Основные особенности операционных систем реального времени

Структура программного обеспечения и основные особенности операционных систем реального времени.

1.1. Структура программного обеспечения

Комплексы СМ1820М программно совместимы с ПЭВМ ти­па IВМ РС. В состав ПО входит системное и тестовое програм­мное обеспечение.

Системное программное обеспечение включает базовую систему ввода-вывода ВIOS и операционную систему, записанные в Flash - памяти, а также драйверы системных модулей, входящих в состав комплекса. Первоначально в Flash-памяти инсталлирует­ся операционная система МS DOS; ВIOS обеспечивает возмож­ность установки операционных систем МS DOS, Windows, Windows NТ, ONX, Linux и VхWorks с их сетевыми и графически­ми расширениями. Предусмотрена установка разработанной в ИНЭУМ операционной системы USIX.

В качестве базового общесистемного программного обеспе­чения используется сетевая многозадачная UNIX - подобная опе­рационная система «жесткого» реального времени ОNХ. Инсталляция QNXна жестком магнитном диске происходит стандартным образом. Во время инсталляции QNX автоматически определяются и автоконфигурируются системные контролле­ры SVGА, ЕIDЕ, Еthernet; конфигурированные параметры запо­минаются. При этом автоматически происходит присоединение драйверов к загрузочной версии QNX. Драйверы системных кон­троллеров находятся на гибком магнитном диске.

Базовая система ввода-вывода (BIOS) обеспечивает функции для процессоров Реntium:

• поддержку режима авто конфигурирования плат Рlug аnd Рlау;

• изменение конфигурации через программу настройки Setuр;

• поддержку интерфейса стандарта ЕIDЕ (Enhanced Integrated Drive Electronics), или Fast АТА (АТ Attachment), для накопите­лей с файловой организацией памяти;

• управление энергоснабжением (Еnегgу Star);

• возможность загрузки через гибкие и жесткие магнитные диски и т.д.

Кроме того, ВIOS поддерживает некоторые специфические функции, например загрузку из локальной Fiash-памяти или ра­боту без клавиатуры.

Тестовое программное обеспечение содержит:

• начальные тесты процессора, памяти и периферийных устройств комплекса, запускаемые ВIОS после включения пита­ния;

• диагностические тесты специальных модулей ввода-вывода.

Основные особенности операционных систем реального времени

Операционные системы общего назначения не предназначе­ны для решения задач реального времени. Они ориентированы в основном на рациональное распределение ресурсов ЭВМ между пользователями, а также между выполняемыми задачами.

В УВК используются специализированные операционные системы - операционные системы реального времени (ОС РВ).Они управляют событиями и распределяют ресурсы УВК. Прин­ципиальным требованием к ОС РВ является гарантированное время реакции на внешние события, происходящие на управляе­мом объекте. Время реакции не должно превышать критического (deadline) времени для этого события. Критические время обслу­живания события зависит от специфики управляемого объекта и должно быть известно при создании системы управления.

Различают операционные системы жесткого (или детерми­нированного) и мягкого реального времени. Системы жесткого реального времени применяют для построения УВК, в которых задержка реакции недопустима, поскольку ведет к отказу систе­мы и может повлечь за собой катастрофические последствия. ОС мягкого реального времени используют при построении УВК, в которых задержка реакции не является отказом, однако может привести к потере качества, например к снижению производительности системы. В АСУТП используют, как правило, ОС же­сткого реального времени.

Рассмотрим основные особенности ОС РВ, отличающие их от ОС общего назначения.

Время реакции.Это ключевой параметр системы управлении. Время реакции системы - интервал, охватывающий время от на­ступления события на управляемом объекте до выполнения не­обходимых ответных действий. Величина этого интервала зави­сит от ряда причин. Интервал времени от момента возникнове­ния события на объекте до завершения выработки модулями УСО запроса на прерывание определяется характеристиками ап­паратных средств УВК. Остальное время (интервал до начала вы­полнения требуемой задачи реального времени) определяется свойствами ОС и архитектурой процессора.

Наиболее важными параметрами, характеризующими реак­тивность ОС, являются время задержки прерывания и время переключения контекста.

Время задержки прерывания - это интервал времени от момента посылки запроса на прерывание до выполнения первой команды программы обработки прерывания. Обычно это время оценивается для худшего (случая (при наличии других прерыва­ний, занятости процессора и т.д.) и зависит от эффективности операционной системы и архитектуры процессора, связанной с обработкой прерываний.

Время переключения контекста — это среднее время, которое система затрачивает на переключение между независимы­ми задачами:

где t_i - время переключения i-й задачи;

п - число одновременно выполняемых задач.

Время зависит от, эффективности структуры данных уп­равления задачей, архитектуры процессора и набора инструкций.

Время и составляет от единиц до десятков микросекунд.

Для оценки производительности ОС РВ разработаны различ­ные наборы тестов. Среди них - тесты BNCH для оценки произ­водительности отдельных компонентов и комплексные тесты, разработанные компанией AIM, для интегральных оценок.

Архитектура микроядра.

Современные ОС РВ (QNX, OS-9, VxWarks, Lynx OS и др.) имеют микроядерную архитектуру. В ми­кроядро системы включаются только самые необходимые функ­ции, связанные с управлением памятью и процессами, обработ­кой прерываний и обработкой системных вызовов, сообщений, а драйверы, файловая система и другие функции вынесены из яд­ра. Размер микроядра современных ОС РВ составляет около 20 Кбайт. Операционные системы реального времени с микроядер­ной архитектурой обладают меньшим временем реакции на со­бытия. Время задержки прерывания в таких системах составляет порядка 10 мкс.

Модульный принцип. Масштабируемость.

Операционные сис­темы реального времени строятся по модульному принципу. Функциональные компоненты ОС - ядро, система управления файлами, система ввода-вывода и др. - реализованы в виде неза­висимых модулей. Такие операционные системы являются мас­штабируемыми и расширяемыми системами. Исходя из требова­ний применения, можно создавать как миниатюрные встроен­ные системы, размещаемые в ПЗУ, так и крупномасштабные се­тевые многопользовательские системы. ОС РВ поддерживают развитые средства разработки и включения в систему дополни­тельных драйверов для нестандартных устройств ввода-вывода.

Аппаратная поддержка.

ОС РВ работают на различных аппаратных платформах: Intel 386/486/Pentium, Motorola 680x0, Power PC, Siemens C16X и др., на которых строятся системы реального времени. ОС РВ с аппаратной платформой, на которой она ис­полняется, иногда называется целевой системой. Потреб­ность в памяти для размещения ОС РВ (ядро, системные модули, драйверы и т.д.) составляет обычно около 20 Мбайт. Разработчи­ки ОС РВ стараются уменьшить размер системы. Важным свой­ством является возможность размещения ОС РВ и приложений в ПЗУ, что позволяет создавать компактные (в том числе встроен­ные в технологическое оборудование) системы без внешних на­копителей.

Работа в вычислительных сетях.

Операционные системы ре­ального времени поддерживают работу во всех основных типах локальных сетей (Ethernet, Profibus, CAN, Token Ring и др.), кото­рые являются средствами взаимодействия УВК и промышленных контроллеров; имеют прозрачный (transparent) доступ к ресурсам любого узла сети; отвечают требованиям надежности и отказоус­тойчивости (fault-tolerance), в частности предоставляют пользо­вателю сетевую избыточность и возможность гибкой переконфи­гурации системы; содержат программные средства защиты ин­формации от несанкционированного доступа.

Соответствие стандартам.

Современная концепция систем ре­ального времени связана с архитектурой открытых систем, осно­ванных на использовании стандартизованных аппаратных и про­граммных средств. В этой связи ОС РВ обладают следующими возможностями:

• удовлетворяют общепринятым международным стандартам и соглашениям (прежде всего IEEE POSIX), что обеспечивает мобильность приложений;

• поддерживают стандартные протоколы, например TCP/IP, для создания сетевых конфигураций;

• имеют дружественный пользователю интерфейс общения (по­добный пользовательскому интерфейсу для ОС общего назна­чения), основанный на стандартах X Windows, Motif и др.;

• осуществляют поддержку стандартных систем управления база­ми данных.

Средства разработки.

Приложения реального времени — поль­зовательские программы, исполняемые в среде ОС РВ, разра­батываются на инструментальном компьютере. Разработка и от­ладка приложений для ОС РВ осуществляется, как правило в среде распространенных ОС общего назначения, например UNIX и MS Windows. Некоторые ОС РВ имеют «резидентные» средства разработки, исполняемые в среде самой ОС РВ.