Реферат на тему «Операционные системы реального времени»

Содержание

1. Операционные системы реального времени
2. Типы ОСРВ
3. Структура ОСРВ
4. Процессы, потоки, задачи
5. Планирование, приоритеты
6. Память
7. Прерывания
8. Часы и таймеры
9. Заключение
10. Список литературы

Введение

     Концепции, лежащие в основе большинства существующих в наши дни операционных систем реального времени, уходят своими корнями в конец 70-х начало 80-х годов прошлого столетия.

     Операционные системы реального времени и встраиваемые системы работают в «стесненных» условиях, когда объем памяти и мощность процессора ограничены. Они должны обеспечивать работоспособность служб для пользователей и окружающего мира, с которым они взаимодействуют, в строгих временных рамках.

     Системы реального времени отличаются очень скромными возможностями пользовательского интерфейса, поскольку передаваемая в эксплуатацию система представляет собой «черный ящик». Очень важной частью и основной особенностью операционной системы реального времени является управление ресурсами компьютера таким образом, чтобы определенная операция выполнялась в течение абсолютно одинакового периода времени каждый раз, когда она должна осуществляться и которые нельзя превышать.

      В сложной машине более быстрое перемещение детали, чем это необходимо, лишь по той причине, что это позволяют ресурсы системы, может привести к катастрофическим результатам, так же, как и невозможность осуществления перемещения этой детали вследствие занятости системы.

     Обычно при проектировании системы реального времени состав выполняемых ею программ (задач) известен заранее. Известны и многие их параметры, которые необходимо учитывать при распределении ресурсов (например, объем памяти, приоритет, средняя длительность выполнения, открываемые файлы, используемые устройства и проч.). Поэтому для них заранее заводят дескрипторы задач с тем, чтобы впоследствии не тратить  драгоценное время на организацию дескриптора и поиски для него необходимых ресурсов.

       Для подлинной реализации режима реального времени необходима организация мультипрограммирования. Мультипрограммирование является основным средством повышения производительности вычислительной системы, а для решения задач реального времени производительность становится важнейшим фактором.

    Лучшие характеристики по производительности для систем реального времени обеспечиваются однотерминальными операционными системами реального времени.

Операционные системы реального времени

     Операционная система реального времени — это тип операционной системы. Есть много определений термина. Самые распространённые из них:

*Операционная система, в которой успешность работы любой программы зависит не только от её логической правильности, но и от времени, за которое она получила этот результат. Если система не может удовлетворить временным ограничениям, должен быть зафиксирован сбой в её работе[1];

*Стандарт POSIX 1003.1 даёт определение: «Реальное время в операционных системах — это способность операционной системы обеспечить требуемый уровень сервиса в определённый промежуток времени»;

*Операционная система, реагирующая в предсказуемое время на непредсказуемое появление внешних событий;

*Интерактивные системы постоянной готовности. В категорию ОСРВ их относят, исходя из маркетинговых соображений, и если интерактивную программу называют «работающей в реальном времени», то это лишь означает, что запросы от пользователя обрабатываются с задержкой, незаметной для человека.

     Операционные системы реального времени (ОСРВ) предназначены для обеспечения интерфейса к ресурсам критических по времени систем реального времени. Основной задачей в таких системах является своевременность выполнения обработки данных.

     В качестве основного требования к ОСРВ выдвигается требование обеспечения предсказуемости или детерминированности поведения системы в наихудших внешних условиях, что резко отличается от требований к производительности и быстродействию универсальных ОС. Хорошая ОСРВ имеет предсказуемое поведение при всех сценариях системной загрузки (одновременные прерывания и выполнение потоков)[2].

      Существует некое различие между системами реального времени и встроенными системами. От встроенной системы не всегда требуется, чтобы она имела предсказуемое поведение, и в таком случае она не является системой реального времени. Однако даже беглый взгляд на возможные встроенные системы позволяет утверждать, что большинство встроенных систем нуждается в предсказуемом поведении, по крайней мере, для некоторой функциональности, и таким образом, эти системы можно отнести к системам реального времени.

      Мартин Тиммерман (директор компании «Real-Time Consult и Real-Time User’s Support International (RTUSI)», обеспечивающей аппаратно-программную поддержку и занимающейся разработкой проектов систем реального времени) сформулировал следующие необходимые требования для ОСРВ:

*операционная система должна быть многозадачной и допускающей вытеснение;

*операционная система должна обладать понятием приоритета для потоков;

*операционная система должна поддерживать предсказуемые механизмы синхронизации;

*операционная система должна обеспечивать механизм наследования приоритетов;

*поведение операционной системы должно быть известным и предсказуемым (задержки обработки прерываний, задержки переключения задач, задержки драйверов и т.д.).

Это значит, что во всех сценариях рабочей нагрузки системы должно быть определено максимальное время отклика.

Типы ОСРВ

      Принято различать системы мягкого (soft) и жесткого (hard) реального времени.

      В системах жесткого реального времени неспособность обеспечить реакцию на какие-либо события в заданное время ведет к отказам и невозможности выполнения поставленной задачи. В большинстве русскоязычной литературы такие системы называют системами с детерминированным временем. При практическом применении время реакции должно быть минимальным[3].

       Системами мягкого реального времени называются системы, не попадающие под определение «жесткие», т.к. в литературе четкого определения для них пока нет. Системы мягкого реального времени могут не успевать решать задачу, но это не приводит к отказу системы в целом.

В системах реального времени необходимо введение некоторого директивного срока (в англоязычной литературе — deadline), до истечения которого задача должна обязательно (для систем мягкого реального времени — желательно) выполниться. Этот директивный срок используется планировщиком задач как для назначения приоритета задачи при ее запуске, так и при выборе задачи на выполнение.

Структура ОСРВ

      В течение последних 25-30 лет структура операционных систем (ОС) эволюционировала от монолитной к многослойной структуре ОС и далее к архитектуре клиент-сервер.

    При монолитной структуре ОС состоит из набора модулей, и изменения одного модуля влияют на другие модули. Чем больше модулей, тем больше хаоса при эксплуатации такой системы. Кроме того, невозможно распределить ОС в многопроцессорной системе[4].

     В многослойной структуре изменения одного слоя влияют на соседние слои, кроме того, обращение через слой невозможно.

Для систем реального времени должно быть обеспечено прямое обращение к каждому слою ОС, а иногда напрямую к аппаратуре.

     Основной идеей клиент-серверной технологии в ОС является сведение базиса ОС к минимуму (планировщик и примитивы синхронизации). Вся остальная функциональность выносится на другой уровень и реализуется через потоки или задачи. Совокупность таких серверных задач отвечает за системные вызовы. Приложения являются клиентами, которые запрашивают сервисы через системные вызовы.

     Клиент-серверная технология позволяет создавать масштабируемые ОС и упрощает распределение в многопроцессорной системе. При эксплуатации системы замена одного модуля не вызывает эффекта “снежного кома”, кроме того, сбой модуля не всегда влечет за собой отказ системы в целом. Появилась возможность динамической загрузки и отгрузки модулей. Главной проблемой в этой модели является защита памяти, поскольку серверные процессы должны быть защищены. При каждом запросе сервиса система должна переключаться с контекста приложения на контекст сервера. При поддержке защиты памяти время переключения с одного процесса на другой увеличивается.   Задачи реального времени составляют одну из сложнейших и крайне важных областей применения вычислительной техники, поскольку они связаны с контролем и управлением процессами, являющимися неотъемлемой частью современной жизни и предъявляют такие требования к аппаратному и программному обеспечению, как надежность, высокая пропускная способность передающей среды в распределенных системах, своевременная реакция на внешние события и т.д. Для выполнения этих требований и создаются системы реального времени (СРВ), аппаратное и программное обеспечение[3].

 СРВ – это аппаратно-программный комплекс, который должен своевременно и предсказуемо реагировать на поступающие извне раздражители. Основное требование к    СРВ – своевременность обработки событий. Реакция на событие должна уложиться в пределы заранее определенного лимита времени, а превышение этого лимита или опоздание считается программным сбоем. Еще одним важным требованием к СРВ является одновременная обработка событий: если несколько событий происходят одновременно, все они должны быть обработаны своевременно. Это означает, что свойством СРВ должен быть параллелизм. Для этого необходимо установить более одного процессора или придерживаться многозадачного подхода.

      ОСРВ (Real-Time Operating Systems) – тип ОС. ОС РВ должна быть предсказуемой, т.е. необходимо добиться того, чтобы максимальное время, затрачиваемое на определенную работу, укладывалось в заранее установленный лимит, сравнимый с требованиями приложения.

Как правило, большинство современных ОСРВ построено на основе микроядра (kernel или nucleus), которое обеспечивает планирование и диспетчеризацию задач, а также осуществляет их взаимодействие. Несмотря на сведение к минимуму в ядре абстракций ОС, микроядро все же должно иметь представление об абстракции процесса. Все остальные концептуальные абстракции операционных систем вынесены за пределы ядра, вызываются по запросу и выполняются как приложения.

Процессы, потоки, задачи

Концепция многозадачности (псевдопараллелизм) является существенной для системы реального времени с одним процессором, приложения которой должны быть способны обрабатывать многочисленные внешние события, происходящие практически одновременно.

Концепция процесса, пришедшая из мира UNIX, плохо реализуется в многозадачной системе, поскольку процесс имеет тяжелый контекст. Возникает понятие потока (thread), который понимается как подпроцесс, или легковесный процесс (light-weight process). Потоки существуют в одном контексте процесса, поэтому переключение между потоками происходит очень быстро, а вопросы безопасности не принимаются во внимание. Потоки являются легковесными, потому что их регистровый контекст меньше, т.е. их управляющие блоки намного компактнее. Уменьшаются накладные расходы, вызванные сохранением и восстановлением управляющих блоков прерываемых потоков. Объем управляющих блоков зависит от конфигурации памяти. Если потоки выполняются в разных адресных пространствах, система должна поддерживать отображение памяти для каждого набора потоков[2].

Итак, в системах реального времени процесс распадается на задачи или потоки. В любом случае каждый процесс рассматривается как приложение. Между этими приложениями не должно быть слишком много взаимодействий, и в большинстве случаев они имеют различную природу — жесткого реального времени, мягкого реального времени, не реального времени.

Планирование, приоритеты

Главной проблемой в ОСРВ является планирование задач (scheduling), которое обеспечивало бы предсказуемое поведение системы при всех обстоятельствах. В связи с проблемами планирования в ОСРВ изучаются и развиваются два подхода — статические алгоритмы планирования (RMS — Rate Monotonic Scheduling) и динамические алгоритмы планирования (EDF — Earliest Deadline First)[3].

RMS используется для формального доказательства условий предсказуемости системы. Для реализации этой теории необходимо планирование на основе приоритетов, прерывающих обслуживание (preemptive priority scheduling). В теории RMS приоритет заранее назначается каждому процессу. Процессы должны удовлетворять следующим условиям:

*процесс должен быть завершен за время его периода;

*процессы не зависят друг от друга;

*каждому процессу требуется одинаковое процессорное время на каждом интервале;

*у непериодических процессов нет жестких сроков;

*прерывание процесса происходит за ограниченное время.

Процессы выполняются в соответствии с приоритетами. При планировании RMS предпочтение отдается задачам с самыми короткими периодами выполнения.

     В EDF приоритет присваивается динамически, и наибольший приоритет выставляется процессу, у которого осталось наименьшее время выполнения. При больших загрузках системы у EDF имеются преимущества перед RMS.

     Во всех системах реального времени требуется политика планирования, управляемая дедлайнами (deadline-driven scheduling). Однако этот подход находится в стадии разработки.

      Обычно в ОСРВ используется планирование с приоритетами, прерывающими обслуживание, которое основано на RMS. Приоритетное прерывание обслуживания (preemption) является неотъемлемой составляющей ОСРВ, т.к. в системе реального времени должны существовать гарантии того, что событие с высоким приоритетом будет обработано перед событием более низкого приоритета. Все это ведет к тому, что ОСРВ нуждается не только в механизме планирования на основе приоритетов, прерывающих обслуживание, но также и в соответствующем механизме управления прерываниями. Более того, ОСРВ должна быть способна запрещать прерывания, когда необходимо выполнить критический код, который нельзя прерывать. Длительность обработки прерываний должна быть сведена к минимуму[4].

    ОСРВ должна обладать развитой системой приоритетов. Во-первых, это требуется потому, что система сама может рассматриваться как набор серверных приложений, подразделяющихся на потоки, и несколько высоких уровней приоритетов должно быть выделено системным процессам и потокам. Во-вторых, в сложных приложениях необходимо все потоки реального времени помещать на разные приоритетные уровни, а потоки не реального времени помещать на один уровень (ниже, чем любые потоки реального времени). При этом потоки не реального времени можно обрабатывать в режиме циклического планирования (RRS — round-robin scheduling), при котором каждому процессу предоставляется квант времени процессора, а когда квант заканчивается, контекст процесса сохраняется, и он ставится в конец очереди. Во многих ОСРВ для планирования задач на одном уровне используется RRS. Приоритетный уровень 0 обычно используется для холостого режима.

При планировании на основе приоритетов необходимо решить две обязательные проблемы:

*обеспечить выполнение процесса с наивысшим приоритетом,

*не допустить инверсии приоритетов, когда задачи с высокими приоритетами ожидают ресурсы, захваченные задачами с более низкими приоритетами.

Для борьбы с инверсией приоритетов в ОСРВ часто используется механизм наследования приоритетов, однако при этом приходится отказываться от планирования на основе RMS, поскольку приоритеты становятся динамическими.

Память

Как уже упоминалось выше, задержка на переключение контекста потока напрямую зависит от конфигурации памяти, т.е. от модели защиты памяти. В ОСРВ наиболее распространенны четыре модели защиты памяти:

*Модель без защиты — системное и пользовательское адресные пространства не защищены друг от друга, используется два сегмента памяти: для кода и для данных, при этом от системы не требуется никакого управления памятью, не требуется MMU (memory management unit — специальное аппаратное устройство для поддержки управления виртуальной памятью);

*Модель защиты система/пользователь — системное адресное пространство защищено от адресного пространства пользователя, системные и пользовательские процессы выполняются в общем виртуальном адресном пространстве, при этом требуется MMU. Защита обеспечивается страничным механизмом защиты. Различаются системные и пользовательские страницы. Пользовательские приложения никак не защищены друг от друга. Процессор находится в режиме супервизора, если текущий сегмент имеет уровень 0, 1 или 2. Если уровень сегмента — 3, то процессор находится в пользовательском режиме. В этой модели необходимы четыре сегмента — два сегмента на уровне 0 (для кода и данных) и два сегмента на уровне 3. Механизм страничной защиты не добавляет накладных расходов, т.к. защита проверяется одновременно с преобразованием адреса, которое выполняет MMU; при этом ОС не нуждается в управлении памятью[5].

*Модель защиты пользователь/пользователь — к модели система/пользователь добавляется защита между пользовательскими процессами, требуется MMU. Как и в предыдущей модели, используется механизм страничной защиты. Все страницы помечаются как привилегированные, за исключением страниц текущего процесса, которые помечаются как пользовательские. Таким образом, выполняющийся поток не может обратиться за пределы своего адресного пространства. ОС отвечает за обновление флага привилегированности для конкретной страницы в таблице страниц при переключении процесса. Как и в предыдущей модели используются четыре сегмента.

*Модель защиты виртуальной памяти — каждый процесс выполняется в своей собственной виртуальной памяти, требуется MMU. У каждого процесса имеются свои собственные сегменты и, следовательно, своя таблица описателей. ОС несет ответственность за поддержку таблиц описателей. Адресуемое пространство может превышать размеры физической памяти, если используется страничная организация памяти совместно с подкачкой. Однако в системах реального времени подкачка обычно не применяется из-за ее непредсказуемости. Для решения этой проблемы доступная память разбивается на фиксированное число логических адресных пространств равного размера. Число одновременно выполняющихся процессов в системе становится ограниченным.

Фундаментальное требование к памяти в системе реального времени заключается в том, что время доступа к ней должно быть ограничено (или, другими словами, предсказуемо). Прямым следствием становится запрет на использование для процессов реального времени техники вызова страниц по запросу (подкачка с диска). Поэтому системы, обеспечивающие механизм виртуальной памяти, должны уметь блокировать процесс в оперативной памяти, не допуская подкачки. Итак, подкачка недопустима в ОСРВ, потому что непредсказуема.

Если поддерживается страничная организация памяти (paging), соответствующее отображение страниц в физические адреса должно быть частью контекста процесса. Иначе опять появляется непредсказуемость, неприемлемая для ОСРВ.

Для процессов, не являющихся процессами жесткого реального времени, возможно использование механизма динамического распределения памяти, однако при этом ОСРВ должна поддерживать обработку таймаута на запрос памяти, т.е. ограничение на предсказуемое время ожидания.

В обычных ОС при использовании механизма сегментации памяти для борьбы с фрагментацией применяется процедура уплотнения после сборки мусора. Однако такой подход неприменим в среде реального времени, т.к. во время уплотнения перемещаемые задачи не могут выполняться, что ведет к непредсказуемости системы. В этом состоит основная проблема применимости объектно-ориентированного подхода к системам реального времени. До тех пор, пока проблема уплотнения не будет решена, C++ и JAVA останутся не самым лучшим выбором для систем жесткого реального времени.

В системах жесткого реального времени обычно применяется статическое распределение памяти. В системах мягкого реального времени возможно динамическое распределение памяти, без виртуальной памяти и без уплотнения.

Прерывания

При описании управления прерываниями обычно различают две процедуры, а именно:

*программа обработки прерывания (ISR — interrupt servicing routine) — программа низкого уровня в ядре с ограниченными системными вызовами,

*поток обработки прерывания (IST — interrupt servicing thread) — поток уровня приложения, который управляет прерыванием, с доступом ко всем системным вызовам.

Обычно ISR реализуются производителем аппаратуры, а драйверы устройств выполняют управление прерываниями с помощью IST. Потоки обработки прерываний действуют как любые другие потоки и используют ту же самую систему приоритетов. Это означает, что проектировщик системы может придать IST более низкий приоритет, чем приоритет потока приложения.

Часы и таймеры

В ОСРВ используются различные службы времени. Операционная система отслеживает текущее время, в определенное время запускает задачи и потоки и приостанавливает их на определенные интервалы. В службах времени ОСРВ используются часы реального времени. Обычно используются высокоточные аппаратные часы. Для отсчета временных интервалов на основе часов реального времени создаются таймеры.

Для каждого процесса и потока определяются часы процессорного времени. На базе этих часов создаются таймеры, которые измеряют перерасход времени процессом или потоком, позволяя динамически выявлять программные ошибки или ошибки вычисления максимально возможного времени выполнения.

В высоконадежных, критичных ко времени системах важно выявление ситуаций, при которых задача превышает максимально возможное время своего выполнения, т.к. при этом работа системы может выйти за рамки допустимого времени отклика. Часы времени выполнения позволяют выявить возникновение перерасхода времени и активизировать соответствующие действия по обработке ошибок.

Большинство ОСРВ оперируют относительным временем. Что-то происходит “до” и “после” некоторого другого события. В системе, полностью управляемой событиями, необходим часовой механизм (ticker), т.к. там нет квантования времени (time slicing). Однако, если нужны временные метки для некоторых событий или необходим системный вызов типа “ждать одну секунду”, то нужен тактовый генератор и/или таймер.

Синхронизация в ОСРВ осуществляется с помощью механизма блокирования (или ожидания) до наступления некоторого события. Абсолютное время не используется.

Реализации в ОСРВ других концептуальных абстракций подобны их реализациям в традиционных ОС.

Заключение

В течение многих лет приложения на базе операционной системы реального времени использовались во встроенных системах специального назначения, а с недавнего времени они стали применяться повсюду, от бортовых систем управления летательных аппаратов, до бытовых приборов.

Важнейшим свойством систем реального времени является предсказуемость временных реакций системы на внешние события. Только исходя из этого свойства можно говорить о состоятельности и обоснованности решений, заложенных в конкретной операционной системе реального времени.

Системы реального времени должны отвечать на внешние параметры ввода и создавать новые результаты вывода за ограниченное время. Время ответа должно быть ограничено. Очень длительное время ответа может привести к отказу систем реального времени.

Не вызывает сомнений, что большинство традиционных операционных систем реального времени разрабатывались с прицелом на единственный центральный процессор, установленный на единственной плате. В наши дни все чаще требуется поддержка многопроцессорных систем.

Очевидно, что операционные системы с монолитной архитектурой, вследствие их направленности на конкретные процессорные платформы и характера взаимодействия с ядром, вряд ли могут быть использованы в качестве относительно универсальных операционных систем реального времени для систем высокой готовности.

Современные операционные системы реального времени базируются на новых архитектурных подходах, дополняются средствами разработки прикладных систем, которые позволяют создавать их в сокращённые сроки с наилучшими характеристиками, кроме того, созданные на основе микроядра обладают рядом преимуществ по сравнению с монолитной архитектурой, а в комбинации с объектно-ориентированным подходом, позволяют системе стать аппаратно-независимой и обеспечивать быструю реакцию на внешние события.

И именно в свете временной предсказуемости ОСРВ должна быть тщательно спроектирована, чтобы поддерживать приложения реального времени.

Список литературы

1. Бурдонов И.Б., Косачёв А.С., Пономаренко В.Н. Операционные системы реального времени. Препринт: Института системного программирования РАН. Иркутск, 2016.-85 с.
2. Баррет.С.В , Д. Дж. Пак. Встраиваемые системы. Проектирование приложений на микроконтроллерах семейства 68HC12/HCS12 с применением языка C. ДМК Пресс M. 2017. -52 с.
3. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Сетевые операционные системы: Учебник для вузов. 2-е изд.- СПБ.: Питер, 2017. — 669 с.
4. www.ru.wikipedia.org
5. www.intuit.ru
6. Средства и системы компьютерной автоматизации. — www.asutp.ru/