123

2.4Операционные системы реального времени. Операционная система QNX

2.4.1Общее представление об операционных системах реального времени

Английский термин «real-time» (и соответствующее ему в русском языке понятие «реальное время») является наиболее спорным и сложным термином. Данное понятие применяется в различных научно-технических областях и подразумевает некие действия, продолжительность которых определяется внешними процессами.

Специфическая особенность систем реального времени

заключается в том, что к ним предъявляются строгие временные требования, диктуемые окружением или определяемые их назначением [4].

Вышеприведенное определение не является единственным, для понимания смысла данного понятия, приведем еще несколько определений:

–Система называется системой реального времени (СРВ), если правильность ее функционирования зависит не только от логической корректности вычислений, но и от времени, за которое эти вычисления производятся. То есть для событий, происходящих в такой системе, КОГДА эти события происходят, так же важно, каклогическая корректность самих событий.

–Реальное время (программное обеспечение) — относится к системе или режиму работы, в котором вычисления проводятся в течение времени, определяемого внешним процессом,

сцелью управления или мониторинга внешнего процесса по результатам этих вычислений (IEEE 610.12-1990).

–Системы реального времени — это системы, которые предсказуемо (в смысле времени реакции) реагируют на непредсказуемые (по времени появления) внешние события.

Одной из функций таких систем может быть выполнение определенных действий в ответ на сигналы тревоги, и очень важно, чтобы они отвечали на них с определенной скоростью. В связи с этим существует разделение систем реального времени на два типа:

124

1.Системы с жесткими временными характеристиками — системы жесткого реального времени.

2.Системы с нежесткими временными характеристиками — системы мягкого реального времени.

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. Многие теоретики ставят здесь точку, из чего 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. Большинство систем жесткого реального времени являются системами контроля и управления. Такие СРВ сложны в реализации, так как для них предъявляются особые требования в вопросах безопасности.

Точного определения для мягкого реального времени не существует, поэтому отнесем сюда все СРВ, не попадающие в категорию жестких. Так как система мягкого реального времени может не успевать ВСЕ делать ВСЕГДА в заданное время, возникает проблема определения критериев успешности (нормальности) ее функционирования. Вопрос этот совсем не простой, так как 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.

Также СРВ можно разделить на системы специализирован-

ные и универсальные:

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

Универсальная СРВ должна уметь выполнять произвольные (заранее не определенные) временные задачи без применения специальной техники. Разработка таких систем, безусловно, является самой сложной задачей, хотя обычно требования,

125

предъявляемые к таким системам, мягче, чем требования для специализированных систем.

Если СРВ строится как программный комплекс, то в общем виде она может быть представлена как комбинация трех компонентов: прикладное программное обеспечение, операционная система реального времени (ОСРВ) и аппаратное обеспечение.

Вцелом ряде задач автоматизации программные комплексы должны работать как составная часть более крупных автоматических систем без непосредственного участия человека. В таких случаях СРВ называют встраиваемыми.

Встраиваемые системы (Embedded system) можно опреде-

лить как программное и аппаратное обеспечение, составляющее компоненты другой, большей системы и работающее без вмешательства человека.

Втечение длительно времени основными потребителями СРВ были военная и космическая области. Сейчас ситуация изменилась, и СРВ можно встретить даже в товарах народного потребления.

Основные области применения СРВ:

– Военная и космическая области:

•бортовое и встраиваемое оборудование;

•радары, системы измерения и управления;

•цифровые видеосистемы, симуляторы;

•ракеты, системы определения местоположения и при-

вязки к местности.

–Промышленность:

•автоматические системы управления производством; автоматические системы управления технологическими процессами;

•автомобилестроение: симуляторы, системы управления мотором, автоматическое сцепление …

•энергетика: сбор информации, управление данными и оборудованием …

•телекоммуникации: коммуникационное оборудование, сетевые коммутаторы, телефонные станции …

•банковское оборудование: банкоматы …

–Товары широкого применения:

•мобильные телефоны;

126

•цифровое телевидение: мультимедиа, видеосервисы, цифровые телевизионные декодеры …

•компьютерное и офисное оборудование.

Часто ОСРВ существуют в нескольких вариантах, например в полном и сокращенном, когда объем системы составляет несколько килобайтов.

Вычислительные установки, на которых используются СРВ, можно разделить на следующие платформы:

«Обычные» компьютеры. По логическому устройству совпадают с настольными компьютерами. Аппаратное устройство несколько отличается. Для обеспечения минимального времени простоя в случае технической неполадки процессор, память и другие элементы размещаются на съемной плате, вставляемой в специальный разъем так называемой «пассивной» платы. В другие разъемы этой платы вставляются платы периферийных контролеров и другое оборудование. Сам компьютер помещается в специальный корпус, обеспечивающий защиту от пыли и механических повреждений. В качестве мониторов используются жидкокристаллические дисплеи, иногда с сенсорочувствительным покрытием.

Основное доминирующее положение на этих компьютерах занимают процессоры Intel 80х86.

Подобные вычислительные системы обычно не используются для непосредственного управления промышленным или иным оборудованием. Они служат как терминалы для взаимодействия с промышленными компьютерами и встроенными контролерами, для визуализации состояния оборудования и технологического процесса.

На таких компьютерах, как правило, в качестве операционной системы (ОС) используют классические ОС (с разделением времени) с дополнительными программными комплексами, адаптирующими их к требованиям реального времени.

Промышленные компьютеры. Состоят из одной платы,

на которой размещены процессор, контролер памяти и память различных видов (ОЗУ, ПЗУ, статическое ОЗУ, флэш-память).

Несмотря на наличие контроллеров SCSI (Small Computer System Interface), очень часто СРВ работает без дисковых накопителей. Это связано с тем, что дисковые накопители не отве-

127

чают требованиям, предъявляемым к системам реального времени, таким, как надежность, устойчивость к вибрациям, габаритам и времени готовности после включения питания.

Плата помещается в специальный корпус, в котором установлены разъемы шины и источник питания. Корпус обеспечивает специальный температурный режим, защиту от пыли и механических повреждений. В этот же корпус вставляются цифроаналоговые и аналогово-цифровые преобразователи, через которых осуществляется ввод/вывод управляющей информации, управление электромоторами и т.п.

Среди промышленных процессоров доминируют процессо-

ры семейств PowerPC (Motorola — IBM), Motorola 68xxx (Motorola). Так же широкую нишу занимают процессоры семейства

SPARC (SUN), Intel (Intel), ARM (ARM).

При выборе процессора определяющими факторами являются получение требуемой производительности при наименьшей тактовой частоте, а также время между переключением задач и реакции на прерывания.

Промышленные компьютеры используются для непосредственного управления промышленным или иным оборудованием. Они часто не имеют монитора и клавиатуры. Для взаимодействия с ними используются обычные компьютеры, соединенные с ними через порты или Ethernet.

Встраиваемые системы. Устанавливаются внутрь оборудования, которым они управляют. Для крупного оборудования совпадают с промышленными компьютерами. Для меньшего оборудования представляют собой процессор с сопутствующими элементами, размещенными на одной плате с другими электронными компонентами этого оборудования.

Отметим основные особенности ОСРВ, диктуемые необходимостью работы на промышленном компьютере:

– Система часто должна работать на бездисковом компьютере и осуществлять начальную загрузку из ПЗУ. В силу этого должны учитываться следующие факторы:

•критически важным является размер системы;

•для экономии места в ПЗУ часть системы хранится в сжатом виде и загружается в ОЗУ по мере необходимости;