Жесткие и мягкие срв.

При проектировании СРВ важно определится, насколько критично для объекта управления время реакции СРВ на события.

Принято различать системы «жесткого» и «мягкого» реального времени:

1. Системой «жесткого» реального времени называется система, где неспособность обеспечить 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.:

• результаты могут оказаться бесполезными в случае опоздания;

• может произойти катастрофа в случае задержки реакции;

• стоимость опоздания может быть бесконечно велика.

2. Системой «мягкого» реального времени называется система для которой допустима, как исключение, задержка реакции на какие-либо события.

Примеры систем «жесткого» реального времени – бортовые системы управления; системы автоматического управления; системы аварийной защиты; регистраторы аварийных событий.

Примеры систем «мягкого» реального времени – информационные системы; диалоговые системы, работающие в режиме советчика; компьютерные сети.

Основное отличие между системами «жесткого» и «мягкого» реального времени можно выразить так: система «жесткого» реального времени никогда не опаздывает с реакцией на событие; система «мягкого» реального времени – не должна опаздывать на событие.

Исходя из приведенных определений, следует, что время реакции в «жестких» системах может составлять и секунды, и часы, и недели. Однако большинство практиков считают, что время реакции в системах «жесткого» реального времени должно быть все-таки минимальным. Однозначного мнения о том, какое время реакции свойственно «жестким» системам, нет. Более того, с увеличением быстродействия микропроцессоров это время имеет тенденцию к уменьшению, и если раньше в качестве нижней границы называлось значение 1 мс, то сейчас, как правило, называется время порядка 100 мкс.

Для систем «мягкого» реального времени, которая, по определению, может не успевать всё делать всегда в заданное время, возникает проблема определения критериев успешности (нормальности) ее функционирования. Вопрос этот совсем не простой, так как и зависимости от функций системы это может быть максимальная задержка в выполнении каких-либо операций, средняя своевременность отработки событий и т. п. Более того, эти критерии влияют на то, какой алгоритм планирования задач является оптимальным. Вообще говоря, системы «мягкого» реального времени проработаны теоретически далеко не до конца.

Краткий обзор состояния вопроса по прямому компьютерному управлению технологическими процессами в режиме реального времени:

По определению, системы реального времени являются программно-аппаратными комплексами. Иными словами, работа информационно-управляющих систем в режиме реального времени обеспечивается двумя тесно связанными между собой основными компонентами:

• техническими средствами

• программным обеспечением

Существует несколько основных подходов к разработке компьютерных систем управления реального времени. Каждому из подходов соответствует своя идеология построения программ систем управления и соответствующих ей систематизированных технических средств и базового программного обеспечения.

Каждый из таких подходов имеет свои преимущества и недостатки.

Рассмотрим первоначально раздельно каждую из компонент, а затем особенности различных идеологий построения компьютерных систем управления.

Техническое обеспечение компьютерных систем управления реального времени.

Технические средства, используемые в компьютерных системах управления можно условно разделить на следующие составные группы:

• периферийное оборудование (датчики, пульты и др. оборудование связанное с компьютером через внешние цепи);

• средства отображения: консоли (дисплей с клавиатурой, индикаторные линейки и т.п.;

• системные процессорные блоки. Они включают в себя элементы необходимые для хранения и обработки информации (процессоры, ОЗУ, НГМД, НЖМД, контроллеры накопителей и клавиатуры, видеокарты и. т.п.) с системной шиной и внутренним источником питания. Элементы установлены в конструктивы системного блока.

• модули ввода/вывода (УСО). Это модули ввода/вывода дискретных сигналов, модули ЦАП, АЦП, и т.п.).

УСО устанавливаются в системный блок и подключаются к системной шине. В распределенных системах модули ввода/вывода могут подключаться к компьютеру через стандартные порты ввода-вывода (через интерфейс RS 232, 485, 422 и др.)

Каждая из групп имеет свою область назначения.

Первая группа предназначена для преобразования информации в стандартный электрический сигнал. Периферийное оборудование подключается к УСО. Последние преобразуют информационный электрический сигнал того или иного вида в цифровую форму совместимую со стандартом системной шины и наоборот цифровой сигнал системной шины в электрический сигнал. Выбор УСО осуществляется исходя из типа и характеристик преобразуемого сигнала, необходимой точности преобразования и требуемого быстродействия (максимально допустимого времени преобразования, времени внутренней задержки и т.п.).

Системные блоки представляют собой, собственно говоря, компьютер, который обрабатывает поступающую через УСО информацию в соответствии с программой и выдает через УСО управляющие воздействия. Технические характеристики системного блока существенным образом определяют скорость выполнения программ, а, следовательно, и реализуемость режима реального времени. К таким характеристикам в первую очередь относятся: тип процессора и его тактовая частота; объем установленной (доступной) оперативной памяти и ее быстродействие; объемом КЭШ-памяти; тип, разрядность и тактовая частота системной шины и т.п..

Средства отображения – дисплеи, визуализируют информацию, используемую в процессе управления для контроля оператором за процессом, а клавиатура позволяет человеку выбирать отображаемую информацию и вмешиваться в процесс управления. Выбор дисплеев осуществляется на основании планируемой плотности выводимой информации – разрешающая способность и объем памяти в видеокарточке, и удаленностью от дисплея – размер экрана.

Из элементов трех последних групп комплектуются вычислительные узлы.

По функциональному назначению вычислительный узел может быть отнесен к одному из 3-х классов:

• узел управления (контроллер) предназначен для решения управляющих задач в автономном режиме. Содержит системный блок с УСО. Может иметь простейшие средства отображения (индикаторная линейка, панель) и клавиатуру которые предназначены для контроля, проверки и программирования технических средств. Оператора вмешивается в процесс управления через периферийное оборудование, подключенное к контроллеру через УСО, либо посредством вычислительной сети от станции оператора;

• узел отображения (станция оператора) предназначен для отображения информации необходимой оператору для контроля и управления технологическим процессом, работой агрегатов и. т. п. и при вводе управляющих воздействий. Содержит системный блок с дисплеем и клавиатурой. Станция оператора подключается через вычислительную сеть к компьютеру либо через стандартный интерфейс (RS 232, RS 485, и. т. д.) к контроллерам откуда и получает исходную информацию и передает управляющие воздействия.

• узел смешанного назначения. Будем называть его “рабочая станция”, хотя в классическом понимании к рабочей станции могут быть отнесены и первые два класса узлов. Рабочая станция содержит системный блок, УСО и средства отображения, как правило, дисплей и клавиатуру. И совмещает в себе функции вычислительных узлов первых двух классов.

Типовые структуры компьютерных систем управления технологическими процессами.

Существует две основные типовых структуры компьютерных систем управления:

• иерархическая;

• одноранговая.

Основные различия между двумя данными структурами заключаются в функциональном назначении входящих в них узлов.

В системах с иерархической структурой используются, как правило, узлы двух типов – контроллеры и станции операторов. Первые осуществляют функции прямого управления в соответствии с уставками и режимами, переданными из станций оператора, а также сбор первичной информации и передача ее станциям оператора. Станции оператора обеспечивают интерфейс пользователя, включая обработку и отображение информации поступающей с контроллера, а также выбор оператором и передачу в контроллеры уставок и режимов для управления технологическим процессом либо агрегатом.

Одноранговая структура предполагает отсутствие жесткой функциональной специализации узлов вычислительной сети. Тип узла: контроллер, рабочая станция, станция оператора, определяется, прежде всего, местами размещения информационных сигналов, используемых в системе управления, постов управления технологическим процессом и рациональными временными рамками исполнения задач. Одноранговая предполагают ввод информации через ближайшую, по расположению, рабочую станцию и учитывает соотношение (требуемое быстродействие)/(требуемые затраты машинного времени) на выполнение той либо иной задачи. По быстродействию наиболее критичны задачи прямого цифрового управления, а по затратам машинного времени, задачи вывода информации на экран дисплея в графическом режиме и оптимизационные задачи.

При распределении задач по узлам одноранговой системы дополнительно учитывают пропускную способность вычислительной сети. Если пропускная способность вычислительной сети недостаточна, то ввод информационных сигналов осуществляется рабочую станцию, которая непосредственно использует данную информацию.

Общесистемное программное обеспечение компьютерных систем управления реального времени

Операционной системой реального времени называется такая система, которая может быть использована для построения систем жесткого реального времени.

Требования минимальные к ОС РВ:

• должно существовать понятие потока (нити);

• операционная система должна поддерживать многопоточность (многонитиевость) и вытеснение задач по приоритетам;

• операционная система должна поддерживать механизм синхронизации потоков (нитей) с предсказуемыми характеристиками;

• должен иметь механизм наследования приоритетов;

• поведение операционной системы должно быть известным и предсказуемым (внутренние задержки прерываний, переключения задач, драйверов и т.д.). Для всех сценариев системных загрузок должно быть известно время отклика.

Одно из коренных внешних отличий ОС реального времени от ОС общего назначения — четкое разграничение систем разработки и систем исполнения.

Система исполнения ОС РВ — это набор инструментов (ядро, драйверы, исполняемые модули), обеспечивающих функционирование приложения реального времени.

Система исполнения ОСРВ и компьютер, на котором она выполняется, называют целевой системой.

Система разработки – это набор средств, обеспечивающих создание и отладку приложения реального времени.

Большинство современных ведущих ОСРВ поддерживают целый спектр аппаратных архитектур, на которых работают системы исполнения (Intel, Motorola, PowerPC, RISC, MIPS и другие).

Это объясняется тем, что набор аппаратных средств — часть комплекса реального времени и аппаратура должна быть также адекватна решаемой задаче, поэтому ведущие ОСРВ перекрывают целый ряд наиболее популярных архитектур, чтобы удовлетворить самым разным требованиям по части аппаратуры.

Системы разработки (компиляторы, отладчики и всевозможный вспомогательный инструментарий) работают, как правило, в популярных и распространенных ОС, таких как UNIX и Windows.

Большинство ОС РВ имеют резидентные средства разработки, исполняющиеся в среде самой операционной системы реального времени, — особенно это относится к ОС РВ класса «ядра». Средства разработки ОС РВ как правило содержат средства удаленной отладки, средства профилирования (измерение времен выполнения отдельных участков кода), средства эмуляции целевого процессора, специальные средства отладки взаимодействующих задач, а иногда и средства моделирования.

Основные характеристики ОС РВ

ОС РВ принято оценивать по следующим параметрам:

• время реакции системы на прерывания;

• время переключения контекста;

• размер системы;

• возможность исполнения системы на ПЗУ (ROM)

Первые два параметра характеризуют временные возможности реакции ПО СРВ на событие. Следующие два параметра характеризуют требования требования ОС РВ к техническому обеспечению.

Время реакции системы РВ на событие.

Для системы реального времени основным является ее способность вовремя отреагировать на внешние события, поэтому такой параметр, как время реакции системы является ключевым.

Рассмотрим, какие времена необходимо знать для того, чтобы предсказать время реакции системы.

События, происходящие на объекте, регистрируются датчиками. Информация с датчиков передается в модули ввода-вывода (интерфейсы) системы. Модули ввода-вывода, получив информацию от датчиков и преобразовав ее, генерируют запрос на прерывание в управляющем компьютере, подавая ему тем самым сигнал о том, что на объекте произошло соответствующее событие. Получив сигнал от модуля ввода-вывода, система должна запустить программу обработки этого события. Интервал времени — от момента возникновения события на объекте до выполнения первой инструкции в программе обработки этого события —называется временем реакции системы на события.

Проектируя систему реального времени, разработчики должны уметь вычислять этот интервал.

Время реакции системы на события включает два временных интервала.

Первый интервал – время выполнения цепочки действий от события на объекте до генерации прерывания называется временем аппаратной задержки прерывания. Оно никак не зависит от ОС РВ и целиком определяется аппаратурой.

Второй интервал времени – интервал от возникновения запроса на прерывание и до выполнения первой инструкции его обработчика называется временем реакции системы на прерывание.

Оно определяется целиком свойствами операционной системы и архитектурой компьютера и используется для сопоставления ОС РВ.

Времен реакции системы на прерывание оценивается по результатам тестирования ОС РВ с подробным описанием архитектуры целевой системы, в которой проводились измерения, средств измерения и точным указанием, какие промежутки времени измерялись.

Практически все производители ОС РВ приводят в качестве основной характеристики данный параметр.

Времена реакции ОСРВ на прерывание составляют порядка 3÷5 мкс, LynxOS – порядка 7÷9 мкс.

Время реакции ОС РВ позволяет оценить минимально возможное время реакции СРВ на событие.

На практике время реакции системы нужно уметь оценивать в худшей для системы ситуации, то есть в предположении, что процессор загружен, что в это время могут происходить другие прерывания, что система может выполнять какие-то действия, блокирующие прерывания.

В этом случае возникает дополнительная задержка, связанная с вызовом и постановкой на исполнение программы-обработчика данного события.

Данная задержка может быть оценена по такой характеристике ОС РВ, как время переключения контекста.

Время переключения контекста это время, которое система затрачивает на передачу управления от процесса к процессу (от задачи к задаче, от нити к нити).

Время переключения контекста используют для оценки расходов времени системы при обработке параллельных событий.

Размер системы и возможность исполнения, системы из ПЗУ (ROM)

Данныее характеристики ОС РВ имеют важное значение для встраиваемых систем, т.е. для специализированных компьютеров устанавливаемых в законченные изделия.

Размер системы.

Размером системы исполнения называется суммарный размер минимального системного набора, который необходим для работы приложения. В него входит ядро ОС, системные модули, драйверы и т.д).

Производители систем реального времени стремятся к тому, чтобы размеры ядра и обслуживающих модулей системы были невелики.

Например, размер ядра ОСРВ OS9 на микропроцессорах МС68ххх - 22 Кбайт, Vx-Works - 16 кбайт.

Возможность исполнения, системы из ПЗУ (ROM).

Данное свойство характеризует возможность создания на базе ОСРВ - компактных встроенных СРВ повышенной надежности, с ограниченным энергопотреблением, без внешних накопителей.