4.7.1 Основные понятия

Основой любого аппаратно-программного комплекса, в том числе работающего в режиме реального времени, является операционная система (ОС). Операционной системой называют комплекс программ, обеспечивающий управление ресурсами аппаратно-программного комплекса (вычислительной системы) и процессами, использующими эти ресурсы при вычислении. Ресурсом в данном контексте является любой логический или физический (и в совокупности) компонент вычислительной системы или аппаратно-программного комплекса и представляемые им возможности.

Основными ресурсами являются процессор (процессорное время), оперативная память и периферийные устройства.

Управление ресурсами сводится к выполнению следующих задач: упрощение доступа к ресурсам; распределение их между процессами.

Реализация первой функции позволяет «спрятать» аппаратные особенности вычислительной системы и тем самым предоставить в распоряжение пользователю или программисту виртуальную машину с существенно облегченным управлением.

Таким образом, ОС поддерживает следующие интерфейсы: пользовательский (командный язык для управления функционированием системы и набор сервисных услуг); программный (набор услуг, освобождающий программиста от кодирования рутинных операций).

Функция распределения ресурсов является одной из наиболее важных задач, решаемых ОС, однако она присуща не всем ОС, а только тем, которые обеспечивают одновременное выполнение нескольких программ (процессов).

Процессом называется последовательность действий, предписанных программой или её логически законченной частью, а также данные, используемые при вычислении. Процесс является минимальной единицей работы, для которой выделяются ресурсы.

Система реального времени (СРВ) – это система, правильность функционирования которой зависит не только от логической корректности вычислений, но и от времени, за которое эти вычисления производятся.

Для событий, происходящих в такой системе, важно время, когда эти события происходят, и их логическая корректность.

Система работает в реальном времени, если её быстродействие адекватно скорости протекания физических процессов на объектах контроля или управления (имеются в виду процессы, непосредственно связанные с функциями, выполняемыми конкретной системой реального времени). Система управления должна собрать данные, произвести их обработку по заданным алгоритмам и выдать управляющее воздействие за такой промежуток времени, который обеспечивает успешное выполнение поставленных задач.

Основные требования к СРВ:

• Возможность параллельного выполнения нескольких задач.

• Предсказуемость.

• Важно максимальное (не среднее) время отклика на событие.

• Особые требования в вопросах безопасности.

• Возможность безотказной работы в течение длительного времени.

Наиболее характерные особенности, присущие ОСРВ:

• Большие и сложные системы.

• Распределённые системы.

• Жёсткое взаимодействие с аппаратурой.

• Выполнение задач зависит от времени.

• Сложность тестирования.

ОСРВ должны реагировать на различные типы внутренних и внешних событий (периодических и непериодических). Необходимо отметить, что принадлежность системы к классу СРВ никак не связана с её быстродействием. Исходные требования к времени реакции системы и другим временным параметрам определяются или техническим заданием на систему, или просто логикой её функционирования. Интуитивно понятно, что быстродействие ОСРВ должно быть тем больше, чем больше скорость протекания процессов на объекте контроля и управления.

Принято различать системы жёсткого и мягкого реального времени.

Системой жёсткого реального времени называется система, где неспособность обеспечить реакцию на какие-либо события в заданное время является отказом и ведёт к невозможности решения поставленной задачи. Многие теоретики ставят здесь точку, из чего следует, что время реакции в жёстких системах может составлять секунды, и часы, и недели. Однако большинство практиков считают, что время реакции в системах жёсткого реального времени должно быть все-таки минимальным. Большинство систем жёсткого реального времени являются системами контроля и управления. Такие ОСРВ сложны в реализации, так как к ним предъявляются особые требования в вопросах безопасности.

Точного определения мягкого реального времени не существует, поэтому можно отнести сюда все ОСРВ, не попадающие в категорию жёстких. Так система мягкого реального времени может не успевать всё делать в заданное время, поэтому возникает проблема определения критериев успешности (нормальности) её функционирования.

Кроме того, ОСРВ можно разделить на системы специализированные и универсальные. Специализированная ОСРВ – система, где конкретные временные требования априори определены. Такая система должна быть специально спроектирована для удовлетворения этих требований.

Универсальная ОСРВ должна уметь выполнять произвольные (заранее неопределённые) временные задачи без применения специальной техники. Разработка таких систем является самой сложной задачей, хотя обычно требования, предъявляемые к таким системам, мягче, чем требования к специализированным системам.

Таким образом, если рассматривать IXP1200 как систему реального времени, можно сказать о том, что процессор является универсальной ОСРВ, так как он спроектирован только для решения более или менее конкретных задач, но диапазон его применения довольно широк.

Для более детального рассмотрения возможностей ОСРВ представлены ориентировочные цифры, дающие представление о порядке времён реакции и подходящих операционных системах (в соответствии с таблицей 4.7.1). Данная таблица сформирована на основании экспериментальных данных, полученных на базе вычислительных комплексов, построенных на основе процессоров INTEL 80486DX. Безусловно, данный процессор на сегодняшний день является устаревшим, но можно сделать выводы об уровне реакции на внешние события различных ОСРВ.

Таблица 4.7.1 – Результаты тестирования ОСРВ: время реакции и подходящие операционные системы

Таким образом, видно, что временные рамки ОСРВ достаточно жёсткие. Среди современных операционных систем есть класс продуктов, разработанных специально для построения систем жёсткого реального времени – Vx Works, OS9, QNX, LynxOS, OSE и другие. Эти системы содержат необходимый набор инструментов и в некоторых случаях являются единственным выбором – на него приходится идти, невзирая на затраты. Однако достаточно часто требования к реальному времени (полная предсказуемость времени реакции) допускают компромиссы, например, необходимо добиться только нужной средней производительности.

Иногда достаточно жёстко контролировать только одно из событий, допуская при этом задержки реакции на остальные. В подобных случаях возможности выбора расширяются и желаемых результатов можно достичь, используя такие широко распространённые операционные системы, как LINUX, Windows NT, Windows CE,дополняя их расширениями реального времени (RTAI, RT LINUX, RTX).