МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА)

Кафедра «Информационные системы»

РЕФЕРАТ A2

по дисциплине «Системы реального времени»

на тему “Особенности операционных систем реального времени”

Дата представления реферата на проверку: 26.02.2025

Студент гр. 1374		Наволоцкий И.Р. novil.00@mail.ru
Преподаватель		Сидельников В.В.

Санкт-Петербург

2025г.

Оглавление

Введение 4

1. Требования к ОСРВ: 5

2. Особенности архитектуры ОСРВ: 6

2.1. Микроядерная архитектура и модульность: 6

2.2. Минимальные накладные расходы и статическая конфигурация: 6

2.3. Поддержка жёсткого реального времени и эффективная обработка прерываний: 6

3. Процессы и потоки в ОСРВ: 8

3.1. Процессы в ОСРВ: 8

3.1. Потоки в ОСРВ: 8

3.1. Синхронизация и взаимодействие процессов и потоков: 9

4. Средства синхронизации в ОСРВ: 10

4.1. Семафоры: 10

4.2. Мьютексы: 10

4.3. Очереди сообщений: 10

4.4. События (event flags): 11

4.5. Критические секции: 11

6. Проблема инверсии приоритетов в ОСРВ: 12

7. Протокол наследования приоритетов и протокол граничных приоритетов: 14

7.1. Протокол наследования приоритетов (Priority Inheritance Protocol, PIP): 14

7.2. Протокол граничных приоритетов (Priority Ceiling Protocol, PCP): 15

Сравнение протоколов: 16

Когда использовать: 16

8. Стандарты ОСРВ: 17

8.1. POSIX (Portable Operating System Interface): 17

8.2. ARINC 653 (Avionics Application Standard Software Interface): 18

8.3. DO-178B: 18

Применение DO-178C: 19

8.4. OSEK/VDX: 19

Основные особенности: 19

9. POSIX и расширения реального времени: 20

9.1. Основные расширения реального времени в POSIX: 20

9.1.1. Приоритетное планирование задач: 20

9.1.2. Таймеры реального времени: 20

9.1.3. Семафоры реального времени: 20

9.1.4. Очереди сообщений: 20

9.1.5. Асинхронный ввод-вывод (AIO): 21

9.1.6. Память, отображаемая на файлы (Memory-mapped files): 21

9.1.7. Синхронизация и взаимное исключение: 21

9.2. Преимущества POSIX для ОСРВ: 21

9.3. Примеры использования: 21

9.4. Итог: 21

Заключение: 23

Список использованных источников 24

Введение

Операционные системы реального времени (ОСРВ) играют ключевую роль в управлении критически важными системами, где соблюдение временных ограничений является обязательным. Они применяются в авионике, промышленной автоматизации, медицинском оборудовании и других областях, где задержки или ошибки могут привести к серьёзным последствиям. Особенностью ОСРВ является их способность обеспечивать детерминированное выполнение задач, что достигается за счёт специальных механизмов планирования, синхронизации и управления ресурсами.

В данном реферате рассматриваются основные аспекты ОСРВ, включая требования к их архитектуре, особенности процессов и потоков, средства синхронизации, а также проблемы, такие как инверсия приоритетов. Кроме того, освещаются ключевые стандарты, такие как POSIX с расширениями реального времени, ARINC 653 и DO-178B, которые обеспечивают надёжность и совместимость ОСРВ в различных отраслях. Эти стандарты и технологии делают ОСРВ незаменимыми для создания безопасных и эффективных систем реального времени.

1. Требования к осрв:

1. Детерминированность: ОСРВ должна гарантировать выполнение задач в строго определённые временные рамки. Время отклика системы должно быть предсказуемым и соответствовать требованиям приложения.

2. Минимальная задержка: ОСРВ должна обеспечивать минимальное время реакции на внешние события. Это включает быстрый контекстный переключение и обработку прерываний.

3. Надёжность: ОСРВ должна быть устойчивой к сбоям и обеспечивать отказоустойчивость. Это особенно важно в критически важных системах, где ошибки могут привести к серьёзным последствиям.

4. Поддержка многозадачности: ОСРВ должна эффективно управлять несколькими задачами, распределяя ресурсы между ними в соответствии с приоритетами и временными ограничениями.

5. Приоритетное планирование: ОСРВ должна использовать алгоритмы планирования, которые учитывают приоритеты задач. Это позволяет гарантировать выполнение критически важных задач в первую очередь.

6. Минимальные накладные расходы: ОСРВ должна минимизировать использование ресурсов (память, процессорное время) для обеспечения максимальной производительности.

7. Поддержка жёстких и мягких временных ограничений: ОСРВ должна уметь работать как с жёсткими (deadline обязателен), так и с мягкими (deadline желателен, но не критичен) временными ограничениями.

8. Масштабируемость: ОСРВ должна быть адаптируемой к различным аппаратным платформам и поддерживать как маломощные устройства, так и сложные системы.

9. Поддержка синхронизации и взаимодействия задач: ОСРВ должна предоставлять механизмы для синхронизации задач и обмена данными между ними (например, семафоры, очереди сообщений).

Эти требования обеспечивают эффективное функционирование ОСРВ в условиях, где критически важны временные ограничения и надёжность.

2. Особенности архитектуры осрв:

2.1. Микроядерная архитектура и модульность:

Многие ОСРВ строятся на основе микроядерной архитектуры, где ядро системы содержит только минимальный набор функций, таких как управление задачами, памятью и прерываниями. Остальные компоненты, такие как драйверы устройств, файловые системы и сетевые протоколы, вынесены в пользовательское пространство. Это позволяет повысить надёжность системы, так как сбой в одном из компонентов не приводит к краху всей системы. Кроме того, микроядерный подход упрощает отладку и тестирование, поскольку каждый модуль может быть проверен независимо. Модульность архитектуры также позволяет адаптировать ОСРВ под конкретные задачи. Разработчики могут включать только те компоненты, которые необходимы для конкретного приложения, что снижает накладные расходы и повышает эффективность системы. Например, в embedded-системах, где ресурсы ограничены, можно исключить ненужные функции, оставив только критически важные компоненты.