1.1.1. Определение и основные характеристики информационно-управляющих систем реального времени

Все вычислительные системы (ВС) по категориям решаемых ими задач и (в некоторой степени) по характеру взаимодействия с пользователем, можно разделить на две большие группы:

1) универсальные ВС (высокопроизводительные системы, рабочие станции);

2) информационно-управляющие системы.

Информационно-управляющие системы (ИУС) – это вычислительные системы, в которых:

– есть взаимодействие с объектом контроля или управления;

– присутствует в виде ограничения временной фактор (время выступает в качестве одного из ограничений, определяющих организацию вычислительного процесса).

Универсальные вычислительные системы, в отличие от ИУС, предназначены для решения задач, которые перед ними ставит некий оператор (непосредственно сидящий перед дисплеем или работающий за удалённым терминалом). Система может обрабатывать задания, в том числе и в пакетном режиме. Оператору при этом не обязательно получить реакцию на решение задачи в какой-то жёстко ограниченный временной период. Универсальные системы устроены таким образом, чтобы они хорошо могли решать максимально широкий круг задач.

Те подсистемы универсальных ВС, которые отвечают за выполнение задач реального времени (РВ), строятся по принципам ИУС.

Одной из основных черт ИУС является то, что это всегда специализированные системы. Они проектируются для решения конкретной задачи, независимо от того, что будет лежать в основе их реализации: персональный компьютер (ПК), специализированный микроконтроллер, вычислительная сеть или что-то иное. Разработчик ИУС вынужден затрагивать разные уровни вычислительной системы: от программной надстройки до аппаратуры.

ИУС рассматриваются как область вычислительной техники (ВТ), в которой системы можно поделить на две большие категории:

– встроенные вычислительные системы;

– распределённые информационно-управляющие системы.

Определение систем реального времени:

1. Система называется системой реального времени (СРВ), если правильность ее функционирования зависит не только от логической корректности вычислений, но и от времени, за которое эти вычисления производятся.

2. Система работает в реальном времени, если ее быстродействие адекватно скорости протекания физических процессов на объектах контроля или управления. Система управления должна собрать данные, произвести их обработку в соответствии с заданными алгоритмами и выдать управляющее воздействие за такой промежуток времени, который обеспечивает успешное выполнение поставленных перед системой задач.

Основные требования к СРВ:

– требования по времени;

– возможность параллельного выполнения нескольких задач;

– предсказуемость;

– важно максимальное время отклика на событие, а не среднее;

– особые требования в вопросах безопасности;

– возможность безотказной работы в течение длительного периода времени.

СРВ должны реагировать на периодические и непериодические типы внутренних и внешних событий. Принадлежность системы к классу СРВ никак не связана с ее быстродействием. Исходные требования к времени реакции системы и другим временным параметрам определяются или техническим заданием на систему, или просто логикой ее функционирования. Быстродействие СРВ должно быть тем больше, чем больше скорость протекания процессов на объекте контроля и управления. Чтобы определить необходимое быстродействие для систем, имеющих дело со стационарными процессами, часто используют теорему Котельникова, из которой следует, что частота дискретизации сигналов должна быть как минимум в 2 раза выше граничной частоты их спектра. При работе с широкополосными по своей природе переходными процессами часто применяют быстродействующие АЦП с буферной памятью, куда с необходимой скоростью записывается реализация сигнала, которая затем анализируется и/или регистрируется вычислительной системой. При этом требуется закончить всю необходимую обработку до следующего переходного процесса, иначе информация будет потеряна. Подобные системы иногда называют системами квази-реального времени.

Классификация информационно-управляющих систем реального времени

Различают системы жесткого и мягкого реального времени:

1. Системой жесткого реального времени называется система, где неспособность обеспечить реакцию на какие-либо события в заданное время является отказом и ведет к невозможности решения поставленной задачи. Время реакции в системах жесткого реального времени должно быть минимальным. Большинство систем жесткого реального времени являются системами контроля и управления. Такие СРВ сложны в реализации, так как для них предъявляются особые требования в вопросах безопасности.

2. Точного определения для мягкого реального времени не существует, поэтому отнесем к ИУС мягкого реального времени, не попадающие в категорию жестких. Так как система мягкого реального времени может не успевать решать поставленные задачи в заданное время, возникает проблема определения критериев успешности (нормальности) ее функционирования. Вопрос этот совсем не простой, так как в зависимости от функций системы это может быть максимальная задержка в выполнении каких-либо операций, средняя своевременность обработки событий и т.п. Более того, эти критерии влияют на то, какой алгоритм планирования задач является оптимальным.

Также СРВ можно разделить на системы специализированные и универсальные:

1. Специализированной СРВ называется система, где конкретные временные требования априори определены. Такая система должна быть специально спроектирована для удовлетворения этих требований.

2. Универсальная СРВ должна уметь выполнять произвольные, заранее не определенные временные задачи без применения специальной техники. Разработка таких систем является самой сложной задачей, хотя обычно, требования, предъявляемые к таким системам, мягче, чем требования для специализированных систем.