Основные понятия систем реального времини

Размещено на http://www.allbest.ru/

Системы реального времени. Основные требования к СРВ

Системы реального времени (СРВ) - аппаратно-программный комплекс, реагирующий в предсказанный момент времени на не предсказуемый поток внешних событий.

В СРВ успешность работы любой программы не только от логической правильности, но и то времени, за которое она получила результат.

Основные требования к СРВ:

СРВ должна успевать среагировать на события, произошедшие на объекте, в течение времени критическое для этого события. Величина критического времени для каждого события определяется объектом и самим событием, но время реакции системы должно быть вычислено при ее создании. Отсутствие реакции в предсказанное время считается ошибкой для СРВ.

Системы должна успевать реагировать на одновременно происходящие события, даже если два или более событий происходит одновременно, система должна успеть среагировать на каждое из них в течение интервала времени, критический для данного события (робот, автопилот).

Таким образом, СРВ - это система, в которой корректность функционирования зависит от соблюдений временных ограничений.

Жесткие и мягкие СРВ

СЖРВ не допускают никаких задержек реакции системы, ни при каких условиях, так как результаты могут оказаться бесполезными в случае опоздания, либо может произойти катастрофа в случае задержки реакции. Примеры: бортовые СУ самолетов, различные системы аварийной защиты.

СМРВ характеризуются тем, что задержка реакции не критична, хотя может привести к увеличению стоимости результата и снижению производительности. Основное отличие между СЖРВ и СМРВ состоит в том, что СЖРВ никогда не опоздает с реакцией на событие, а СМРВ не должна опаздывать с реакцией на событие.

Структура СРВ

Прикладной код - совокупность пользовательских потоков управления.

ОСРВ - операционная система реального времени.

RTOS - система, которая может быть использована для построения СРВ и обеспечивающая планирование, функционирование и взаимодействие пользовательских потоков управления.

Системы разработки и системы исполнения. Сравнение ОСОН и ОСРВ

Системы исполнения ОСРВ - это набор инструментов (ядро, драйверы, исполняемые модули и т.д.), обеспечивающий функционирование приложения в реальном времени.

Система исполнения ОСРВ и компьютер, на котором она выполняется, называются целевой системой.

Система разработки ОСРВ - это набор средств (компиляторы, отладчики, утилиты, средства удаленной отладки, средства профилирования - измерение времени выполнения отдельных участков кода, средства эмуляции целевого процессора, средства моделирования и т.д.), обеспечивающий создание и отладку приложений реального времени.

Системы разработки ОСРВ работают в популярных и распространенных ОСОН.

Сравнение ОСОН и ОСРВ:

Четкое разделение систем исполнения и систем разработки,

ОСОН - операционная система общего назначения - многопользовательские, ориентированные на оптимальное распределение ресурсов компьютера между всеми пользователями и задачами.

В ОСРВ подобная задача отходит на второй план после главной задачи - успеть среагировать на событие,

Применение ОСРВ всегда связано с аппаратурой, объектами, событиями, происходящими на объекте. СРВ как аппаратный программный комплекс, включает в себя датчики, регистрирующие события, модули ввода-вывода, предназначенные для преобразования показателей датчиков в цифровой вид, компьютер с программой, реагирующей на события.

Применение ОСРВ всегда конкретно. Если ОСОН обычно представляет собой готовый набор приложений (пасьянс и т.д.), то ОСРВ служит инструментом для создания аппаратно-программного комплекса реального времени.

Проектируя и разрабатывая конкретную СРВ программист точно знает, какие события могут произойти на объекте, знает критические сроки обслуживания каждого этого события.

Классификация вычислительных установок, на которых применяется ОСРВ

«Обычные» компьютеры - по логическому устройству совпадают с обычными компьютерами, но аппаратное устройство несколько отличается. Для обеспечения минимального времени простоя в случае технической неполадки, процессор, память и др. размещаются на съемной плате, вставляемой в специальный разъем.

Промышленные компьютеры - состоят из одной платы, на которой размещены процессор, контроллер памяти, память (ПЗУ и ОЗУ). В ПЗУ размещена сама ОСРВ, в ОЗУ - коды и данные.

Встраиваемые системы - устанавливаются внутрь оборудования, которыми они управляют. Для крупного оборудования по исполнению могут совпадать с промышленными компьютерами, для оборудования поменьше могут представлять процессор с сопутствующими элементами.

Характеристики ОСРВ

1. Время реакции системы на внешние события, реактивность.

СРВ должна обеспечит требуемый уровень сервиса за промежуток времени, задается периодичностью и скоростью процессов, которыми управляет система.

В зависимости от области применения СРВ приблизительное время реакции может быть следующим:

Математическое моделирование - несколько миллисекунд;

Радиолокация - несколько микросекунд;

Складской учет - несколько микросекунд;

Управление производством - несколько микросекунд.

Требования к реактивности системы и возможные используемые ОС:

Время реакции Используемые ОС > 10 микросекунд Только у ОСРВ, граница выбора между схематичным и программным решением,

10-100 микросекунд ОСРВ

100 микросекунд-1 милисекунда ОСРВ, Linux, расширение реального времени для WindowsNT,

1 милисекунда СРВ, ОСОН

Чтобы определить время реакции системы нужно знать интервал времени от события на объекте и до выполнения первой инструкции у программы.

Порядок обработки события:

События, происходящие на объекте, регистрируются датчиками. Информация с датчиков поступает в модуль ввода-вывода. Модуль ввода-вывода, преобразовав информацию с датчиков, генерирует запрос на прерывание в управляющем компьютере. Получив сигнал с модуля ввода-вывода, системы должна запустить обработчик этого события.

ОСРВ содержит механизмы, гарантирующие заранее вычисленное время реакции системы. Эта гарантия достигается путем знания максимального времени блокировок прерывания в системе, времени переключения контекста, времени выполнения различных системных вызовов и т.д.

2. Время перезагрузки системы.

Эта характеристика важна для систем, от которых требуется непрерывная работа. Для обеспечения непрерывной работы ставятся программные ловушки. Которые отслеживают зависания системы. В случае зависания системы автоматически ее перезагружают.

3. Размер системы.

Для СРВ важен размер системы исполнения, а именно суммарный размер необходимого системного набора (ядро, системный модуль, драйверы и т.д.).

4. Возможность исполнения системы из ROM (ПЗУ).

Система должна иметь возможность загружать систему из ПЗУ. Для экономии места в ПЗУ часть системы может храниться в сжатом виде и загружаться в RAM.

5. Наличие необходимых драйверов устройств.

ОСРВ содержат необходимый инструментарий для быстрой разработки драйверов.

6. Поддержка процессоров различной архитектуры.

В связи с тем, что в промышленных компьютерах, встраиваемых системах и т.д. широко распространены процессоры различной архитектуры, с различной системой команд, ОСРВ должна поддерживать широкий ряд процессоров.

7. Наличие специального кроссплатформенного инструментария разработчика.

8. Механизмы реального времени.

Процессы и потоки

Диспетчер потоков или планировщик - специальная задача операционной системы, осуществляющая управление выполнением потоков.

Диспетчеризация потоков (планирование)

Диспетчер потоков или планировщик - специальная задача операционной системы, осуществляющая управление выполнением потоков.

ОСРВ - многозадачная ОС. Это означает, что в системе может существовать несколько потоков и процессов, причем многие из них могут оказаться в состоянии готовом к исполнению. Для того чтобы определить, какому из этих потоков предоставить свободный процессор, используется приоритет, назначенный каждому потоку. Любой приоритет имеет специальный поток под названием idle. Этот поток всегда находится в состоянии, готовом к исполнению.

Диспетчеризация выполняется в следующих случаях:

Исполняющийся на процессоре поток перешел в блокировочное состояние,

Поток с более высоким приоритетом, чем исполняющийся поток, перешел в состояние готовности,

Исполняющийся поток сам передает право исполнения на процессоре другому потоку.

Процессор имеет несколько регистров. В тот момент, когда поток выполняется, информация о нем хранится в указанном регистре. Тогда же планировщик принимает решение о том, что должен исполнять другой поток. Он должен делать следующее:

Сохранить текущее состояние регистров активного потока и другую контекстную информацию,

Записать информацию в регистры для нового потока, а так же загрузить новый контекст.

Переключение контекста - передача процессорного времени другому потоку готовому к выполнению.

Если несколько готовых к исполнению потоков имеют одинаковые приоритеты, то повлиять на их взаимоотношения можно с помощью такого параметра потока как дисциплина/политика диспетчеризации.

Основные дисциплины диспетчеризации

1. FIFO - если потоку назначено FIFO, то другой поток с таким же приоритетом получит управление, если исполняющийся поток заблокируется сам или уступит право исполнения.

2. RR - круговая или карусельная диспетчеризация. Поток исполняется в течение кванта времени и передает управление следующему потоку с таким же приоритетом

Основные постулаты диспетчеризации для однопроцессорных систем.

Только один поток может выполняться в данный момент времени,

Всегда должен выполняться поток с высшим приоритетом,

Поток должен работать до тех пор, пока он не заблокируется или не завершится,

Поток (RR) должен работать в течение выделенного ему кванта времени, после чего планировщик (ядро ОСРВ) обязан его перепланировать.

Планирование в СРВ

В СРВ существенную роль играет время. Чаще всего одно или несколько устройств генерируют входные сигналы и компьютер должен адекватно на них реагировать в течение заданного промежутка времени.

Например, компьютер, проигрывая CD, получает биты от дисковода. Компьютер должен за очень маленький промежуток времени конвертировать их в музыку. Если процесс конвертации будет слишком долгим, звук окажется искаженным.

В СРВ реализуется разделение программы на несколько процессов, каждый из которых предсказуем. Эти процессы чаще всего бывают короткими и завершают свою работу в течение секунды. Когда появляется внешний сигнал, именно планировщик должен обеспечить соблюдение графика. Внешние события, на которые системы должна отреагировать, можно разделить на:

Периодические - возникающие через регулярный период времени,

Не периодические - возникают не предсказуемо.

Возможно наличие нескольких периодических потоков события, которые система должна обрабатывать. В зависимости от времени, затраченного на обработку события, может оказаться, что система не может обрабатывать все события.

Если в систему поступает n событий, событие с номером i поступает с периодом Pi, на его обработку уходит Ci секунд работы процессора. Все потоки могут быть своевременно обработаны только при выполнении условия: .

СРВ, удовлетворяющие этому условию, называются планируемыми.

Алгоритмы планирования для СРВ могут быть как статическими, так и динамическими. В первом случае, все решения планирования принимаются заранее, до запуска системы. Во втором случае, решения планирования принимаются по ходу дела.

Операционные системы реального времени

В системах реального времени существенную роль играет время. Чаще всего одно или несколько внешних физических устройств генерирует входные сигналы, и компьютер должен адекватно на них реагировать в течение заданного промежутка времени. Например, компьютер в проигрывателе компакт-дисков получает биты от дисковода и должен за очень маленький промежуток времени конвертировать их в музыку. Если процесс конвертации будет слишком долгим, звук окажется искаженным. Подобные системы также используются для наблюдения за пациентами в палатах интенсивной терапии, в качестве автопилота самолета, для управления роботами на автоматизированном производстве. В любом из этих случаев запоздалая реакция ничуть не лучше, чем отсутствие реакции. Системы реального времени делятся на жесткие системы реального времени, что означает наличие жестких сроков для каждой задачи, и гибкие системы реального времени, в которых нарушения временного графика нежелательны, но допустимы. В обоих случаях реализуется разделение программы на несколько процессов, каждый из которых предсказуем. Эти процессы чаще всего бывают короткими и завершают свою работу в течении секунды. Когда появляется внешний сигнал, именно планировщик должен обеспечить соблюдение графика. Внешние события, на которые система должна реагировать можно разделить на периодические (возникающие через регулярные промежутки времени) и непериодические (возникающие непредсказуемо). Алгоритмы планирования для систем реального времени могут быть как статическими, так и динамическими. В первом случае все решения планирования принимаются заранее, еще до запуска системы. Во втором случае решения планирования принимаются по ходу дела. Статическое планирование допустимо только при наличии достоверной информации о работе, которую необходимо выполнить и о временном графике, которого нужно придерживаться. Динамическое планирование не нуждается в подобных ограничениях.

Размещено на Allbest.ru