Литература

1. Операционные системы: разработка и реализация (+CD). Классика CS / Э. Таненбаум, А. Вудхалл. — СПб.: Питер, 2006. — С. 59–60.

2. Операционные системы: учебник для вузов / А.В. Гордеев. — 2-е издание. — СПб.: Питер, 2004. — С. 279–289.

3. Операционные системы реального времени: методическое пособие / Л.В. Калинин. — Ульяновск: «Инфофонд», 2009. — П.1.1.–1.3.

Модуль 1. АРХИТЕКТУРА ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Тема 1. Основные понятия

Основные определения

Предметом настоящего обзора является отладка систем реального времени.

Под системой реального времени (СРВ) мы понимаем систему, в которой корректность функционирования зависит от соблюдения временных ограничений.

Система реального времени (СРВ) — это система, которая должна реагировать на события во внешней по отношению к системе среде или воздействовать на среду в рамках требуемых временных ограничений. Оксфордский словарь английского языка говорит о СРВ как о системе, для которой важно время получения результата. Другими словами, обработка информации системой должна производиться за определённый конечный период времени, чтобы поддерживать постоянное и своевременное взаимодействие со средой

Естественно, что масштаб времени контролирующей системы и контролируемой ей среды должен совпадать.

Под  реальным временем понимается количественная характеристика, которая может быть измерена реальными физическими часами, в отличие от логического времени, определяющего лишь качественную характеристику, выражаемую относительным порядком следования событий. Говорят, что система работает в режиме реального времени, если для описания работы этой системы требуются количественные временны́е характеристики.

Характеристики систем реального времени

Процессы (задачи) систем реального времени могут иметь следующие характеристики и связанные с ними ограничения:

• дедлайн (англ. deadline) — критический срок обслуживания, предельный срок завершения какой-либо работы;

• латентность (англ. latency) — время отклика (время задержки) системы на внешние события;

• джиттер (англ. jitter) — разброс значений времени отклика. Можно различить джиттер запуска (англ. releasejitter) — период времени от готовности к исполнению до начала собственно исполнения задачи и джиттер вывода (англ. outputjitter) — задержка по окончании выполнения задачи. Джиттер может возникать под влиянием других, одновременно исполняемых задач.

В моделях систем реального времени могут фигурировать и другие параметры, например, период и количество итераций (для периодических процессов), нагрузка (англ. load) — количество команд процессора в худшем случае.

В зависимости от допустимых нарушений временных ограничений системы реального времени можно поделить на системы жёсткого реального времени, для которых нарушения равнозначны отказу системы, и системы мягкого реального времени, нарушения характеристик которых приводят лишь к снижению качества работы системы .

Следует заметить, что определение жёсткого реального времени ничего не говорит об абсолютном значении времени отклика: это могут быть как миллисекунды, так и недели. Требования к системам мягкого реального времени можно задать только в вероятностных терминах, например, как процент откликов, выданных в установленные временны́е рамки. Интересно, что при проектировании предварительные расчёты легче выполнить для системы жёсткого реального времени, чем получить, например, долю выполняемых в срок задач в системе мягкого реального времени, поэтому разработчики таких систем часто пользуются инструментами и методиками для проектирования систем жёсткого реального времени.

События реального времени

События реального времени могут относится к одной из трёх категорий:

• Асинхронные события — полностью непредсказуемые события. Например, вызов абонента телефонной станции.

• Синхронные события — предсказуемые события, случающиеся с определённой регулярностью. Например, вывод аудио и видео.

• Изохронные события — регулярные события (разновидность асинхронных), случающиеся в течение интервала времени. Например, в мультимедийном приложении данные аудиопотока должны прийти за время прихода соответствующей части потока видео.

Применение систем реального времени

С развитием технологий системы реального времени нашли применения в самых различных областях. Особенно широко СРВ применяются в промышленности, включая системы управления технологическими процессами, системы промышленной автоматики, SCADA-системы, испытательное и измерительное оборудование, робототехнике. Применения в медицине включают в себя томографию, оборудование для радиотерапии, прикроватный мониторинг. СРВ встроены в периферийные устройства компьютеров, телекоммуникационное оборудование и бытовую технику, такую как лазерные принтеры, сканеры, цифровые камеры, кабельные модемы, маршрутизаторы, системы для видеоконференций и интернет-телефонии, мобильные телефоны, микроволновые печи, музыкальные центры, кондиционеры, системы безопасности. На транспорте СРВ применяются в бортовых компьютерах, системах регулирования уличного движения, управлении воздушного движения, аэрокосмической технике, системе бронирования билетов и т. п. СРВ находят применения и в военной технике: системах наведения ракет, противоракетных системах, системах спутникового слежения.

Существующие СРВ являются многозадачными. Многозадачность реализуется через многопроцессность и многопоточность.

Многопроцессность в СРВ имеет существенные недостатки, поскольку требует поддержки времени выполнения для доступа к памяти, и, следовательно, при переключении контекстов системе нужно выполнить дополнительные действия.

Многопоточность — это наиболее распространенный подход при проектировании систем реального времени, при котором СРВ представляет собой один процесс, в рамках которого запущено несколько потоков.

Недостатком многопоточности является возможность модификации чужих данных какой-либо задачей (из-за отсутствия защиты). В связи с этим в СРВ представлены средства синхронизации, то есть средства, обеспечивающие задачам доступ к разделяемым ресурсам. К таким средствам относятся семафоры (бинарные и счетчики), мьютексы, очереди сообщений.

Структура СРВ приведена на рис. , где прикладной код — это совокупность пользовательских потоков управления, ОСРВ — операционная система реального времени, обеспечивающая планирование, синхронизацию и взаимодействие пользовательских потоков управления.

Рис. 1. Структура системы реального времени

Будем называть распределенную систему распределенной системой реального времени (РСРВ), если корректность ее функционирования зависит также и от ограничений, накладываемых на время обмена между компонентами системы.

Особенности отладки в системах реального времени

Отладка в СРВ направлена на обнаружение и исправление ошибок в прикладном коде. Она является одним из этапов кросс-разработки, схему которой можно представить следующим образом. Разработка приложения ведется как минимум на двух машинах: инструментальной и целевой. На инструментальной платформе происходит написание исходного текста, компиляция и сборка. На целевой — загрузка приложения, его тестирование и отладка.

Ввиду того, что целевая платформа, как правило, обладает более ограниченными ресурсами, чем инструментальная, отладка распределенных систем реального времени может быть двух видов.

Первый из них — имитация архитектуры целевой платформы, то есть возможность отладки целевых программных средств без использования самой платформы. Подобная имитация, как правило, не дает возможности провести подробное и полное тестирование ПО. Поэтому, такой тип отладки применяется только в случае отсутствия целевой платформы.

Второй способ — удаленная отладка (кросс-отладка). Кросс-отладка позволяет использовать ресурсы инструментальной системы при изучении поведения некоторого процесса в целевой системе.

Эффективность удаленной отладки зависит от типа связи инструментальной и целевой машин, а также от поддержки средств отладки со стороны целевой архитектуры.

Ключевым требованием к средствам отладки является возможность наблюдать и анализировать весь процесс выполнения отлаживаемых задач, а также системы в целом. В данной работе рассматриваются два метода отладки: активная отладка и мониторинг.

Суть активной отладки состоит в том, что отладчик имеет право останавливать выполнение задачи или всей системы, начинать или продолжать выполнение с некоторого адреса, отличного от точки останова, изменять значения переменных и регистров, и т.д. Недостаток этого метода заключается в том, что отладчик может вносить серьезные сбои в нормальную работу системы в связи с устанавливаемыми временными ограничениями. Этого можно избежать, остановив некоторую группу задач или всю систему целиком. Преимущество метода состоит в возможности корректировать поведение задачи в процессе ее выполнения.

Под мониторингом понимается сбор данных о задаче (значения регистров, переменных, и т. д.) или о системе в целом (стадии выполнения задач, происходящие события, и т. д.).

В процессе мониторинга отладчик практически не вмешивается в работу системы, обеспечивая нормальное ее функционирование, но вместе с тем не имеет возможности влиять на ход выполнения отлаживаемого приложения.

Ошибки в системах реального времени

Отмеченные выше методы отладки позволяют выявлять и устранять ошибки следующего характера:

1. Ошибки в программном обеспечении, влекущие неправильное выполнение задачи (безотносительно времени). Обычные ошибки, обнаруживаемые средствами активной отладки.

2. Ошибки в ОСРВ: ошибки планирования, синхронизации и связи. Для отладки, в этом случае, надо использовать один из способов мониторинга.

3. Логические ошибки, связанные с асинхронностью.

4. Ошибки, связанные с тем, что данные задачи были изменены другой задачей. Локализацию ошибок лучше проводить, используя мониторинг, а именно: осуществлять периодический контроль целостности данных, временно запрещать другим задачам доступ к некоторым участкам кода или данных.