Министерство образования и науки Российской Федерации
Поволжский государственный технологический университет
Реферат по дисциплине
«Операционные системы реального времени: особенности и применение»
Выполнил: студент ЭФ (группа ПИ-12)
Микушов Ю. В.
Преподаватель: Бородин А. В.
Йошкар-Ола
●Введение
●Определение
●Развитие современных операционных систем
●Современное состояние предметной области
●Отличия от операционных систем общего назначения
●Архитектура ОСРВ
●Типы задач ОС
●Пять важнейших невидимых задач ОС
●Особенности
●Применение
●Рынок операционных систем
●Будущее ОСРВ
●Заключение
●Список использованных источников
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.
Определения
Система реального времени – тип операционной системы, основное назначение которой - предоставление необходимого и достаточного набора функций, обеспечивающих разработку программными средствами систем реального времени на конкретном аппаратном оборудовании.
Система называется системой реального времени, если правильность ее функционирования зависит не только от логической корректности вычислений, но и от времени, за которое эти вычисления производятся. То есть для событий, происходящих в такой системе, то, когда эти события происходят, так же важно, как логическая корректность самих событий.
Компоненты системы реального времени.
|
Прикладное программное обеспечение |
Диспетчеризация |
||
|
Меж–потоковое взаимодействие |
|||
|
Операционная система реального времени |
Обработка прерывания |
||
|
Защита от инверсии приоритетов |
Управление потоками |
||
|
Управление памятью |
|||
|
Аппаратное обеспечение |
Устройства |
||
Расшифровка Mac OS X:
“Mac” означает название компании Macintosh.
“OS” – operating system, то есть операционная система.
“Х” – римское число десять, означает номер версии ОС.
Развитие современных операционных систем
В развитии современных операционных систем наблюдается тенденция в сторону дальнейшего переноса кода в верхние уровни и удалении при этом всего, что только возможно, из режима ядра, оставляя минимальное микроядро. Обычно это осуществляется перекладыванием выполнения большинства задач операционной системы на средства пользовательских процессов.
Получая запрос на какую-либо операцию, например, чтение блока файла, пользовательский процесс (теперь называемый обслуживаемым процессом или клиентским процессом) посылает запрос серверному (обслуживающему) процессу, который его обрабатывает и высылает назад ответ.
Благодаря разделению операционной системы на части, каждая из которых управляет всего одним элементом системы (файловой системой, процессами, терминалом или памятью), все части становятся маленькими и управляемыми.
К тому же, поскольку все серверы работают как процессы в режиме пользователя, а не в режиме ядра, они не имеют прямого доступа к оборудованию. Поэтому если происходит ошибка на файловом сервере, может разрушиться служба обработки файловых запросов, но это обычно не приводит к остановке всей машины целиком.
Другое преимущество модели клиент-сервер заключается в ее простой адаптации к использованию в распределенных системах. Если клиент общается с сервером, посылая ему сообщения, клиенту не нужно знать, обрабатывается ли его сообщение локально на его собственной машине, или оно было послано по сети серверу на удаленной машине. С точки зрения клиента происходит одно и то же в обоих случаях: запрос был послан и на него получен ответ.
Рассказанная выше история о ядре, управляющем передачей сообщений от клиентов к серверам и назад, не совсем реалистична. Некоторые функции операционной системы, такие как загрузка команд в регистры физических устройств ввода/вывода, трудно, если вообще возможно, выполнить из программ в пространстве пользователя. Есть два способа разрешения этой проблемы.
Первый заключается в том, что некоторые критические серверные процессы (например, драйверы устройств ввода/вывода) действительно запускаются в режиме ядра, с полным доступом к аппаратуре, но при этом общаются с другими процессами при помощи обычной схемы передачи сообщений.
Второй способ состоит в том, чтобы встроить минимальный механизм обработки информации в ядро, но оставить принятие политических решений за серверами в пользовательском пространстве. Например, ядро может опознавать сообщения, посланные по определенным адресам. Для ядра это означает, что нужно взять содержимое сообщения и загрузить его, скажем, в регистры ввода/ вывода некоторого диска для запуска операции чтения диска.
В этом примере ядро даже может не обследовать байты сообщения, если они оказались допустимы или осмысленны; оно может вслепую копировать их в регистры диска. (Очевидно, должна использоваться некоторая схема, ограничивающая круг процессов, имеющих право отправлять подобные сообщения).
Современное состояние предметной области
Ассоциации, компании и продукты
Компании Microsoft и Apple Inc. являются наиболее популярными производителями операционных систем и программного обеспечения к ним в современном мире.
Современные операционные системы от Microsoft:
Windows XP (Windows NT 5.1)
Windows Vista (Windows NT 6.0)
Windows 7 (Windows NT 6.1)
Windows 8 (Windows NT 6.2)
Windows 10 (Windows NT 10)
Современные операционные системы от Apple Inc:
Современные мобильные операционные системы:
Linux-системы (Android)
Отличия от операционных систем общего назначения
Ключевым отличием сервисов ядра ОСРВ является детерминированный, основанный на строгом контроле времени, характер их работы. В данном случае под детерминированностью понимается то, что для выполнения одного сервиса операционной системы требуется временной интервал заведомо известной продолжительности. Теоретически это время может быть вычислено по математическим формулам, которые должны быть строго алгебраическими и не должны включать никаких временных параметров случайного характера. Любая случайная величина, определяющая время выполнения задачи в ОСРВ, может вызвать нежелательную задержку в работе приложения, тогда следующая задача не уложится в свой квант времени, что послужит причиной для ошибки.
В этом смысле операционные системы общего назначения не являются детерминированными. Их сервисы могут допускать случайные задержки в своей работе, что может привести к замедлению ответной реакции приложения на действия пользователя в заведомо неизвестный момент времени. При проектировании обычных операционных систем разработчики не акцентируют своё внимание на математическом аппарате вычисления времени выполнения конкретной задачи и сервиса. Это не является критичным для подобного рода систем
Архитектура ОСРВ
За свою историю архитектура операционных систем претерпела значительное развитие. Один из первых принципов построения, т.н. монолитные ОС (рисунок 1), заключался в представлении ОС как набора модулей, взаимодействующих между собой различным образом внутри ядра системы и предоставляющих прикладным программам входные интерфейсы для обращений к аппаратуре. Главным недостатком такой архитектуры является плохая предсказуемость ее поведения, вызванная сложным взаимодействием модулей системы между собой.
Однако большинство современных ОС, как реального времени, так и общего назначения, строятся именно по этому принципу.
В задачах автоматизации широкое распространение в качестве ОСРВ получили уровневые ОС (рисунок 2). Примером такой ОС является хорошо известная система MS-DOS. В системах этого класса прикладные приложения могли получить доступ к аппаратуре не только посредством ядра системы или ее резидентных сервисов, но и непосредственно. По такому принципу строились ОСРВ в течение многих лет. По сравнению с монолитными ОС такая архитектура обеспечивает значительно большую степень предсказуемости реакций системы, а также позволяет осуществлять быстрый доступ прикладных приложений к аппаратуре. Недостатком таких систем является отсутствие в них многозадачности. В рамках такой архитектуры проблема обработки асинхронных событий сводилась к буферизации сообщений, а затем последовательному опросу буферов и обработке. При этом соблюдение критических сроков обслуживания обеспечивалось высоким быстродействием вычислительного комплекса по сравнению со скоростью протекания внешних процессов.
Одной из наиболее эффективных архитектур для построения операционных систем реального времени считается архитектура клиент – сервер. Общая схема ОС работающей по этой технологии представлена на рисунке 3. Основным принципом такой архитектуры является вынесение сервисов ОС в виде серверов на уровень пользователя, а микроядро выполняет функции диспетчера сообщений между клиентскими пользовательскими программами и серверами – системными сервисами. Такая архитектура дает массу плюсов с точки зрения требований к ОСРВ и встраиваемым системам. Среди этих преимуществ можно отметить:
1. Повышается надежность ОС, т.к. каждый сервис является, по сути, самостоятельным приложением и его легче отладить и отследить ошибки.
2. Такая система лучше масштабируется, поскольку ненужные сервисы могут быть исключены из системы без ущерба к ее работоспособности.
3. Повышается отказоустойчивость системы, т.к. «зависший» сервис может быть перезапущен без перезагрузки системы.
К сожалению, на сегодняшний день не так много ОС реализуется по принципу клиент-сервер. Среди известных ОСРВ реализующих архитектуру микроядра можно отметить OS9 и QNX.
Типы задач
Всякий процесс содержит одну или несколько задач. Операционная система позволяет задаче порождать новые задачи. Задачи по своей манере действовать можно разделить на 3 категории.
1. Циклические задачи. Характерны для процессов управления и интерактивных процессов.
2. Периодические задачи. Характерны для многих технологических процессов и задач синхронизации.
3. Импульсные задачи. Характерны для задач сигнализации и асинхронных технологических процессов.
Пять важнейших невидимых задач операционной системы
1. Обеспечивает аппаратно-программное «сцепление»
Операционная система служит своего рода «переводчиком» между аппаратной частью компьютера и его программным обеспечением. Если открыть корпус компьютера, то можно увидеть различные платы, чипы, кабели и другие компоненты. Это та физическая база, которая делает возможным выполнение программы. Но программа не может просто взять и использовать аппаратные ресурсы компьютера. Она делает это посредством операционной системы.
В последнее время операционные системы стали все чаще называть «платформами». И это название очень точно отражает суть. ОС является той платформой, на которой располагаются программы. Или, как сейчас, принято говорить, приложения к операционной системе. Именно операционная система позволяет программному обеспечению «общаться» с аппаратным. Это касается также устройств ввода и вывода. Самым простым примером устройства ввода является клавиатура, а вывода - монитор.
Это очень важная работа. Теоретически, к одному компьютеру могут быть подключены сотни различных устройств ввода и вывода. Возьмем обычную мышь. Но «мышь» понятие общее. Существуют десятки различных моделей этого манипулятора. Было бы непосильной задачей обеспечить отдельную программную поддержку каждого типа мыши так, чтобы она напрямую «общалась» с ресурсами компьютера. Но выходом является содержащаяся в операционной системе база драйверов. Для пользователя это выглядит так, как будто бы он просто подключил любую мышь к своему компьютеру, и она сразу взяла и заработала.
2. Заставляет одно и то же приложение работать на разном «железе»
Именно операционная система позволяет программному обеспечению работать на различных компьютерах, а не только на одной определенной конфигурации. Когда-то программы писали для конкретной модели компьютера. Язык программирования фактически и выступал в роли операционной системы предшественников современных ПК, микрокомпьютеров конца семидесятых годов века минувшего.
Но в наши дни ОС взяла на себя роль своего рода «переходника» между программами и компьютерным «железом». Если взять любые две модели компьютеров, то наборы компонентов, из которых они собраны, будут различаться. Это касается даже известных своим подобием друг другу «Макинтошей», не говоря уже о всем том огромном многообразии, которое можно найти на современном рынке ПК.
Операционная среда создает для программы так называемое абстрактное окружение. Это можно представить в виде диалога между ОС и программой. В ходе этой непонятной человеку «беседы» программа «рассказывает» платформе о своих нуждах, а уже операционной системе предстоит «подумать» над тем, как их рационально удовлетворить. Дело в том, что думать надо очень быстро. Современный геймер не готов подождать часок-другой, пока загрузится его любимая игра.
Итак, программа «сообщает» операционной системе, что именно ей необходимо для того, чтобы работать корректно. Ведь с ресурсами компьютера приложение напрямую незнакомо. А ОС, в свою очередь, распределяет возложенные на нее программой задачи между ресурсами цифрового устройства. И тип аппаратного обеспечения не имеет для программы значения. Обо всем позаботится платформа! Операционная система умеет «говорить» если не со всеми, то с очень многими устройствами и аппаратными модулями.
Если бы не это ценное умение операционной системы, программистам пришлось бы переписывать свои программы для каждой конкретной конфигурации компьютера, для каждого набора компонентов. И, если бы не операционная система, программа могла бы и вовсе не работать на компьютере, характеристики которого отличаются от предусмотренных программистом при создании программы.
Сегодня разработчики создают свои приложения для платформ, а не для некоей известной заранее аппаратной конфигурации. Проще говоря, не для конкретного компьютера, а для определенной операционной системы. Так, разумеется, намного проще. Под управлением одной и той же ОС могут работать миллионы устройств. Поэтому стали возможны десятки и даже сотни тысяч приложений, доступных современному пользователю каждой из популярных платформ.
3. Поиск необходимого приложению файла
Одних только физических ресурсов компьютера программам было бы недостаточно для того, чтобы корректно справляться со своими задачами. Вся информация хранится в файлах и этим файлам следует подчиняться определенным правилам. Эти правила касаются того, как именовать и хранить файлы. Мы называем этот общий набор правил «системой управления файлами» (file management system) или просто «файловым менеджером» («file manager»).
В разных операционных системах реализованы различные подходы к управлению файлами. Кроме того, пользователь может установить дополнительное программное обеспечение, позволяющее ему более эффективно управлять файлами. Именно операционная система «помнит» файлы, которые хранятся на компьютере. Когда приложение захочет обратиться к тому или иному файлу, ОС покажет к нему дорогу программе.
Без системы управления файлами, цифровая информация на компьютере является просто бессмысленным набором данных. Хаосом, в котором ничего невозможно найти. А тем более найти за кратчайшие доли секунды.
Операционная система невидимо для нас следует своим правилам, поэтому вам и не приходится вручную обращаться к тем ячейкам памяти, где физически хранится нужный вам файл. Но, самое важное, пользователю современной операционной системы совсем не обязательно знать эти правила для того, чтобы работать за компьютером.
4. Эффективное распределение доступной оперативной памяти
Раз уж речь зашла о памяти, то имеет смысл вспомнить о памяти оперативной (ОЗУ, RAM). О том самом хранилище, которое всегда находится «под рукой» у процессора.
Необходимо подчеркнуть, что управление этим важнейшим ресурсом компьютера тоже осуществляет операционная система. Оперативная память - сильно недооцененный многими пользователями ресурс. Как заставить ваш компьютер работать быстрее? Многие полагают, что им срочно необходим более мощный процессор. Но на практике, зачастую бывает достаточно просто-напросто увеличить объем оперативной памяти, чтобы почувствовать значительный прирост производительности компьютера.
В оперативной памяти компьютер размещает ту информацию, которая может потребоваться осуществляющему вычисления процессору. Рассматривайте этот тип памяти просто в качестве временного накопителя той информации, которая должна быть «поближе к процессору».
Когда мы работаем с компьютером, у нас порой запущено несколько программ одновременно. Операционная система выделяет каждой задаче определенный объем памяти. Если процессор нуждается в такой информации, которую он не находит в оперативной памяти, ему придется искать ее в других местах. В частности, на жестком диске компьютера. Это займет больше времени, чем извлечение данных из оперативной памяти. Для пользователя такая ситуация будет выглядеть, как временное «зависание» приложения. В таких случаях принято говорить, что «компьютер думает».
Одной из задач, которую незримо для пользователя берет на себя операционная система, является минимизация времени задержек, то есть того самого неприятного времени, в течение которого компьютер занят своими делами и не реагирует на ваши к нему обращения. Проблема в том, что в каждый момент времени операционная система
располагает определенным объемом оперативной памяти, который всегда ограничен. Этот объем зависит в том числе и от того, сколько программ вы одновременно запустили. Операционная система должна каждое мгновение «знать», сколько оперативной памяти у нее осталось в запасе, чтобы вовремя выделить ее процессу, который нуждается в этом важном ресурсе.
Операционная система «оценивает» требования каждого работающего процесса и принимает решение о том, как их разумно удовлетворить. В идеале это нужно сделать так, чтобы пользователь не ощущал вообще никаких задержек. Но на практике ОС старается просто свести такие задержки к минимуму, рационально распределяя те ресурсы, которыми она фактически располагает.
На Земле не существует компьютеров с неограниченным объемом оперативной памяти. Поэтому системе всегда приходится выбирать, какой процесс считать в данный момент приоритетным, а какой второстепенным. Кому срочно выделять память, а кто и обойдется да потерпит до поры до времени. Пользователь может не всегда соглашаться с теми правилами, которыми руководствуется операционная система при распределении памяти. Но самостоятельно выделять процессам свободную оперативную память было бы куда сложнее и дольше, чем поручить это программной платформе.
5. Акцентирует внимание процессора на той или иной задаче
Центральный процессор (CPU) является тем физическим модулем, который решает те задачи, которые ставит перед своим компьютером пользователь. Другое дело, что редкий пользователь владеет тем языком, который понимает процессор. Что там, даже не каждый программист близко знаком с машинным кодом. Человек может даже не задумываться над тем, что любая программа является сложным набором математических проблем.
Центральный процессор как раз и осуществляет вычисления, то есть находит решение этих проблем, а вам выдает уже готовые результаты, которые даже близко не напоминают формулы из учебника алгебры. Обычному пользователю вся эта математика попросту неинтересна. Он хочет, чтобы его игровой персонаж в долю секунды перепрыгнул препятствие или желает проверить орфографию только что написанного текста. За этими, казалось бы, далекими от скучных цифр задачами стоит сложнейшая математика.
Каждая работающая программа требует части вычислительной мощности процессора. Чем больше программ вы запускаете одновременно, тем ближе нагрузка процессора к максимальной. Задача операционной системы координировать доставку информации на обработку в процессор так, чтобы все проходило гладко и незаметно для пользователя. ОС может переключить внимание процессора с одной задачи на другую.
Одной из важных ролей операционной системы является роль менеджера ресурсов. Если она хорошо справляется с этой задачей, то мы даже не знаем о том, в какой момент процессор отложил в сторону одну задачу и обратил свое внимание на другую.
Незаметная и незаменимая помощница
Сложнейшая из всех задач операционной системы состоит в том, чтобы вы на нее не обращали внимания и сосредоточились на интересных вам приложениях. И пока все идет хорошо, пользователь вообще не задумывается о платформе. И лишь, когда начинаются программные сбои, пользователь осознает, насколько важна миссия операционной системы.
Те «различия» между операционными системами, которые заметны большинству пользователей чисто косметические. Редкий пользователь разбирается в программировании настолько, чтобы за оболочкой графического интерфейса увидеть то, что на самом деле отличает одну операционную систему от другой. Ни внешний вид рабочего стола, ни дизайн значков приложений не имеет никакого отношения к внутренней сути операционной системы.
Те задачи, о которых написано выше, так или иначе выполняет каждая современная операционная система , управляющая любым компьютерным устройством. Вне зависимости от того, как выглядит операционная система и на каком устройстве она установлена: на ПК, мобильном девайсе или игровой консоли.
Особенности
Положительные особенности
Широкая распространенность продукта
В подавляющем большинстве случаем на компьютерах установлена OC Windows. Поэтому, придя в гости к другу или к себе на работу, можно без проблем перебросить с флэш-накопителя пару-тройку картинок, текстовых файлов или клипов. Простота в использовании и поддержка OC Windows любого оборудования и любых программ поспособствовала глобальному распространению это OC.
Приятный интерфейс
У современных OC довольно приятный и понятный интерфейс. Это способствует быстрому восприятию информации, простоте использования компьютера, быстрому обучению работе с ОС.
Стабильность ОС
В общем и целом, стабильность работы современной OC можно назвать приемлемой. Однако слово "приемлемой" здесь должно сопровождаться массой оговорок:
1. Приемлемой стабильность работы ОС становится только после ее качественной и грамотной настройки - про ненастроенную систему (впрочем, как и ненастроенную гитару) здесь говорить вообще не стоит.
2. Стабильность современной ОС также в большой степени зависит от версии продукта и наличия установленных сервис-паков и дополнений - увы, но без их присутствия в работе ОС происходят частые сбои.
3. Стабильность ОС также зависит и от самих приложений, установленных на ОС пользователем: чем они стабильнее в работе и чем более совместимы с самой программной оболочкой Windows, тем меньше сбоев мы сможем наблюдать в работе основной ОС.
4. На стабильность работы современной ОС большое влияние оказывает и само "железо", которое используется совместно с работающей ОС.
5. Также на стабильную работу современной OC далеко не последнее влияние оказывают драйверы устройств. Эти мини-программы, отвечающие за сопряжение определенного софта с определенным “железом”.
Хорошая совместимость с продуктами разных разработчиков (об OC Windows )
Современная OC способна корректно понимать любые типы файлов, появившиеся в ее ранних реинкарнациях. Если вспомнить те же расширения файлов, то станет ясно, что их родоначальником, по сути, является та самая примитивная и архаичная ОС, некогда перекупленная у стороннего разработчика и доведенная до ума Microsoft - MS-DOS. Эта преемственность файловых форматов тянется нитью через все версии Windows, что само по себе просто замечательно.
Управление автоматическими или автоматизированными комплексами, предъявляющими высокие требования к времени выполнения задач осуществляется операционными системами реального времени. Они обеспечивают гарантированное время реакции на внешние события и минимальные задержки.
Операционная система реального времени , ОС РВ (англ. Real-Time Operating System) - тип , как правило, специального назначения. Для этого термина есть различные определения, порой противоречащие друг другу:
Для систем реального времени характерно следующее:
Классическим примером задачи, где требуется ОС РВ, является управление роботом, берущим деталь с ленты конвейера. Деталь движется и робот имеет лишь маленький промежуток времени, когда он может её взять. Если он опоздает, то деталь уже не будет на нужном участке конвейера, и следовательно, работа не будет сделана, несмотря на то, что робот находится в правильном месте. Если он спозиционируется раньше, то деталь ещё не успеет подъехать, и он заблокирует ей путь.
Динамические свойства программ реального времени принято характеризовать тремя определениями: программы «жесткого» (hard), «мягкого» (soft) и интерактивного («условного») реального времени.
Жесткое реальное время . Предусматривает наличие гарантированного времени отклика системы на конкретное событие, например, аппаратное прерывание, выдачу команды управления и т.п. Абсолютная величина времени отклика большого значения не имеет. Так, если необходимо, чтобы программа отработала некоторую команду за 1 миллисекунду, но она справляется с этим заданием лишь в 95% случаев, а в 5% не укладывается в норматив, такую систему нельзя охарактеризовать как работающую в жестком реальном времени. Если же команду нужно отработать в течение часа, что и происходит в 100% случаев – налицо жесткое реальное время.
В большинстве русскоязычной литературы такие системы называют системами с детерминированным временем . При практическом применении время реакции должно быть минимальным.
Мягкое реальное время . В этом случае ожидающееся время отклика системы является величиной скорее индикативной, нежели директивной. Конечно, предполагается что в большинстве случаев (процентов 80 — 90) отклик уложится в заданные пределы. Однако и остальные варианты – в том числе полное отсутствие реакции системы – не должны приводить к плачевным результатам. Обычно считается, что если временной норматив превышен на один порядок, то это еще терпимо.
Интерактивное реальное время . Является скорее психологической, нежели технической характеристикой. Определяет время, в течение которого оператор – человек – способен спокойно, без нервозности, ожидать реакции системы на данные им указания. В качестве примера можно привести весьма популярные сегодня игры из категории «стратегии реального времени» (real-time strategy, см. например квазар на основе Warhammer).
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.
Зачастую под СРВ безусловно понимают встроенные операционные системы , на деле же, существует 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-разработчика встраиваимых систем Dedicated Systems Experts) сформулировал следующие необходимые требования для ОС РВ:
В течение последних 25-30 лет структура операционных систем эволюционировала от монолитной к многослойной структуре ОС и далее к архитектуре клиент-сервер. Эти решения в той или иной степени нашли применение и при разработке операционных систем реального времени.
Монолитная архитектура представляет систему, состоящую из набора взаимодействующих модулей. Приложения обращаются к системе через API модулей. Изменения одного модуля влияют на другие модули. Чем больше модулей, чем сложнее они связаны между собой, тем тем менее предсказуемо поведение такой системы в процессе эксплуатации. Кроме того, возникают трудности для использования ОС такого типа в распределенной многопроцессорной системе.
Рис.1. Монолитная архитектура ОС РВ
Многослойная архитектура описывает систему, состоящую из нескольких функциональных уровней. Приложение может обращаться к аппаратным ресурсам как через системные вызовы ядра и системные службы, так и через API уровней. Вообще-то, возможность обращения к нижележащим слоям минуя верхние уровни семантически неверно, но для систем реального времени такая организация позволяет увеличить предсказуемость системы и снизить время отклика. Недостатком многослойной архитектуры является то, что изменения одного слоя влияют на соседние слои. Еще один недостаток, свойственный многослойной архитектуре - отсутствие многозадачности. Однако, далеко не всегда и не всем системам реального времени требуется поддержка многозадачности. Например, сложно обосновать необходимость многозадачного режима для встроенной ОС промышленного робота, подающего детали на конвейер.
Рис.2. Многослойная архитектура ОС РВ
Клиент-серверная архитектура ОС основана на минимизации количества функций, выполняемых ядром (точнее, микроядром ) такой системы. Например, на уровне ядра выполняются только планировщик, примитивы синхронизации и служба сообщений. Вся остальная функциональность выносится на пользовательский уровень и реализуется через серверы. Приложения-клиенты обращаются к ним и получают от них ответы путем обмена сообщениям через службу сообщений уровня ядра.
Рис.3 Клиент-серверная архитектура ОС РВ
Клиент-серверная архитектура 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 выгрузки 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.
Постоянный адрес этой страницы:
Отличительные черты ОСРВ от ОС общего назначения
ОС общего назначения, особенно многопользовательские, такие как UNIX , ориентированы на оптимальное распределение ресурсов компьютера между пользователями и задачами. В операционных системах реального времени подобная задача отходит на второй план - все отступает перед главной задачей - успеть среагировать на события, происходящие на объекте.Другое отличие - применение операционной системы реального времени всегда связано с аппаратурой, с объектом, с событиями, происходящими на объекте. Операционная система реального времени ориентирована на обработку внешних событий. Операционная система реального времени может быть похожа по пользовательскому интерфейсу на ОС общего назначения, однако устроена она совершенно иначе.Кроме того, применение операционных системах реального времени всегда конкретно. Если ОС общего назначения обычно воспринимается пользователями (не разработчиками) как уже готовый набор приложений, то операционная система реального времени служит только инструментом для создания конкретного аппаратно-программного комплекса реального времени. И поэтому наиболее широкий класс пользователей операционных системах реального времени - разработчики комплексов реального времени, люди проектирующие системы управления и сбора данных. Проектируя и разрабатывая конкретную систему реального времени, программист всегда знает точно, какие события могут произойти на объекте, знает критические сроки обслуживания каждого из этих событий.Система РВ должна успеть отреагировать на событие, произошедшее на объекте, в течение времени, критического для этого события. Величина критического времени для каждого события определяется объектом и самим событием, и может быть разной, но время реакции системы должно быть предсказано (вычислено) при создании системы. Отсутствие реакции в предсказанное время считается ошибкой для систем реального времени.Система должна успевать реагировать на одновременно происходящие события. Даже если два или больше внешних событий происходят одновременно, система должна успеть среагировать на каждое из них в течение интервалов времени, критического для этих событий.
ОС реального времени |
ОС общего назначения |
|
Основная задача |
Успеть среагировать на события, происходящие на оборудовании |
Оптимально распределить ресурсы компьютера между пользователями и задачами |
На что ориентирована |
Обработка внешних событий |
Обработка действий пользователя |
Как позиционируется |
Инструмент для создания конкретного аппаратно-программного комплекса реального времени |
Воспринимается пользователем как набор приложений, готовых к использованию |
Кому предназначена |
Квалифицированный разработчик |
Пользователь средней квалификации |
Системы жёсткого и мягкого реального времени
Различают системы реального времени двух типов - системы жесткого реального времени и системы мягкого реального времени.
Системы жесткого реального времени не допускают никаких задержек реакции системы ни при каких условиях, так как:
Примеры систем жесткого реального времени - бортовые системы управления, системы аварийной защиты, регистраторы аварийных событий.
Системы мягкого реального времени характеризуются тем, что задержка реакции не критична, хотя и может привести к увеличению стоимости результатов и снижению производительности системы в целом.Пример - работа сети. Если система не успела обработать очередной принятый пакет, это приведет к таймауту на передающей стороне и повторной посылке (в зависимости от протокола, конечно). Данные при этом не теряются, но производительность сети снижается.Основное отличие между системами жесткого и мягкого реального времени можно выразить так: система жесткого реального времени никогда не опоздает с реакцией на событие, система мягкого реального времени - не должна опаздывать с реакцией на событие
Ядро операционной системы
Ядро́ - центральная часть операционной системы (ОС), обеспечивающая приложениям координированный доступ к ресурсам компьютера, память, внешнее аппаратное обеспечение, внешнее устройство ввода и вывода информации, переводя команды языка приложений на язык двоичных кодов, которые понимает компьютер.Как основополагающий элемент ОС, ядро представляет собой наиболее низкий уровень абстракции для доступа приложений к ресурсам системы, необходимым для их работы. Как правило, ядро предоставляет такой доступ исполняемым процессам соответствующих приложений за счёт использования механизмов межпроцессного взаимодействия и обращения приложений к системным вызовам ОС.
Монолитное ядро
Монолитное ядро предоставляет богатый набор абстракций оборудования. Все части монолитного ядра работают в одном адресном пространстве. Это такая схема операционной системы, при которой все компоненты её ядра являются составными частями одной программы, используют общие структуры данных и взаимодействуют друг с другом путём непосредственного вызова процедур. Монолитное ядро - старейший способ организации операционных систем. Примером систем с монолитным ядром является большинство UNIX-систем.
Достоинства : Скорость работы, упрощённая разработка модулей.
Недостатки : Поскольку всё ядро работает в одном адресном пространстве, сбой в одном из компонентов может нарушить работоспособность всей системы.
Некоторые старые монолитные ядра, в особенности систем класса UNIX/Linux, требовали перекомпиляции при любом изменении состава оборудования. Большинство современных ядер позволяют во время работы подгружать модули, выполняющие часть функций ядра. В этом случае компоненты операционной системы являются не самостоятельными модулями, а составными частями одной большой программы, называемой монолитным ядром (monolithic kernel), которое представляет собой набор процедур, каждая из которых может вызвать каждую. Все процедуры работают в привилегированном режиме.
Микроядро
Микроядро предоставляет только элементарные функции управления процессами и минимальный набор абстракций для работы с оборудованием. Большая часть работы осуществляется с помощью специальных пользовательских процессов, называемых сервисами. Решающим критерием «микроядерности» является размещение всех или почти всех драйверов и модулей в сервисных процессах.
Достоинства : Устойчивость к сбоям оборудования, ошибкам в компонентах системы. Основное достоинство микроядерной архитектуры - высокая степень модульности ядра операционной системы. Это существенно упрощает добавление в него новых компонентов. В микроядерной операционной системе можно, не прерывая её работы, загружать и выгружать новые драйверы, файловые системы и т. д. Существенно упрощается процесс отладки компонентов ядра, так как новая версия драйвера может загружаться без перезапуска всей операционной системы. Компоненты ядра операционной системы ничем принципиально не отличаются от пользовательских программ, поэтому для их отладки можно применять обычные средства. Микроядерная архитектура повышает надежность системы, поскольку ошибка на уровне непривилегированной программы менее опасна, чем отказ на уровне режима ядра.
Недостатки : Передача данных между процессами требует накладных расходов.
Среда исполнения
Требования, предъявляемые к среде исполнения систем реального времени, следующие:
Сочетание описанных выше свойств создает мощную и эффективную среду исполнения в реальном времени.
Кроме свойств среды исполнения, необходимо рассмотреть также сервис, предоставляемый ядром ОС реального времени. Основой любой среды исполнения в реальном времени является ядро или диспетчер. Ядро управляет аппаратными средствами целевого компьютера: центральным процессором, памятью и устройствами ввода/вывода; контролирует работу всех других систем и программных средств прикладного характера. В системе реального времени диспетчер занимает место между аппаратными средствами целевого компьютера и прикладным программным обеспечением. Он обеспечивает специальный сервис, необходимый для работы приложений реального времени. Предоставляемый ядром сервис дает прикладным программам доступ к таким ресурсам системы, как, например, память или устройства ввода/вывода.
Ядро может обеспечивать сервис различных типов:
Обзор архитектур ОСРВ
За свою историю архитектура операционных систем претерпела значительное развитие. Один из первых принципов построения, монолитные ОС (рисунок 1), заключался в представлении ОС как набора модулей, взаимодействующих между собой различным образом внутри ядра системы и предоставляющих прикладным программам входные интерфейсы для обращений к аппаратуре.
уровневые ОС (рисунок 2).Примером такой ОС является хорошо известная система MS-DOS. В системах этого класса прикладные приложения могли получить доступ к аппаратуре не только посредством ядра системы или ее резидентных сервисов, но и непосредственно. По такому принципу строились ОСРВ в течение многих лет. По сравнению с монолитными ОС такая архитектура обеспечивает значительно большую степень предсказуемости реакций системы, а также позволяет осуществлять быстрый доступ прикладных приложений к аппаратуре. Недостатком
таких систем является отсутствие в них многозадачности. В рамках такой архитектуры проблема обработки асинхронных событий сводилась к буферизации сообщений, а затем последовательному опросу буферов и обработке. При этом соблюдение критических сроков обслуживания обеспечивалось высоким быстродействием вычислительного комплекса по сравнению со скоростью протекания внешних процессов.
Рисунок 2. Архитектура уровневой ОС
Одной из наиболее эффективных архитектур для построения операционных систем реального времени считается архитектура клиент – сервер. Общая схема ОС работающей по этой технологии представлена на рисунке 3. Основным принципом такой архитектуры является вынесение сервисов ОС в виде серверов на уровень пользователя, а микроядро выполняет функции диспетчера сообщений между клиентскими пользовательскими программами и серверами – системными сервисами. Такая архитектура дает массу плюсов с точки зрения требований к ОСРВ и встраиваемым системам. Среди этих преимуществ можно отметить:
1. Повышается надежность ОС, т.к. каждый сервис является, по сути, самостоятельным приложением и его легче отладить и отследить ошибки.
2. Такая система лучше масштабируется, поскольку ненужные сервисы могут быть исключены из системы без ущерба к ее работоспособности.
3. Повышается отказоустойчивость системы, т.к. «зависший» сервис может быть перезапущен без
перезагрузки системы.
Рисунок 3. Построение ОС с использованием архитектуры клиент-сервер
К сожалению на сегодняшний день не так много ОС реализуется по принципу клиент-сервер. Среди известных ОСРВ реализующих архитектуру микроядра можно отметить OS9 и QNX.
Список использованной литературы:
1) http://ru.wikipedia.org/wiki/Операционная_система_реального_времени
2) http://www.asutp.ru/?p=600591
3) http://www.mka.ru/?p=40774
4) http://www.4stud.info/rtos/lecture1.html
5)http://www.ozon.ru/context/detail/id/3092042/
Операционная система реального времени
Операционная система, которая может обеспечить требуемое время выполнения задачи реального времени даже в худших случаях , называется операционной системой жёсткого реального времени .
Операционная система, которая может обеспечить требуемое время выполнения задачи реального времени в среднем , называется операционной системой мягкого реального времени .
Системы жёсткого реального времени не допускают задержек реакции системы, так как это может привести к:
Если не выполняется обработка критических ситуаций либо она происходит недостаточно быстро, система жёсткого реального времени прерывает операцию и блокирует её, чтобы не пострадала надёжность и готовность остальной части системы. Примерами систем жёсткого реального времени могут быть - бортовые системы управления (на самолёте, космическом аппарате, корабле, и пр.), системы аварийной защиты, регистраторы аварийных событий.
Системы мягкого реального времени характеризуются возможностью задержки реакции, что может привести к увеличению стоимости результатов и снижению производительности системы в целом. Примером может служить работа компьютерной сети . Если система не успела обработать очередной принятый пакет, это приведет к остановке на передающей стороне и повторной посылке (в зависимости от протокола). Данные при этом не теряются, но производительность сети снижается.
Основное отличие систем жёсткого и мягкого реального времени можно охарактеризовать так: система жёсткого реального времени никогда не опоздает с реакцией на событие, система мягкого реального времени - не должна опаздывать с реакцией на событие.
Обозначим операционной системой реального времени такую систему, которая может быть использована для построения систем жёсткого реального времени. Это определение выражает отношение к ОСРВ как к объекту, содержащему необходимые инструменты, но также означает, что эти инструменты ещё необходимо правильно использовать.
Большинство программного обеспечения ориентировано на «мягкое» реальное время. Для подобных систем характерно:
Классическим примером задачи, где требуется ОСРВ, является управление роботом , берущим деталь с ленты конвейера . Деталь движется, и робот имеет лишь маленький промежуток времени, когда он может её взять. Если он опоздает, то деталь уже не будет на нужном участке конвейера, и следовательно, работа не будет выполнена, несмотря на то, что робот находится в правильном месте. Если он подготовится раньше, то деталь ещё не успеет подъехать, и он заблокирует ей путь.
Таблица сравнения ОСРВ и обычных операционных систем:
| ОС реального времени | ОС общего назначения | |
|---|---|---|
| Основная задача | Успеть среагировать на события, происходящие на оборудовании | Оптимально распределить ресурсы компьютера между пользователями и задачами |
| На что ориентирована | Обработка внешних событий | Обработка действий пользователя |
| Как позиционируется | Инструмент для создания конкретного аппаратно-программного комплекса реального времени | Воспринимается пользователем как набор приложений, готовых к использованию |
| Кому предназначена | Квалифицированный разработчик | Пользователь средней квалификации |
В своем развитии ОСРВ строились на основе следующих архитектур .
Ядро ОСРВ обеспечивает функционирование промежуточного абстрактного уровня ОС, который скрывает от прикладного ПО специфику технического устройства процессора (нескольких процессоров) и связанного с ним аппаратного обеспечения.
Указанный абстрактный уровень предоставляет для прикладного ПО пять основных категорий сервисов.
В дополнение к сервисам ядра, многие ОСРВ предлагают линейки дополнительных компонентов для организации таких высокоуровневых понятий, как файловая система , сетевое взаимодействие, управление сетью, управление базой данных , графический пользовательский интерфейс и т. д. Хотя многие из этих компонентов намного больше и сложнее, чем само ядро ОСРВ, они, тем не менее, основываются на его сервисах. Каждый из таких компонентов включается во встроенную систему, только если её сервисы необходимы для выполнения встроенного приложения и только для того, чтоб свести расход памяти к минимуму.
Многие операционные системы общего назначения также поддерживают указанные выше сервисы. Однако ключевым отличием сервисов ядра ОСРВ является детерминированный , основанный на строгом контроле времени, характер их работы. В данном случае под детерминированностью понимается то, что для выполнения одного сервиса операционной системы требуется временной интервал заведомо известной продолжительности. Теоретически это время может быть вычислено по математическим формулам , которые должны быть строго алгебраическими и не должны включать никаких временных параметров случайного характера. Любая случайная величина , определяющая время выполнения задачи в ОСРВ, может вызвать нежелательную задержку в работе приложения, тогда следующая задача не уложится в свой квант времени, что послужит причиной для ошибки.
В этом смысле операционные системы общего назначения не являются детерминированными. Их сервисы могут допускать случайные задержки в своей работе, что может привести к замедлению ответной реакции приложения на действия пользователя в заведомо неизвестный момент времени. При проектировании обычных операционных систем разработчики не акцентируют своё внимание на математическом аппарате вычисления времени выполнения конкретной задачи и сервиса. Это не является критичным для подобного рода систем.
Большинство ОСРВ выполняют планирование задач, руководствуясь следующей схемой. Каждой задаче в приложении ставится в соответствие некоторый приоритет. Чем больше приоритет, тем выше должна быть реактивность задачи. Высокая реактивность достигается путём реализации подхода приоритетного вытесняющего планирования (preemptive priority scheduling), суть которого заключается в том, что планировщику разрешается останавливать выполнение любой задачи в произвольный момент времени, если установлено, что другая задача должна быть запущена незамедлительно.
Описанная схема работает по следующему правилу: если две задачи одновременно готовы к запуску, но первая обладает высоким приоритетом, а вторая низким, то планировщик отдаст предпочтение первой. Вторая задача будет запущена только после того, как завершит свою работу первая.
Возможна ситуация, когда задача с низким приоритетом уже запущена, а планировщик получает сообщение, что другая задача с более высоким приоритетом готова к запуску. Причиной этому может послужить какое-либо внешнее воздействие (прерывание от оборудования), как, например, изменение состояния переключателя устройства, управляемого ОСРВ. В такой ситуации планировщик задач поведет себя согласно подходу приоритетного вытесняющего планирования следующим образом. Задаче с низким приоритетом будет позволено выполнить до конца текущую ассемблерную команду (но не команду, описанную в исходнике программы языком высокого уровня), после чего выполнение задачи останавливается. Далее запускается задача с высоким приоритетом. После того, как она прорабатывает, планировщик запускает прерванную первую задачу с ассемблерной команды, следующей за последней выполненной.
Каждый раз, когда планировщик задач получает сигнал о наступлении некоторого внешнего события (триггер), причина которого может быть как аппаратная, так и программная, он действует по следующему алгоритму .
Эти пять шагов алгоритма также называются переключением задач .
В обычных ОСРВ задача может находиться в 3-х возможных состояниях:
Большую часть времени основная масса задач заблокирована. Только одна задача может выполняться на центральном процессоре в текущий момент времени. В примитивных ОСРВ список готовых к исполнению задач, как правило, очень короткий, он может состоять не более чем из двух-трёх наименований.
Основная функция администратора ОСРВ заключается в составлении такого планировщика задач.
Если в списке готовых к выполнению задач последних имеется не больше двух-трех, то предполагается, что все задачи расположены в оптимальном порядке. Если же случаются такие ситуации, что число задач в списке превышает допустимый лимит, то задачи сортируются в порядке приоритета.
В настоящее время для решения задачи эффективного планирования в ОСРВ наиболее интенсивно развиваются два подхода.
ОСРВ обычно не используют первый способ, потому что пользовательское приложение не может контролировать процессор столько, сколько хочет. Однако, во многих встроенных системах и ОСРВ позволяется запускать приложения в режиме ядра для доступа к системным вызовам и даётся контроль над окружением исполнения без вмешательства ОС.
На однопроцессорных системах наилучшим решением является приложение запущенное в режиме ядра , которому позволено блокирование прерываний. Пока прерывание заблокировано, приложение использует ресурсы процесса единолично и никакая другая задача или прерывание не может выполняться. Таким образом защищаются все критичные ресурсы. После того как приложение завершит критические действия, оно должно разблокировать прерывания, если таковые имеются. Временное блокирование прерывания позволено только тогда, когда самый долгий промежуток выполнения критической секции меньше, чем допустимое время реакции на прерывание. Обычно этот метод защиты используется только когда длина критического кода не превышает нескольких строк и не содержит циклов . Этот метод идеально подходит для защиты регистров .
Когда длина критического участка больше максимальной или содержит циклы, программист должен использовать механизмы идентичные или имитирующие поведение систем общего назначения, такие как семафоры и посылка сигналов.
Следующим проблемам выделения памяти в ОСРВ уделяется больше внимания, нежели в операционных системах общего назначения.
Во-первых, скорости выделения памяти. Стандартная схема выделения памяти предусматривает сканирование списка неопределённой длины для нахождения свободной области памяти заданного размера, а это неприемлемо, так как в ОСРВ выделение памяти должно происходить за фиксированное время.
Во-вторых, память может стать фрагментированной в случае разделения свободных её участков уже запущенными процессами. Это может привести к остановке программы из-за её неспособности задействовать новый участок памяти. Алгоритм выделения памяти, постепенно увеличивающий фрагментированность памяти, может успешно работать на настольных системах, если те перезагружаются не реже одного раза в месяц, но является неприемлемым для встроенных систем, которые работают годами без перезагрузки.
Простой алгоритм с фиксированной длиной участков памяти очень хорошо работает в несложных встроенных системах.
Также этот алгоритм отлично функционирует и в настольных системах, особенно тогда, когда во время обработки участка памяти одним ядром следующий участок памяти обрабатывается другим ядром. Такие оптимизированные для настольных систем ОСРВ, как Unison Operating System или DSPnano RTOS, предоставляют указанную возможность.
Следует сделать замечание, что в списке отсутствуют системы, разработанные в СССР для систем военного и космического назначения - по вполне понятным причинам, связанным с режимом секретности. Однако, их существование и использование на протяжении десятков лет, является бесспорным фактом, который следует учитывать.
| Операционные системы реального времени | |
|---|---|
|
BeOS ChibiOS/RT Contiki DNIX DSOS eCos Embox EROS FreeRTOS FunkOS Junos LynxOS KolibriOS MenuetOS MERT Nano-RK Nucleus Open AT OS OS-9 OSE PikeOS pSOS Prex QNX КПДА.00002-01 RMX RSX-11 RT-11 RTEMS RTLinux scmRTOS SINTRAN III |
Привет, Хабр!
Сегодня я расскажу о такой интересной штуке как операционная система реального времени(ОСРВ). Не уверен, что это будет интересно для бывалых программистов, но, думаю, новичкам понравится.
Вывод: Это действительно профессиональная ОСРВ с хорошей документацией. Будет хороша для новичка, если на его железо уже есть порт.
Вывод: назвать ее ОСРВ для новичка можно с большой натяжкой.
