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.

Времена время переключения контекста для ОСРВ составляет порядка 90÷150 мкс, LynxOS – порядка 160÷170 мкс.

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.