Управление оперативной памятью

Наиболее важным ресурсом после процессора является оперативная память. Ме­тоды управления, используемые в системах реального времени, обычно проще, чем в многопользовательских системах с разделением времени. В крупных вычислитель­ных системах с множеством пользователей большинство программ и данных хранят­ся во вторичной (внешней) памяти — жесткий диск — и загружаются в оперативную память только при необходимости. Это приемлемо для систем разделения времени и пакетной обработки, в которых несущественно, начнется задание минутой раньше или позже. Однако в системах реального времени задержек исполнения быть не дол­жно, поэтому все необходимые модули предварительно загружаются в оперативную память. Тем не менее в системах реального времени может возникнуть необходи­мость в выгрузке содержимого части оперативной памяти на диск.

Механизм расширения оперативной памяти сверх физически установленного объема за счет временной выгрузки на диск не используемых в данный момент про­грамм и данных называется виртуальной памятью. Работа виртуаль­ной памяти основана на предположении, что объем памяти, требуемый для процес­сов, превосходит размер доступной оперативной памяти. Устройства массовой Памяти, например жесткий диск, используемые для реализации этого механизма, Должны обладать как достаточной емкостью, так и значительным быстродействием. Операционная система копирует с диска в оперативную память только те части процесса и области его данных, называемые страницами, которые непосред­ственно используются в данный момент, оставляя остальную часть во внешней памяти. Для загрузки наиболее часто используемых страниц и для уменьшения числа обращений к диску применяются различные стратегии оптимизации. Механизм виртуальной памяти позволяет процессу иметь адресное пространство больше, чем размер выделенной ему реальной оперативной памяти. С другой стороны, применение виртуальной памяти существенно увеличивает накладные расходы и замедляет работу системы из-за многократных обращений к диску.

Применение виртуальной памяти в системах реального времени вызваны
в основном экономическими причинами. Стоимость хранения единицы информации в оперативной памяти выше, чем во вторичной памяти. Еще одной важной причиной является надежность работы. В случае системного сбоя можно восстановить работу процесса. Если сбой или перерыв в электропитании происходит, когда вся система находится только в оперативной памяти, все процессы и их данные будут потеряны и восстановить их будет невозможно.

В системах реального времени представляет интерес только быстрая и эффективная виртуальная память. Чтобы быстро реагировать на внешние сигналы; соответствующие служебные процедуры должны постоянно храниться в оперативной памяти. Другим важным соображением, относящимся к использованию вторичной памяти в задачах реального времени, является ее работоспособность в производственной среде — жесткие диски и дискеты нельзя использовать в условия вибраций, ударов или интенсивных магнитных полей.

Одно из существенных различий между многопользовательскими операционными системами и системами реального времени касается управления файлами. В многопользовательских системах наиболее важными проблемами является структура каталогов и защита файлов. Управление и зашита каталогов с соответствующим контролем прав доступа при каждом обращении требуют таких накладных расходов, которые обычно неприемлемы для систем реального времени. Однако, как правило в системах реального времени эти меры не нужны, поскольку дисковая память используется в основном для протоколов и отчетов, а все процессы принадлежат одному "пользователю". Поэтому применение сложных механизмов управления файлами в системах реального времени обычно не оправдано.

Наиболее сложные операционные системы для достижения оптимальных характеристик позволяют настраивать параметры управления процессором и памятью. Необходимо должным образом подобрать приоритеты процессов, продолжительность квантов времени, размер страницы виртуальной памяти и другие параметры операционной системы.