Операционные системы реального времени

Ядро RTEMS обеспечивает базовую функциональность систем реального времени. В эти возможности входят

· мультизадачная обработка;

· работа в гомогенных и гетерогенных системах;

· планирование, управляемое событиями, на основе приоритетов;

· планирование с монотонной скоростью;

· взаимодействие задач и синхронизация;

· приоритетное наследование;

· управление ответным прерыванием;

· распределение динамической памяти;

· конфигурирование системы для уполномоченных пользователей;

· переносимость на многие целевые платформы.

Ядро RTEMS отвечает за управление основной памятью компьютера и виртуальной памятью выполняемых процессов, за управление процессором и планирование распределения процессорных ресурсов между совместно выполняемыми процессами, за управление внешними устройствами и, наконец, за обеспечение базовых средств синхронизации и взаимодействия процессов. При этом ядро использует соответствующие менеджеры. В состав RTEMS входит набор следующих менеджеров: инициализации, задач, прерываний, часов реального времени, таймера, семафоров, сообщений, событий, сигналов, разделов, регионов, двухпортовой памяти, ввода/вывода, неисправимых ошибок, монотонной частоты, расширений пользователя, многопроцессорности. Привязка ОСРВ к аппаратуре производится с помощью специальной библиотеки подпрограмм BSP (board support package) и специализированных подпрограмм для различных архитектур. В состав BSP входят программа инициализации аппаратуры и драйверы устройств. Поддержка в RTEMS мультипроцессорных систем позволяет использовать ее для управления как однородными, так и неоднородными системами Ядро RTEMS автоматически учитывает различия в архитектуре используемых процессоров, выполняя в случае необходимости перестановку байтов и другие процедуры. Это позволяет осуществлять переход на другое семейство процессоров без значительных изменений системы.

ОСРВ RTEMS можно рассматривать как набор компонентов, обеспечивающих ряд базовых сервисных функций для программ пользователя. Программный интерфейс приложения состоит из директив, распределенных по логическим наборам соответствующих менеджеров. Функции, используемые несколькими менеджерами, такие как распределение процессорного времени, диспетчеризация и управление объектами, реализованы в ядре. Ядро содержит также небольшой набор процедур, зависящих от типа используемого процессора: доступ к физической памяти, инициализация контроллера прерываний и периферийных устройств, специфичных для данного процессорного ядра, и т.д.

В ОСРВ RTEMS реализуются следующие виды межпроцессорного взаимодействия:

· обмен данными между задачами;

· обмен данными между задачами и программами обработки прерываний;

· синхронизация между задачами;

· синхронизация между задачами и программами обработки прерываний.

Функции, позволяющие осуществлять те или иные виды межпроцессорного взаимодействия, входят в большинство менеджеров RTEMS. Менеджеры семафоров, сообщений, событий, сигналов предназначены исключительно для осуществления межпроцессорного взаимодействия.

Менеджер семафоров. RTEMS поддерживает стандартные двоичные и семафоры со счетчиками, обеспечивающие синхронизацию и монопольный доступ к ресурсам.

Менеджер событий. Служит для синхронизации выполнения задач. Флаг события используется задачей для того, чтобы информировать другую задачу о возникновении определенного события. Каждой задаче соответствуют 32 флага событий. Совокупность одного или более флагов называется набором событий. Одна задача может послать другой задаче набор событий, а также выяснить состояние набора событий соответствующей функцией.

Менеджер сообщений. Служит для обмена между задачами сообщениями переменной длины. Сообщения передаются через очереди типа FIFO ("первым пришёл, первым обслужен"). Имеется возможность посылки срочного сообщения. Для каждой очереди задается максимальная длина сообщения. Сообщения могут использоваться для синхронизации задач. Задача может ожидать прихода определенного сообщения или проверять наличие сообщения в очереди.

Менеджер сигналов. Используется для асинхронного взаимодействия между задачами. Задача может включать в себя процедуру обработки асинхронного сигнала, которой передается управление при получении сигнала. Флаг сигнала используется задачей для того, чтобы проинформировать другую задачу о возникновении нештатной ситуации. Каждой задаче соответствуют 32 флага сигналов. Совокупность одного или более флагов называется набором сигналов.

Менеджер задач. Обеспечивает полный набор функций для создания, удаления и управления задачами. С точки зрения RTEMS, задачей является наименьшая последовательность команд, которая может самостоятельно конкурировать за использование системных ресурсов. Каждой задаче соответствует блок контроля задачи TCB (Task Control Block). Этот блок является структурой, которая содержит всю информацию, относящуюся к выполнению задачи. В процессе инициализации RTEMS выделяет TCB для каждой задачи, имеющейся в системе. Элементы TCB изменяются в соответствии с системными вызовами, которые выполняются приложением в ответ на внешние запросы. Блок TCB - это единственная внутренняя структура данных RTEMS, доступная приложению через дополнительные процедуры пользователя. При переключении задач в TCB сохраняется контекст задачи. При возвращении управления задаче ее контекст восстанавливается. При перезапуске задачи исходный контекст задачи восстанавливается в соответствии со стартовым контекстом, хранящемся в TCB. Задача может находиться в одном из пяти состояний: выполнение; готовность к выполнению (управление может быть передано задаче); остановка (задача заблокирована); спящий режим (созданная, но не запущенная задача); отсутствие задачи (задача не создана или удалена).

Ядро реального времени RTEMS поддерживает 255 уровней приоритетов. Чем больше значение приоритета, тем более привилегированной является задача. Количество задач, имеющих одинаковый приоритет, не ограничено. Каждая задача всегда имеет какой-либо уровень приоритета, начальное значение которого присваивается при создании задачи и в дальнейшем может быть изменено. Режим выполнения задачи определяется следующими параметрами: вытесняемость; обработка асинхронных запросов ASR (Asynchronous Signal Request); квантование времени; уровень прерывания. Эти параметры используются для распределения процессорного времени и изменения контекста задачи. Они задаются пользователем при компиляции системы.

Параметр вытесняемости определяет порядок передачи управления между задачами. Если он включен, то задача сохранит контроль над процессором, пока она находится в состоянии выполнения, даже если готова к выполнению более привилегированная задача. Если этот параметр выключен, то управление будет немедленно передано задаче, имеющей более высокий приоритет.

Параметр квантования времени определяет, как происходит распределение процессорного времени между задачами с одинаковым приоритетом. Если он включен, то RTEMS ограничит время выполнения задачи при наличии другой задачи с таким же приоритетом, готовой к выполнению. Время, выделяемое каждой такой задаче, определяется в таблице конфигурации системы. Если квантование времени выключено, то задача будет выполняться до тех пор, пока не станет готова к выполнению задача с более высоким приоритетом. Если параметр вытесняемости выключен, параметр квантования времени не учитывается.

Параметр обработки асинхронных сигналов (запросов) ASR определяет порядок обработки получаемых задачей сигналов (запросов). Если он включен, то посланные задаче сигналы будут обработаны, если выключен - сигналы будут обработаны только после включения этого параметра. Данный параметр влияет только на задачи, имеющие процедуры обработки внешних сигналов.

Параметр уровня прерывания определяет, какие прерывания могут обрабатываться при выполнении задачи.

Менеджер инициализации. Отвечает за запуск и остановку RTEMS. Инициализация RTEMS производится путем создания и запуска всех инициализирующих задач и инициализирующих процедур для каждого драйвера. В случае мультипроцессорной системы происходит также инициализация механизмов межпроцессорного взаимодействия. Инициализирующие задачи отличаются от остальных задач тем, что они присутствуют в таблице инициализирующих задач пользователя и автоматически создаются RTEMS в процессе инициализации. Чтобы эти задачи выполнялись до запуска остальных задач, они должны иметь более высокий приоритет. После окончания инициализации RTEMS не удаляет инициализирующие задачи, поэтому такие задачи должны либо сами удалить себя, либо трансформироваться в "обычную" задачу. В любой системе должна быть, как минимум, одна инициализирующая задача.

Менеджер прерываний позволяет быстро реагировать на прерывания, обеспечивая возможность "вытеснения" задачи сразу после выхода из процедуры обработки прерывания. Менеджер прерываний также дает программе пользователя возможность подключить процедуру обработки к соответствующему вектору прерывания. Когда поступает запрос прерывания, процессор передает его ядру RTEMS. При обслуживании запросов прерывания RTEMS сохраняет и восстанавливает содержимое всех регистров, сохранение которых не предусмотрено правилами языка С, а затем вызывает пользовательскую процедуру обработки прерывания. Для минимизации времени, в течение которого не обслуживаются запросы прерывания равного или более низкого уровня, процедура обработки должна выполнять лишь минимальный набор необходимых действий. Дальнейшая обработка должна осуществляться программой пользователя. Менеджер прерываний гарантирует правильное распределение процессорного времени между задачами после завершения процедуры обработки прерывания. Системный вызов, сделанный из процедуры обработки прерывания, может перевести в состояние готовности к исполнению задачу с большим приоритетом, чем прерванная задача. Поэтому необходимо произвести отложенную диспетчеризацию после завершения процедуры обработки прерывания. Вызов директив RTEMS из процедуры обработки прерывания не сопровождается диспетчеризацией.

Для правильного распределения процессорного времени между задачами должно выполняться следующее условие: все процедуры обработки прерываний, которые могут быть прерваны процедурами обработки прерываний, вызывающими директивы RTEMS с большим приоритетом, должны использовать менеджер прерываний. Если при обработке прерывания поступает новый запрос на прерывание, его обработка происходит сразу после завершения текущей процедуры обработки. Отложенная диспетчеризация производится только после того, как будут обслужены все запросы. ОСРВ RTEMS поддерживает 256 уровней прерываний, которые транслируются в уровни прерываний процессора.

При выполнении определенных директив RTEMS может возникнуть необходимость отключения обработки прерываний, чтобы обеспечить непрерывное выполнение критических сегментов программы. Перед выполнением этих сегментов система RTEMS отключает все маскируемые прерывания. Максимальное время отключения прерываний различно для разных процессоров и указывается в документации RTEMS для соответствующего процессора. Немаскируемые прерывания не отключаются, поэтому в процедурах их обработки не должны использоваться директивы RTEMS.

Менеджер ввода/вывода. Обеспечивает определенный механизм доступа к драйверам устройств. Если в системе используется этот менеджер, то в конфигурационной таблице должен быть указан адрес таблицы драйверов устройств, которая содержит входные точки каждого драйвера. Драйвер может иметь следующие точки входа: инициализации, открытия, закрытия, чтения, записи, контроля.

Менеджер доступа к памяти. Для работы с памятью служат менеджеры разделов и регионов. Раздел - это область памяти, состоящая из буферов фиксированной длины. Каждый из этих буферов может быть выделен для использования с помощью директив менеджера разделов. Регион - это область памяти переменной длины, кратной размеру страницы для данного региона. Раздел представляет собой список буферов. При запросе на выделение буфера он выделяется из начала списка свободных буферов. Когда буфер освобождается, он помещается в конец этого списка. Регион состоит из блоков памяти различного размера, который кратен размеру страницы для данного региона. При поступлении запроса на выделение блока памяти размер запрошенного блока округляется до целого количества страниц, и при наличии свободного блока соответствующего размера этот блок выделяется. Менеджер доступа к памяти реализует следующий набор функций: создание, удаление, установка значений, освобождение, захват областей регионов/разделов и буферов, содержащихся в них. Для регионов реализуется возможность добавления памяти.

Менеджер таймеров обеспечивает работу с таймерами: создание и удаление таймеров, доступ к таймерам, запуск подпрограмм по событию/сигналу от таймера. Этот менеджер может быть использован для создания сторожевого таймера.

Менеджер часов реального времени используется для информирования пользователя о текущей дате. Обеспечивает также формирование и обработку сигналов об истечении минимальных промежутков времени, которые задаются на этапе конфигурирования системы и равны целому числу микросекунд.

RTEMS не поддерживает динамическую загрузку приложений и модулей, поэтому сферой ее применения являются встраиваемые системы, в которых не предполагается частая модификация программного обеспечения. ОСРВ RTEMS обеспечивает достаточно слабую поддержку файловых систем, что ограничивает область ее возможного применения в сфере систем централизованного сбора и хранения данных стандартными высокоуровневыми средствами. На настоящий момент RTEMS поддерживает только файловые системы IMFS и TFTP, что явно недостаточно. Поэтому для создания на базе RTEMS файл-серверов требуется разработка специального протокола. Понимая эту проблему, разработчики RTEMS ведут активную работу по реализации систем поддержки широко используемых файловых систем (в первую очередь сетевых). В RTEMS фактически отсутствуют резидентные средства отладки. Имеются только стандартные функции rtems_panic и printf, которые позволяют выводить отладочную информацию на терминал в процессе работы системы. Следует, однако, отметить, что наличие мощных средств кросс-разработки делает этот недостаток не очень существенным.

2.4 ChorusOS

Операционная система ChorusOS - это масштабируемая встраиваемая ОС, широко применяемая в телекоммуникационной индустрии. В настоящее время этот бренд развивается и распространяется корпорацией Sun Microsystems [CHORUSOS]. Для компоновки и развертывания ОС ChorusOS на конкретных телекоммуникационных платформах Sun Microsystems предлагает использовать среду разработки Sun Embedded Workshop. Корпорация Sun Microsystems представляет ОС ChorusOS как встраиваемую основу для Sun'овской сети, управляемой сервисами (Sun's Service-Driven Network). В сочетании с широким набором сервисов, полной интеграцией ПО и аппаратуры, удобным администрированием и поддержкой Java-технологии, которая посвящена нуждам телекоммуникации, ОС ChorusOS дает возможность эффективно развертывать новые возможности и приложения, поддерживая надежность и функциональность современных сетей.

ОС ChorusOS поддерживает на одной аппаратной платформе широкий набор телекоммуникационных протоколов, унаследованных приложений, приложений режима реального времени и Java-технологии.

ОС ChorusOS моделирует три сорта приложений:

· POSIX-процессы составляют большинство приложений ChorusOS; эти приложения имеют доступ к чисто POSIX API, нескольким POSIX-подобным расширенным API и небольшому числу ограниченных системных вызовов микроядра,

· Акторы ChorusOS - эти приложения выполняются над микроядром и ограничиваются API микроядра, акторы включают драйверы, события подсистем и протокольные стеки,

· Унаследованные приложения ChorusOS поддерживаются для совместимости с приложениями, разработанными для более ранних версий ChorusOS.

Архитектура ОС ChorusOS является многослойной, основанной на компонентах (component-based). Микроядро содержит минимальный набор компонентов, необходимых для функционирования ОС

· kern - реализует интерфейс микроядра и содержит актор KERN, вспомогательную библиотеку и заголовочные файлы,

· менеджер приватных данных (pd) реализует интерфейс между подсистемами микроядра,

· менеджер постоянной памяти (pmm) реализует интерфейс постоянной памяти,

· core executive обеспечивает существенную часть поддержки реального времени.

Компонент диспетчера ядра (core executive) обеспечивает следующую функциональность

· поддержка многочисленных независимых приложений,

· поддержка пользовательских и системных приложений,

· поддержка актора - единицы модуляризации приложений,

· поддержка единицы исполнения - потока,

· операции управления потоками,

· управление Local Access Point (LAP),

· сервисы управления исключительными ситуациями,

· минимальный сервис управления прерываниями.

В core executive отсутствует управление такими сущностями, как синхронизация, планирование, время, память. Политики управления этими понятиями обеспечиваются дополнительными компонентами, которые выбираются пользователем в зависимости от требований аппаратных и программных средств. Core executive всегда присутствует в исполняемом экземпляре ОС ChorusOS, остальные компоненты конфигурируются и добавляются по необходимости. Размер резидентной часть ядра составляет 10Kb.

Понятие “актор” в ChorusOS определяется как единица загрузки для приложения. Оно также служит единицей инкапсуляции для того, чтобы сопоставить все системные ресурсы, используемые приложением, и потоки, выполняющиеся внутри актора. Примерами таких ресурсов являются потоки, регионы памяти и конечные точки взаимодействия.

Необязательные компоненты ОС ChorusOS 5.0 разбиваются в соответствии с функциональностью:

· Управление деятельностью (Actor management) включает поддержку расширения режима пользователя, динамические библиотеки, управление сжатыми файлами;

· Планирование (Scheduling) включает планирование в стиле FIFO (first-in-first-out), разностильное планирование (multi-class scheduling), циклическое планирование (round-robin), планирование в режиме реального времени;

· Управление памятью включает, кроме распределения памяти, поддержки аппаратной защиты и подкачки, еще и статистику микроядра, события системы Solaris, метрики операционной системы;

· Работоспособность (High Availability) включает горячий рестарт, сторожевой таймер (Watchdog timer), черный ящик, дамп системы;

· Синхронизация потоков включает семафоры, наборы флагов событий, мьютексы, монопольные блокировки, обеспечивающие отсутствие инверсии приоритетов;

· Управление временем включает периодические таймеры, потоковый виртуальный таймер, дата и время, датчик реального времени, переменные окружения;

· Взаимодействие потоков включает независимое от местонахождения взаимодействие, поддержку удаленного взаимодействия, механизм взаимодействия через почтовые ящики, синхронизацию между потоками, приватные данные потока, а также такие средства взаимодействия системы POSIX, как семафоры, сокеты, потоки, таймеры, очереди сообщений, объекты разделяемой памяти, сигналы реального времени;

· Инструментальная поддержка включает системную журнализацию, регистрацию ошибок, поддержку профилирования и контрольных точек, мониторинг системы, отладку системы, дамп ядра;

· Поддержка языка C включает командный интерпретатор на целевом компьютере, удаленный shell;

· Поддержка файловой системы включает именованные каналы, NFS-клиент, NFS-сервер, файловые системы MS-DOS, PDE, /proc, UFS, ISO9000;

· Управление вводом/выводом включает поддержку драйверов некоторых устройств;

· Сетевая поддержка включает поддержку некоторых сетевых протоколов.

Выделение управления памятью в отдельный необязательный компонент позволяет легко адаптировать систему к разным аппаратным платформам.

ОС ChorusOS 5.0 лежит в основе операционной среды Solaris и поддерживает следующие целевые платформы:

· UltraSPARC II (CP1500 и CP20x0),

· Intel x86, Pentium,

· Motorola PowerPC 750 и семейство процессоров 74x0 (mpc7xx),

· Motorola PowerQUICC I (mpc8xx) и PowerQUICC II (mpc8260) (микроконтроллеры).

Рис. 3. Архитектура ChorusOS.

2.5 Расширения реального времени для Windows NT

Windows NT проектировалась и, в основном, используется как универсальная ОС. Однако на рынке систем реального времени четко прослеживается тенденция использовать Windows NT и ее расширения в специализированных системах. На это существует несколько причин:

· Windows NT проектировалась согласно современным технологиям построения ОС,

· программный интерфейс приложений (API) для Win32 стал де-факто стандартом для программистов,

· графический пользовательский интерфейс (GUI) стал настолько популярным, что другие ОС стараются обеспечить похожий интерфейс,

· доступно большое количество драйверов устройств,

· доступны многие мощные интегрированные среды разработки.

Сама по себе Windows NT не подходит для применения в системах реального времени, поскольку в ней слишком мало приоритетных уровней, отсутствует механизм наследования приоритетов.

Для минимизации времени обработки прерываний (ISR) в Windows NT введена концепция отложенного вызова процедуры (DPC - deferred procedure call), приоритет которой выше, чем приоритет пользовательских и системных потоков, в то время как все DPC имеют одинаковый приоритет. Это приводит к тому, что все DPC ставятся в очередь FIFO, и DPC с высокоуровневым прерыванием сможет выполниться только после того, как все другие DPC, стоящие в очереди перед ней, будут выполнены.

Такие ситуации ведут к непредсказуемым временам отклика, что несовместимо с требованиями к ОСРВ. Управление памятью в Windows NT основано на механизме виртуальной памяти. Это тянет за собой защиту памяти, трансляцию адресов и подкачку, которая неприемлема в ОСРВ.

2.5.1 RTX для Windows NT

Расширение реального времени RTX (Real Time Extension) для ОС Windows NT (разработано корпорацией VenturСom) позволяет создавать приложения для высокоскоростного управления с детерминированным временем реакции на внешние события [RTX].

RTX глубоко интегрировано в ядро Windows NT и для обеспечения необходимых функций использует сервис Windows NT и API WIN32. Ядро реального времени (nucleus) интегрировано в ядро NT (kernel). Каждый процесс RTX выполняется как драйвер устройства ядра NT, при этом процессы не защищены друг от друга. Такая реализация приводит к быстрому переключению контекста, но небезопасна с точки зрения конфиденциальности.

Расширения реального времени добавляют к Windows NT специфическую для реального времени функциональность.

· Обеспечивается возможность создавать процессы реального времени, управляемые собственным планировщиком. Этот планировщик работает уже по правилам реального времени и использует алгоритм вытеснения по приоритетам. Кроме того, процессы реального времени имеют преимущество перед стандартными процессами Win32, вытесняя их. Процессы реального времени имеют совсем иную, по сравнению со стандартными процессами Windows NT, степень надежности и специфическую функциональность.

· Процессы реального времени и стандартные процессы Win32 имеют средства взаимодействия друг с другом.

· Процессы реального времени имеют свой собственный программный интерфейс RTAPI, реализующий развитый набор средств, характерный для программных интерфейсов (API) ОСРВ.

· Приложение может использовать как стандартные функции Win32, так и специфические функции API реального времени (RTAPI), что позволяет выделять критические участки кода приложений Windows NT и контролировать время и надежность их выполнения.

· Имеется возможность контроля над работоспособностью и временами реакции системы. Зависания стандартных приложений Windows NT или крах системы не приводят к зависанию приложений реального времени.

· Предоставляется возможность работы с быстрыми часами и таймерами высокого разрешения.

· Обеспечивается возможность прямого доступа к памяти и физическим устройствам.

RTX включает в себя следующие компоненты:

· уровень абстракции аппаратуры HAL (Hardware Abstraction Layer) реального времени (Real-Time HAL). HAL является программным компонентом самого низкого уровня при взаимодействии драйверов ядра с аппаратурой. В частности, именно на уровне HAL происходит первоначальная обработка прерываний от таймера,

· подсистему реального времени RTSS (Real-Time Subsystem),

· программный интерфейс расширений реального времени RTAPI (Real-Time Application Programming Interface). HAL реального времени подменяет стандартный HAL Windows NT.

Подсистема реального времени RTSS обеспечивает выполнение большинства функций и управление ресурсами расширений реального времени. С точки зрения реализации, RTSS выглядит как драйвер Windows NT и выполняется в режиме ядра. Это позволяет достаточно простым способом устроить взаимодействие между процессами реального времени и процессами Windows NT. RTSS обеспечивает выполнение функций RTAPI и содержит планировщик потоков реального времени со 128-ю фиксированными приоритетами. RTSS содержит также менеджер объектов, предоставляющий унифицированные механизмы использования системных ресурсов. По сравнению с набором объектов Windows NT, добавлены такие объекты, как таймеры и обработчики прерываний.

Работа с прерываниями Real-Time HAL. Перехватывая аппаратные прерывания, Real-Time HAL различает прерывания, относящиеся к обработчикам реального времени и обработчикам Windows NT. Прерывания, которые должны обрабатываться драйверами Windows NT, отправляются по стандартной цепочке. При этом Real-Time HAL следит за тем, чтобы прерывания не маскировались драйверами Windows NT более чем на 5 мкс, исключая возможность пропуска критического события.

Быстрые часы и таймерные службы. Для измерения временных интервалов или для генерации прерываний Real-Time HAL позволяет работать с тиккером, разрешение которого 1 мкс. Системный таймер синхронизирован с тиккером, и может работать с периодом 100 мкс или быстрее, обеспечивая работу как стандартных таймерных сервисов, так и дополнительных, входящих в состав подсистемы реального времени.

Поддержка подсистемы реального времени (RTSS). Кроме перечисленных выше функций (прерывания и таймеры), Real-Time HAL содержит поддержку функционирования всей подсистемы реального времени. Так, на основе прерываний от таймера строится диспетчер процессов реального времени. Real-Time HAL отвечает также за выполнение функций ввода-вывода подсистемы реального времени и пр.

Программный интерфейс реального времени RTAPI является расширением Win32 и содержит, прежде всего, набор функций, необходимых для управления устройствами. RTAPI реализован в двух видах - как подмножество вызовов подсистемы реального времени (RTSS) и как динамическая библиотека (DLL), которая может вызываться из Win32-приложений. RTAPI содержит следующие группы функций:

· управление процессами и потоками - предоставляет Win32-совместимый интерфейс для управления, создания, изменения приоритетов, профилирования и завершения потоков реального времени,

· управление объектами RTSS - предоставляет возможности унифицированного управления объектами RTSS (создание, закрытие, доступ). Объектами RTSS являются: таймеры, обработчики преры-ваний и исключительных ситуаций (startup, shutdown, blue screen), потоки, процессы, семафоры, мьютексы (mutex), разделяемая память, почтовые ящики, консольный и файловый ввод-вывод, регистры.

Взаимодействие между процессами. В RTAPI используются семафоры, мьютексы и разделяемая память для взаимодействия как потоков реального времени между собой, так и для их взаимодействия с процессами WIN32.

Управление памятью позволяет фиксировать приложения в памяти, запрещая их выгрузку в файл подкачки.

Доступ к физической памяти: приложение пользователя получает возможность доступа к данным по физическим адресам памяти.

Управление прерываниями позволяет назначать и запрещать обработчики прерываний, разрешать и запрещать прерывания.

Управление часами и таймерами разрешает создавать, удалять, отменять, инициализировать таймеры, назначать обработчики прерываний.

Управление вводом-выводом RTAPI предоставляет два способа управления устройствами ввода-вывода. Во-первых, приложения пользователя получают возможность непосредственного доступа к адресам портов ввода-вывода, что позволяет программировать работу устройств напрямую. Кроме того, внешнее устройство может управляться специальными (легко разрабатываемыми) драйверами, для работы с которыми RTAPI предоставляет специальный интерфейс.

2.5.2 INtime

Система INtime является расширением реального времени Windows, которое было разработано корпорацией Radisys Corporation, а в настоящее время поддерживается корпорацией TenAsys [INTIME].

INtime комбинирует возможности ОСРВ жесткого реального времени со стандартными ОС Windows, включая Windows XP, Windows XP Embedded, Windows 2000, Windows NT и Windows NT Embedded, не требуя дополнительной аппаратуры. INtime специально разработана под архитектуру процессора x86. Приложения реального времени и не реального времени выполняются на разных виртуальных машинах на единственном компьютере (см. рис. 4).

INtime, в отличие от RTX, слабо связана с NT. Архитектура INtime основана на механизме аппаратного обслуживания задач (hardware tasking), которое обеспечивается процессором Intel. Получается, что два ядра выполняются на одной аппаратуре. Поскольку они разделяют одну аппаратуру, потребовались некоторые модификации NT HAL. Такой подход позволяет защитить и отделить среду выполнения и область памяти от Windows. Внутри INtime каждый процесс приложения имеет свое собственное адресное пространство. Кроме того, ядро и приложения выполняются на разных приоритетных уровнях, что позволяет защитить их друг от друга.

INtime показывает предсказуемое поведение, однако ее сложная архитектура не позволяет достичь системе хорошей производительности. Из-за сегментационных ограничений INtime подходит не для всех систем реального времени.

Рис. 4. Структура INtime.

2.5.3 Microsoft Windows Embedded

Операционные системы Microsoft Windows Embedded для встраиваемых систем имеют две разновидности в соответствии с версиями ОС Windows - NT и XP [MSEmb]. Версии систем Embedded корпорации Microsoft состоят из многочисленных конфигурируемых частей, которые позволяют легко манипулировать набором установленного программного обеспечения.

Windows NT Embedded использует технические ресурсы Windows NT и позволяет разрабатывать приложения, которые могут быть легко интегрированы в существующую информационную инфраструктуру.

Набор средств разработки - Target Designer и Component Designer - позволяет OEM (original equipment manufacturer) производителям конфигурировать и создавать операционную систему для конкретной аппаратной платформы. Windows NT Embedded обладает специфическими компонентами для создания встраиваемых систем, которые позволяют работать в системах без видеоадаптера, осуществлять загрузку и работу накопителей в режиме "только чтение", выполнять удаленное администрирование и предоставляют дополнительные средства обработки ошибок и восстановления. Windows NT Embedded дает возможность создавать устройства, с которыми работать так же просто, как и со стандартными ПК на основе Windows, и управлять этими новыми устройствами на основе существующих профессиональных продуктов, таких как Microsoft Systems Management Сервер, HP OpenView, IBM Tivoli, CA Unicenter TNG, и др.



Рис. 5. Процесс разработки встраиваемого ПО на основе Windows NT Embedded.

Разработчик встраиваемых систем применяет для конфигурирования ОС Target Designer, используя готовый двоичный код Windows NT, дополнительные компоненты для встраивания и дополнительные приложения. В случае необходимости, для создания новых компонентов, не входящих в состав продукта (например, драйверов устройств, приложений и пр.), может использоваться Component Designer. Вновь созданные новые компоненты могут быть импортированы в Target Designer и включены в состав целевой ОС. После конфигурирования ОС с помощью Target Designer происходит проверка взаимосвязей компонентов и строится образ системы, готовый к загрузке и исполнению на целевой системе.

Windows XP Embedded насчитывает до 10000 отдельных компонентов, а в Windows NT Embedded их было чуть больше 300. Основной отличительной чертой Windows XP Embedded является четкое разграничение компонентов системы, что позволяет разработчикам встраиваемого набора функций при создании образа системы включать только необходимые файлы и максимально сократить размер результирующей системы. Этими компонентами служат отдельные части системы Windows XP Professional.

Компоненты Windows XP Embedded представлены сервисами, приложениями, библиотеками и драйверами - разработчику нужно сконфигурировать необходимый набор функций и собрать из компонентов необходимую конфигурацию в образ среды исполнения (runtime image). Все опции конфигурации собраны воедино в базу данных компонентов. Разработчик имеет к ней доступ и может ее редактировать с помощью специального инструмента - Component Database Manager.

Для каждого компонента в процессе создания определяется ряд параметров:

· платформа, на которой будет выполняться данный компонент (определяет порядок компиляции и сборки);

· описание и схема подключения компонента;

· список ассоциированных ресурсов, таких как файлы и ключи реестра;

· зависимости компонента от других компонентов (например, от DirectX или NET runtime);

· указатель на хранилище файлов (чаще всего это просто локальный каталог, но может быть и сетевым ресурсом);

· принадлежность к группе для упрощения обращения сразу к нескольким компонентам как к целому.

Сама база данных управляется СУБД MS SQL Server и может быть расположена как локально, на компьютере разработчика, так и на сервере.

2.6 TinyOS

Разработка операционной системы TinyOS [HSW00] связана с появлением новой концепции беспроводной связи - Motes. Motes (в переводе с английского - пылинки, соринки) - это реализация идеи "smart-dust" ("распыленной разумности"), предложенной оборонным агентством Darpa (Defense Advanced Research Projects Agency), в частности, для отслеживания передвижений противника.

Motes разработаны в Калифорнийским университете в Беркли совместно с Intel, и в настоящее время ведутся испытания этих самоорганизующихся сетей, построенных на основе открытых технологий Intel Mote и программного обеспечения TinyOS, TinyDB.

Умные сенсоры Motes, распределенные в пространстве, могут самостоятельно связываться друг с другом, образуя распределенную беспроводную информационную сеть. "Пылинка разума" состоит из 8-битового микроконтроллера семейства Amtel AVR, приемопередающего интегрального модуля TR1000 и двух микросхем средней степени интеграции - энергонезависимой памяти и дополнительного загрузочного микроконтроллера, позволяющего по радиоканалу обновлять ПО центрального процессора - AVR.

"Smart-dust" создавалась для динамических, изменяющихся как в пространстве, так и во времени сетей - для той области, в которой абсолютно неприменимы ни традиционные алгоритмы управления, ни отработанные принципы маршрутизации, ни архитектурные решения, лежащие в основе традиционного системного ПО. Стремление конструкторов сделать ее как можно более компактной (в перспективе - 1 мм³) влечет за собой ряд существенных ограничений, в первую очередь энергетических. Ограниченные вычислительные ресурсы и динамический характер сети приводят к тому, что функциональность "пылинки" надо время от времени изменять, что может быть достигнуто только одним способом - передачей по радиоканалу нужного ПО. С другой стороны, энергетическая дороговизна передачи информации требует сверхкомпактного представления передаваемого кода, в противном случае "пылинки" просто не будут работать из-за быстрого истощения крохотных автономных источников питания.

При проектировании TinyOS основными требованиями являлись достижение энергетической эффективности и создание высокого уровня абстракции системных вызовов для упрощения разработки программ. Эта система обладает всеми отличительными признаками развитой ОС - в первую очередь, крайне простой, но достаточно развитой компонентной моделью. Однако специфика предназначения этой компонентной модели существенно отличается от традиционных разработок, поскольку главной целью компонентности является не облегчение подбора интерфейсов, соответствующих требованиям запрашивающего компонента, а обеспечение развитых и надежных механизмов параллельного выполнения задач в условиях крайне ограниченных ресурсов.

Вышеописанные причины привели разработчиков TinyOS к выбору событийной модели, которая позволяет управлять высокой степенью параллельности выполнения задач в ограниченном пространстве памяти. Подход к управлению многопоточности, основанный на стеках, потребовал бы значительно больших ресурсов памяти, чем предполагалось в данном проекте. Для каждого контекста исполнения потребовалось бы выделение памяти для наихудшего варианта, либо нужно было бы применить какой-либо слишком изощренный и сложный метод управления памятью.

Архитектура TinyOS объединяет такое привычную составляющую, как планировщик задач (scheduler), и оригинальное понятие - компонентный граф. Термин "компонент" здесь одновременно и соответствует общепринятому пониманию, и существенно расширяет его. Так, интерфейс компонента TinyOS состоит из двух множеств - верхнего, предоставляемого этим компонентом, и нижнего, требуемого для его функционирования. Каждое из этих множеств содержит описания команд и событий - синхронных и асинхронных процессов.

Согласно описанию системы, компонент имеет 4 взаимосвязанные части - набор команд, набор обработчиков событий, инкапсулированный фрейм фиксированного размера и пучок простых потоков. Потоки, команды и обработчики событий выполняются в контексте данного фрейма и воздействуют на его состояние. Кроме того, каждый компонент декларирует команды, которые он использует, и события, о которых он сигнализирует. Эти декларации используются при компоновке для конфигурации системы, настроенной на определенный класс приложений. Процесс композиции создает слои компонентов, где каждый более высокий уровень выдает команды к нижележащему уровню, а нижележащий уровень обращается к более высокому с помощью сигналов, что понимается в данной системе как события. Аппаратное обеспечение является самым низким слоем компонентов.

Написана TinyOS с использованием структурированного подмножества языка C. Использование статического распределения памяти позволяет определять требования к памяти на уровне компиляции и избегать накладных расходов, связанных с динамическим распределением. Кроме того, этот подход позволяет сокращать время выполнения благодаря статическому размещению переменных во время компиляции вместо доступа к ним по указателю во время выполнения.

Команды являются неблокируемыми запросами к компонентам нижележащего слоя. Команда сохраняет необходимые параметры в своем фрейме и может инициировать поток для его последующего выполнения. Чтобы не возникало неопределенных задержек, время ответа от вызванной команды не должно превышать заданного интервала времени, при этом команда должна вернуть статус, указывающий, успешно она завершилась или нет. Команда не может подавать сигналы о событиях.

Обработчики событий прямо или косвенно имеют дело с аппаратными событиями. Самый нижний слой компонентов содержит обработчики, непосредственно связанные с аппаратными прерываниями. Обработчик событий может положить информацию в свой фрейм, запустить потоки, подать сигнал вышележащему уровню о событиях или вызвать команды нижележащего слоя. Аппаратное событие инициирует фонтан обработки, которая распространяется вверх по уровням через события и может вернуться вниз через команды. Чтобы избежать циклов в цепочке команд/событий, команды не могут подавать сигналы о событиях. Как команды, так и события предназначены для выполнения небольшой, строго фиксированной порции обработки, которая возникает внутри контекста выполняющегося потока.

Основная работа возлагается на потоки. Потоки в TinyOS являются атомарными и, в отличие от потоков в других ОС, выполняются вплоть до своего завершения, хотя они и могут быть вытеснены событиями. Потоки могут вызывать команды нижележащего уровня, сигнализировать о событиях более высокому уровню и планировать другие потоки внутри компонента. Семантика потока “выполнение вплоть до завершения” позволяет иметь один стек, который выделяется выполняющемуся потоку, что очень существенно в системах с ограниченной памятью. Потоки дают возможность симулировать параллельную обработку внутри каждого компонента, т.к. они выполняются асинхронно по отношению к событиям. Однако потоки не должны блокироваться или простаивать в ожидании, потому в таких случаях они будут препятствовать развитию обработки в других компонентах. Пучки потоков обеспечивают средство для встраивания произвольных вычислительных обработок в модель, управляемую событиями.

В системе предусмотрена также отдельная абстракция задачи, понимаемая как продолжительный вычислительный процесс. Взаимоотношение между понятиями “команда” и “задача” следующее: команда - это атомарная составляющая задачи. Команда ставится в очередь на исполнение планировщика, затем она выполняется и может быть временно прервана обработкой события.

Планировщик работает по принципу очереди FIFO, т.е. для передачи управления следующей задаче требуется полное завершение предыдущей задачи. Однако, в зависимости от требований приложения, могут использоваться и более сложные механизмы планирования, основанные на приоритетах или на дедлайнах. Ключевым моментом является то, что планировщик ориентирован на энергосбережение: процессор засыпает, если очередь планировщика пуста, а периферийные устройства работают, и каждое из них может разбудить систему. Когда очередь становится пустой, новый поток может быть запущен на исполнение только в результате какого-либо события, которое может возникнуть только в аппаратных устройствах. Планировщик имеет крайне малые размеры - всего 178 байтов, данные планировщика занимают только 16 байтов.

В TinyOS полностью отсутствуют механизмы блокирования исполнения, что означает необходимость введения индикации завершения продолжительной операции соответствующим асинхронным событием. Традиционные приемы построения ОС реального времени и привычные отработанные архитектурные решения здесь оказались неприменимы. В результате вся ОС и ее компоненты построены по принципу конечных автоматов - переходов из состояния в состояние.

Итак, TinyOS состоит из набора компонентов (каждый размером примерно 200 байт), из которых разработчики собирают систему для каждого конкретного сенсора. Для компоновки системы из набора компонентов, которые статически компонуются с ядром, используется специальный описательный язык. После проведения компоновки модификация системы не возможна.

Для обеспечения динамичности во время выполнения была разработана виртуальная машина, которая является надстройкой над ОС TinyOS. Код для виртуальной машины можно загрузить в систему во время выполнения. Для работы этой виртуальной машины необходимы 600 байт оперативной памяти и менее 8 KB памяти команд 8-битового микроконтроллера. Программы виртуальной машины представляются 8-битовыми инструкциями всего трех типов, объединяемых в "капсулы" - атомарные последовательности не более чем двадцати четырех инструкций.

Иерархическая структура сети получается автоматически благодаря тому, что все сенсоры следуют простым правилам, заложенным в TinyOS. Правила эти, к примеру, определяют способ поиска кратчайшего пути до ближайшего стационарного узла, а уже в зависимости от того, где и как расположены сенсоры, сеть принимает привычную для системных администраторов древообразную форму. В TinyOS учитывается также и то, что некоторые виды сенсоров могут работать от солнечных батарей или иных источников энергии, зависящих от погоды, поэтому при потере связи с ближайшим узлом сети происходит смена маршрута, по которому пересылаются пакеты.

2.7 OSEK/VDX

Как уже упоминалось в разделе о стандартах, OSEK/VDX является комбинацией стандартов компьютерных систем реального времени, разработанных консорциумами OSEK и VDX для автомобильной промышленности. В данной работе рассматривается только стандарт OSEK, касающийся архитектуры операционной системы.

ОС OSEK оперирует такими объектами, как задачи, события, ресурсы. Кроме того, обеспечиваются такие возможности, как управление ошибками и средства для пользовательских функций отслеживания изменений в состоянии системы.

ОС OSEK обеспечивает определенный набор интерфейсов для пользователя. Интерфейсы используются сущностями, конкурирующими за центральный процессор. ОС OSEK оперирует двумя типами таких сущностей - задачи и прерывания - и определяет три уровня обработки - уровень прерываний, логический уровень планировщика и уровень задач. Задачи выбираются на выполнение в соответствии с присвоенными им приоритетами.

Задача в ОС OSEK может быть

· базовой или расширенной,

· вытесняемой или невытесняемой.

Главное различие между базовой и расширенной задачами заключается в том, может ли задача впасть в состояние ожидания (в котором она ждет появления события). Только расширенная задача может ожидать события. Вытесняемая задача может быть вытеснена задачей более высокого приоритета или прервана прерыванием. Невытесняемая задача может быть вытеснена только с помощью прерывания (когда прерывания не запрещены).

Рис. 6. Уровни обработки в ОС OSEK.

Концепция двух типов задач потребовала введения нового понятия - класс соответствия (conformance class) для описания своеобразной реализации ОС OSEK и системных сервисов. Определяются четыре класса соответствия - два для базового соответствия (BCC1 и BCC2 - Basic conformance Classes 1 и 2) и два для расширенного (ECC1 и ECC2 - Extended Conformance Classes 1 и 2). Реализации, которые соответствуют базовым классам, требуют использования только базовых задач, в то время как для расширенных классов нужны как расширенные, так и базовые задачи. Числа 1 и 2 в именах классов указывают количество запросов на задачу для базовых задач и количество задач на приоритет для всех задач. Таким образом, в BCC1 и ECC1 имеется только одна задача на приоритет, и базовые задачи могут быть запрошены только один раз. В BCC2 и ECC2 допускается множественность задач на приоритет и множественное запрашивание базовых задач.

Каждая задача должна находиться в одном из четырех состояний

· Выполняющаяся - только одна задача может быть в этом состоянии,

· Готовая к выполнению - планировщик может выбрать ее на выполнение на основании приоритетов и правил вытеснения,

· Ожидающая - задача ждет появления события,

· Приостановленная - задача в пассивном состоянии и ждет активации.

·

Рис. 7. Модель состояний задачи в ОС OSEK.

Каждая задача имеет приоритет. Стандарт ОС OSEK не ограничивает максимальное количество приоритетов - это определяет реализация.

ОС OSEK определяет два уровня программ управления прерываниями, которые различаются возможностями вызова системных сервисов. Прерывания уровня 1 выполняются независимо от ОС очень быстро. Уровень 2 обеспечивает выполнение функций приложений, которые содержат вызовы ОС.

События в ОС OSEK используются для синхронизации различных задач. События являются собственностью задач. Любая задача, в том числе и базовая, может установить событие, и только собственник события может ожидать или снять его.

Управление ресурсами обеспечивает доступ к разделяемым ресурсам, таким как память, аппаратура и т.п. Планировщик также считается специальным ресурсом, который может быть захвачен задачами. Чтобы избежать инверсии приоритетов и тупиковых ситуаций, OSEK применяет потолочный протокол приоритетов. Согласно этому протоколу задаче, захватившей ресурс, временно повышается приоритет, и, таким образом, никакие другие задачи, обращающиеся к данному ресурсу, не смогут выполняться до тех пор, пока ресурс остается захваченным. Однако, все задачи с более высоким приоритетом, чем приоритет задачи, захватившей ресурс, все еще могут выполняться.

Аварийные сигналы и счетчики в OSEK используются для синхронизации активации задач с повторяющимися событиями. Аварийный сигнал статически присваивается счетчику, задаче и воздействию. Воздействие может либо активировать задачу, либо установить событие. Счетчики оперируют тактами и могут представлять время, количество принятых импульсов и т.п. Каждая реализация обеспечивает один временной счетчик, который используется для планирования периодических событий. Все другие счетчики управляются через API, являются специфическими для конкретной реализации и не могут быть переносимыми.

В OSEK существует два типа аварийных сигналов: циклические и одинарные. Циклические аварийные сигналы применяются для диспетчеризации задачи, которая должна запускаться периодически. Счетчик аварийного сигнала может быть установлен в относительное или абсолютное значение. Параметры цикла и значение счетчика могут переустанавливаться динамически.

ОС OSEK обеспечивает минимальные средства для управления ошибками времени выполнения. Однако имеется возможность дополнительного управления ошибками во время разработки благодаря расширенной функциональности возврата управления. Причина такого решения состоит в том, что после того как продукт запущен в производство, большинство возможных ошибок может быть выявлено во время тестирования (такие как “неверный идентификатор задачи”, “ресурс занят”, “непредусмотренный вызов с уровня прерываний” и т.д.). Во время выполнения большинство системных сервисов не возвращает коды ошибок, но некоторые сервисы, такие как аварийные сигналы, которые могут стартовать и останавливаться динамически, возвращают код ошибки, если данный аварийный сигнал уже использовался.

ОС OSEK определяет два типа ошибок - ошибки приложения и фатальные ошибки. При ошибке приложения, когда приложение пытается выполнить несанкционированную операцию (например, активизировать несуществующую задачу), целостность внутренних данных все еще сохраняется. Фатальные ошибки возникают, если ОС обнаруживает нарушение целостности внутренних данных. При выявлении таких ошибок вызывается сервис завершения работы ОС.

2.8 OSE RTOS

Операционная система реального времени OSE RTOS, разработанная в корпорации ENEA, имеет ядро с приоритетным планированием [OSERTOS]. Это ядро сильно оптимизировано для обеспечения высокой производительности и достаточно компактно для использования во встраиваемых системах. OSE имеет архитектуру, управляемую сообщениями, с простыми системными вызовами. Передача сообщений в OSE служит концептуальным шлюзом в распределенных многопроцессорных встраиваемых системах. Задачи посылают сообщения друг другу напрямую через ОС без поддержки очередей, почтовых ящиков или других промежуточных механизмов. OSE RTOS поддерживает подкачку, дублирование, динамическое обновление кода и многие коммуникационные протоколы.