например, память или устройства ввода/вывода.

Ядро может обеспечивать сервис различных типов:

• Межзадачный обмен. Часто необходимо обеспечить передачу данных между программами внутри одной и той же системы Кроме того, во многих приложениях возникает необходимость взаимодействия с другими системами через сеть. Внутренняя связь может быть осуществлена через систему передачи сообщений. Внешнюю связь можно организовать либо через датаграмму (наилучший способ доставки), либо по линиям связи (гарантированная доставка). Выбор того или иного способа зависит от протокола связи.
• Разделение данных. В прикладных программах, работающих в реальном времени, наиболее длительным является сбор данных. Данные часто необходимы для работы других программ или нужны системе для выполнения каких-либо своих функций. Во многих системах предусмотрен доступ к общим разделам памяти. Широко распространена организация очереди данных. Применяется много типов очередей, каждый из которых обладает собственными достоинствами.
• Обработка запросов внешних устройств. Каждая прикладная программа в реальном времени связана с внешним устройством определенного типа. Ядро должно обеспечивать службы ввода/вывода, позволяющие прикладным программам осуществлять чтение с этих устройств и запись на них. Для приложений реального времени обычным является наличие специфического для данного приложения внешнего устройства. Ядро должно предоставлять сервис, облегчающий работу с драйверами устройств. Например, давать возможность записи на языках высокого уровня - таких, как Си или Паскаль.
• Обработка особых ситуаций. Особая ситуация представляет собой событие, возникающее во время выполнения программы. Она может быть синхронной, если ее возникновение предсказуемо, как, например, деление на нуль. А может быть и асинхронной, если возникает непредсказуемо, как, например, падение напряжения. Предоставление возможности обрабатывать события такого типа позволяет прикладным программам реального времени быстро и предсказуемо отвечать на внутренние и внешние события. Существуют два метода обработки особых ситуаций - использование значений состояния для обнаружения ошибочных условий и использование обработчика особых ситуаций для прерывания ошибочных условий и их корректировки.

Обзор архитектур ОСРВ

За свою историю архитектура операционных систем претерпела значительное развитие. Один из первых принципов построения, монолитные ОС (рисунок 1), заключался в представлении ОС как набора модулей, взаимодействующих между собой различным образом внутри ядра системы и предоставляющих прикладным программам входные интерфейсы для обращений к аппаратуре.

уровневые ОС (рисунок 2).Примером такой ОС является хорошо известная система MS-DOS. В системах этого класса прикладные приложения могли получить доступ к аппаратуре не только посредством ядра системы или ее резидентных сервисов, но и непосредственно. По такому принципу строились ОСРВ в течение многих лет. По сравнению с монолитными ОС такая архитектура обеспечивает значительно большую степень предсказуемости реакций системы, а также позволяет осуществлять быстрый доступ прикладных приложений к аппаратуре. Недостатком

таких систем является отсутствие в них многозадачности. В рамках такой архитектуры проблема обработки асинхронных событий сводилась к буферизации сообщений, а затем последовательному опросу буферов и обработке. При этом соблюдение критических сроков обслуживания обеспечивалось высоким быстродействием вычислительного комплекса по сравнению со скоростью протекания внешних процессов.

Рисунок 2. Архитектура уровневой ОС

Одной из наиболее эффективных архитектур для построения операционных систем реального времени считается архитектура клиент – сервер. Общая схема ОС работающей по этой технологии представлена на рисунке 3. Основным принципом такой архитектуры является вынесение сервисов ОС в виде серверов на уровень пользователя, а микроядро выполняет функции диспетчера сообщений между клиентскими пользовательскими программами и серверами – системными сервисами. Такая архитектура дает массу плюсов с точки зрения требований к ОСРВ и встраиваемым системам. Среди этих преимуществ можно отметить:

1. Повышается надежность ОС, т.к. каждый сервис является, по сути, самостоятельным приложением и его легче отладить и отследить ошибки.

2. Такая система лучше масштабируется, поскольку ненужные сервисы могут быть исключены из системы без ущерба к ее работоспособности.

3. Повышается отказоустойчивость системы, т.к. «зависший» сервис может быть перезапущен без

перезагрузки системы.

Рисунок 3. Построение ОС с использованием архитектуры клиент-сервер

К сожалению на сегодняшний день не так много ОС реализуется по принципу клиент-сервер. Среди известных ОСРВ реализующих архитектуру микроядра можно отметить OS9 и QNX.

Список использованной литературы:

1) http://ru.wikipedia.org/wiki/Операционная_система_реального_времени

2) http://www.asutp.ru/?p=600591

3) http://www.mka.ru/?p=40774

4) http://www.4stud.info/rtos/lecture1.html

5)http://www.ozon.ru/context/detail/id/3092042/