Российский Государственный Социальный Университет
Реферат
по дисциплине “Системы Реального Времени (СРВ)”
на тему: “ Введение в ОСРВ. Назначение. Применение. Стандарты ”
Подготовил студент
группы АСОИиУ Д-4-1
Григорьев С.С.
проверил преподаватель:
Москва
2006г.
Оглавление
Введение_______________________________________________3
Основная часть________________________________________4-29
1) Немного истории___________________________________________________________________4
2) "Классические" требования к ОСРВ________________________________________________5-6
3) Определение операционных систем реального времени (ОСРВ)________________________6-7
4) Типичные времена реакции на внешние события____________________________________7-8
5) Основные области: применения ОСРВ______________________________________________8-9
6) Особенности оборудования, на котором работают ОСРВ_____________________________9-12
7) Основные определения__________________________________________________________12-15
8) Типы задач______________________________________________________________________15
9) Виды программирования________________________________________________________15-16
10) Виды ресурсов__________________________________________________________________16-17
11) Типы взаимодействия процессов_________________________________________________17-19
12) Состояния процесса_____________________________________________________________19-20
13) Стандарты ОСРВ _____________________________________________________________20-29
Заключение____________________________________________30
Литература____________________________________________31
Введение
Операционные системы реального времени (ОСРВ) предназначены для обеспечения интерфейса к ресурсам критических по времени систем реального времени. Основной задачей в таких системах является своевременность (timeliness) 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).
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.
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. 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.
Основная часть
Немного истории
Первые коммерческие ОСРВ получили широкое распространение одновременно с появлением персональных компьютеров в начале 80-х годов XX века; в 90-е годы регулярно публиковались сводные таблицы по ОСРВ и, в частности, журналом Real-Time Magazine" В настоящее время из более чем сотни ОСРВ, разработанных в разное время, широкое распространение получили лишь около двадцат [1], список которых приведён в табл. 1. В этой таблице представлены лишь "самостоятельные" ОСРВ и не рассматриваются ОСРВ, являющиеся расширением какой-либо универсальной ОС (в частности, не рассматриваются расширения реального времени Linux, такие как RTAI Linux или KURT).
Таблица 1. Список ОСРВ, наиболее широко распространенных в 2006 году
Рис. 1. Пакет SOPH.I.A. позволяет строить вертикально-интегрированные системы автоматизации на основе WEB-технологий
"Классические" требования к ОСРВ
"Классические" требования к ОСРВ на сегодняшний день можно разделить на несколько групп. В различных источниках эти группы выбираются по-разному. Например, в [1] выделены следующие категории для сравнения свойств ОСРВ:
свойства ядра (архитектура, поддержка множества процессов и множества процессоров, устойчивость к отказам);
диспетчеризация (алгоритм, механизм присвоения приоритетов, время для освобождения задачи);
модель процесс/нить/задача (число уровней приоритетов, защита от инверсии приоритетов, состояния задачи, максимальное число задач, задержка переключения задач, динамическое изменение приоритетов);
управление памятью (минимальный и максимальный объём оперативной и ROM-памяти на задачу, максимальная адресуемая память для задачи, поддержка защиты памяти, динамическое распределение памяти, виртуальная память, сжатие памяти);
управление прерываниями и исключениями (вытесняемые обработчики прерываний, наихудшее время обработки прерывания, модифицируемость таблицы векторов прерываний);
интерфейс прикладного программирования (совместимость библиотек, точное абсолютное время, поддержка внешних часов, примитивы синхронизации, сетевые протоколы, соответствие стандартам, ввод/вывод, файловые системы);
процесс разработки (методология разработки, поставка в исходных или объектных кодах, поддерживаемые компиляторы, процессоры и языки программирования);
коммерческая информация (стоимость, платежи за runtime-системы, число лет на рынке, использование в ответственных приложениях, тип и стоимость технической поддержки).
Одним из немногих стандартов, формально определяющих некоторые "классические" требования к ОСРВ, является POSIX ("Portable Operating System interface for unIX") - переносимый интерфейс операционных систем на уровне исходных текстов первое описание которого было опубликовано в 1986 году. Основная спецификация разработана как IEEE 1003.1 и одобрена как межународный стандарт ISO/IEC 9945-1:1990. С точки зрения ОСРВ наибольший интерес представляют три стандарта: 1003.1a (OS Definition), 1003.1b (Realtime Extensions) и 1003.1c (Threads). Применительно к группе стандартов POSIX в английском языке часто используются не один, а целых три термина. К сожалению, они сходны по значению и часто переводятся одинаково, что вносит определённую путаницу. Термины эти таковы:
"Compatibility" (буквально "совместимость");
"Compliance" (буквально "соответствие");
"Conformance" (буквально "согласованность").
Первый термин применительно к POSIX формально не определён. Второй термин означает, что организация-производитель программного продукта самостоятельно заявляет о том, что продукт (полностью или частично) соответствует стандартам NIST-PCTS. Третий термин подразумевает, что программный продукт прошёл установленную систему тестов либо с помощью аккредитованной лаборатории, либо в рамках Open Group, и на это имеется документальное подтверждение (так называемое "Conformance Statement"). Если придерживаться строгих правил, требующих, чтобы данные о сертифицированной ОСРВ были опубликованы в официальном реестре IEEE и тестирование проводились по уровню Conformance, то в настоящее время есть всего две сертифицированные ОСРВ: LynxOS Integrity
Определение операционных систем реального времени (ОСРВ)
Существует несколько определений систем реального времени (ОСРВ) (real time operation system (RTOS)), большинство ид которых противоречит друг другу. Мы приведем несколько из них, чтобы продемонстрировать различные взгляды на назначение и основные задачи ОСРВ.
1. Системой реального времени называется система, в которой успешность работы любой программы зависит не только от ее логической правильности, но от времени, за которое она получила результат. Если временные ограничения не удовлетворены, то фиксируется сбой в работе системы.
Таким образом, временные ограничения должны быть гарантированно удовлетворены. Это требует от системы быть предсказуемой, т.е. вне зависимости от своего текущего состояния н загруженности выдавать нужный результат за требуемое время. При этом желательно, чтобы система обеспечивала как можно больший процент использования имеющихся ресурсов.
Хорошим примером задачи, где требуется ОСРВ, является управление роботом, берущим деталь с ленты конвейера. Деталь движется, и робот имеет лишь маленькое временное окно, когда он может ее взять. Если он опоздает, то деталь уже не будет на нужном участке конвейера, н, следовательно, работа не будет сделана, несмотря на то, что робот находится в правильном месте, Если он позиционируется раньше, то деталь еще не успеет подъехать, н он заблокирует ей путь.
Другим примером может быть самолет, находящийся на автопилоте. Сенсорные серво-датчики должны постоянно передавать в управляющий компьютер результаты измерений. Если результат какого-либо измерения будет пропущен, то это может привести к недопустимому несоответствию между реальным состоянием систем самолета и информацией о нем в управляющей программе.
Иногда различают “сильное” (“Hard”) и “слабое” (“Soft”) требование реального времени. Если запаздывание программы приводит к полному нарушению работы управляемой системы, то говорят о “сильном” реальном времени. Если же это ведет только к потере производительности, то говорят о "слабом" реальном времени. Большинство программного обеспечения ориентировано на “слабое” реальное время, а задача хорошей ОСРВ - обеспечить уровень безопасного функционирования системы, даже если управляющая программа никогда не закончит своей работы.
2. Стандарт POSIX 1003.1 определяет ОСРВ следующим образом: Реальное время в операционных системах - это способность операционной системы обеспечить требуемый уровень сервиса в заданный промежуток времени".
3. Иногда системами реального времени называют системы постоянной готовности (on-line системы), или "интерактивные системы с достаточным временем реакции". Обычно это делают по маркетинговым соображениям. Действительно, если интерактивную программу называют работающей в "реальном времени", то это просто означает, что она успевает обрабатывать запросы от человека, для которого задержка в сотни миллисекунд даже незаметна.
4. Иногда понятие «система реального времени» отождествляют с «быстрая система». Это не всегда правильно. Время задержки реакции ОСРВ на событие не так уж важно (оно может достигать нескольких секунд). Главное, чтобы это время было достаточно для рассматриваемого приложения и гарантированно. Очень часто алгоритм с гарантированным временем работы менее эффективен, чем алгоритм, таким свойством не обладающий. Например, алгоритм «быстрой» сортировки (quicksort) в среднем работает значительно быстрее многих других алгоритмов сортировки, но его гарантированная оценка сложности значительно хуже.
5. Во многих важных сферах приложения ОСРВ вводят свои понятия "реального времени". Например, процесс цифровой обработки сигнала (digital signal processing, DSP) называют идущим в "реальном времени", если анализ (при вводе) и/или генерация (при выводе) данных может быть проведен за то же время, что и анализ и/или генерация тех же данных без цифровой обработки сигнала.
Например, если при обработке аудио данных требуется 2.01 секунд для анализа 2.00 секунд звука, то это не процесс реального времени. Если же требуется 1.99 секунд, то это процесс реального времени.