События, происходящие на объекте, регистрируются датчиками, данные с датчиков передаются в модули ввода-вывода (интерфейсы) системы. Модули ввода-вывода, получив информацию от датчиков и преобразовав ее, генерируют запрос на прерывание в управляющем компьютере, подавая ему тем самым сигнал о том, что на объекте произошло событие. Получив сигнал от модуля ввода-вывода, система должна запустить программу обработки этого события. Интервал времени - от события на объекте и до выполнения первой инструкции в программе обработки этого события и является временем реакции системы на события, и, проектируя систему реального времени, разработчики должны уметь вычислять этот интервал.
Время выполнения цепочки действий - от события на объекте до генерации прерывания - никак не зависит от операционных систем реального времени и целиком определяется аппаратурой, а вот интервал времени - от возникновения запроса на прерывание и до выполнения первой инструкции обработчика определяется целиком свойствами операционной системы и архитектурой компьютера. Причем это время нужно уметь оценивать в худшей для системы ситуации, то есть в предположении, что процессор загружен, что в это время могут происходить другие прерывания, что система может выполнять какие-то действия, блокирующие прерывания.
Неплохим основанием для оценки времен реакции системы могут служить результаты тестирования с подробным описанием архитектуры целевой системы, в которой проводились измерения, средств измерения и точным указанием, какие промежутки времени измерялись. Некоторые производители операционных систем реального времени результаты такого тестирования предоставляют. Их не увидишь в рекламных проспектах, но можно отыскать на WEB-страницах, в документах технической поддержки, в публикациях фирм, проводящих независимое тестирование.
Время реакции на прерывание, характерное для некоторых операционных систем реального времени, представлено на диаграмме 6.
1.3.3.2. Время переключения контекста.
В операционные системы реального времени заложен параллелизм, возможность одновременной обработки нескольких событий, поэтому все операционные системы реального времени являются многозадачными (многопроцессными, многонитиевыми). Для того чтобы уметь оценивать накладные расходы системы при обработке параллельных событий, необходимо знать время, которое система затрачивает на передачу управления от процесса к процессу (от задачи к задаче, от нити к нити), то есть время переключения контекста (диаграмма 7).
Для систем реального времени важным параметром является размер системы исполнения, а именно суммарный размер минимально необходимого для работы приложения системного набора (ядро, системные модули, драйверы и т. д.). Хотя, надо признать, что с течением времени значение этого параметра уменьшается, тем не менее он остается важным и производители систем реального времени стремятся к тому, чтобы размеры ядра и обслуживающих модулей системы были невелики.
Примеры: размер ядра операционной системы реального времени OS-9 на микропроцессорах МС68xxx - 22 KB, VxWorks - 16 KB.
1.3.3.4. Возможность исполнения системы из ПЗУ (ROM).
Это свойство операционных систем реального времени - одно из базовых. Оно позволяет создавать компактные встроенные СРВ повышенной надёжности, с ограниченным энергопотреблением, без внешних накопителей.
На столь широком поле деятельности как системы реального времени вполне закономерным оказалось возникновение множества подходов к их созданию. В основном они отличаются структурой создаваемой системы и аппаратной платформой, на которой ей предполагается функционировать. В настоящее время используются четыре основных параметра, которые могут характеризовать правильность выбранного подхода.
1.4. Современные представители рынка ОС РВ в России.
Среди коммерческих систем реального времени можно выделить группу ведущих систем - по объемам продаж и по популярности. Эти системы: VxWorks, OS9, LynxOS, QNX, pSOS, VRTX. В таблице 8 даны сведения о существующих в настоящее время СРВ и их характерных особенностях. В таблице 4 даны основные характеристики некоторых систем.
Четыре из перечисленных систем будут рассмотрены далее подробно. В системе, которая будет создана в рамках данной работы, не предусмотрены функции работы с работы с локальными или глобальными сетями. Поэтому в числе сравнительных параметров не были упомянуты эти возможности, которые являются немаловажной частью современных ОС РВ.
1.4.1. LynxOS® 4.x фирмы LinuxWorks, Inc.
Предназначена для разработки ПО встроенных систем, работающих в режиме жёсткого реального времени, производителями комплектного оборудования (OEM) и телекоммуникационного оборудования (TEM), в частности, изготовителями бортовых систем военного применения.
1.4.1.1. Основные свойства LynxOS:
· Поддерживает многозадачные и многопотоковые приложения.
· LynxOS обеспечивает совместимость с Linux на уровне ABI (Application Binary Interface), уровне форматов объектных файлов, вызовов API, динамически подключаемых библиотек (DLL), компоновки и загрузки на этапе выполнения. Это свойство LynxOS является уникальным для систем реального времени и очень полезным для пользователей (например в случае отсутствия исходных текстов). Система работает так же с Unix и Java.
· Полностью поддерживается стандарт POSIX.1003-1, а также подразделы POSIX.1003-1b и POSIX.1003-1c, определяющие расширения реального времени и работы с нитями (потоками).
· Многоплатформенность. Поддерживает множество аппаратных архитектур (IA-32, PowerPC, MIPS, ARM, XScale, IBM) для оборудования различных фирм производителей.
· Разработка может осуществляться как на самой целевой системе (self-hosted), так и на инструментальном компьютере (host).
· Является ОС для ответственных приложений. Имеет всё необходимое для создания современных систем, обладающих свойствами "горячей замены" / "высокой доступности" (Hot Swap, High Availability), и устройств с высоким коэффициентом резервирования.
· LynxOS-178 - это версия LynxOS, сертифицированная в соответствии со стандартом DO-178. Это означает полное соответствие с точки зрения надежности строгим требованиям для мобильных систем военного и аэрокосмического применения. Кроме того, LynxOS-178 имеет сертифицированный стек TCP/IP для ответственных приложений в области авионики, медицины, атомной промышленности и связи.
· Большое количество средств разработок как в рамках самой LynxOS, так и host-систем (Linux, Windows, Solaris).
1.4.1.2. Поддержка приложений жёсткого реального времени.
· количество задач: неограниченно;
· количество приоритетов: 256;
· диспетчеризация задач: вытеснение по приоритетам. 4 алгоритма диспетчеризации (FIFO, Priority Quantum, Round Robin, невытесняемый);
· детерминированное время переключения контекста благодаря эффективному алгоритму диспетчеризации реального времени;
· средства межзадачных взаимодействий как в стандарте POSIX (семафоры, разделяемая память, сокеты, сигналы, каналы, мьютексы, условные переменные), так и в терминах Unix SystemV (очереди сообщений, семафоры, разделяемая память);
· поддержка таймеров реального времени и часов POSIX;
· конфигурирование квантов времени для различных уровней приоритетов и для разрешения значения единицы (tick) таймера;
· выполнение задач в защищенном режиме, полная поддержка MMU (Memory Management Unit).
1.4.2. OS-9/Hawk фирмы Microware Systems.
Многозадачная, многопользовательская операционная система для встраиваемых приложений, работающих в режиме реального времени. Для производителей продуктов в таких областях, как мобильные телекоммуникационные устройства, встраиваемые терминалы доступа в Интернет, интерактивные цифровые телевизионные приставки.
1.4.2.1. Основные свойства OS-9/Hawk.
· Переносимая версия OS-9 позволяет применять в проекте наиболее подходящие микропроцессорные устройства (Motorola ColdFire; Motorola M-CORE; Intel Pentium; Intel StrongARM; PowerPC; ARM; Hitachi SuperH; MIPS; MicroSPARC).
· Система ввода-вывода ОС поддерживает различные форматы устройств массовой памяти и основных интерфейсов периферийных устройств: Raw, MS-DOS, True FFS, CardSoft PCMCIA, USB, IrDA.
· В среде OS-9 пользователь может выбирать несколько программных коммуникационных платформ: mwSoftStax (Microware), Harris & Jeffries, Trillium, - что ранее было исключительно прерогативой специализированных ОС.
· В инструментальный пакет Hawk встроена библиотека Tools.h из библиотеки Rogue Wave C++ Classes Lib.
· Hawk - интегрированная кросс-среда разработки приложений для OS-9 - функционирует на платформе MS Windows NT.
· Hawk является открытой средой и предоставляет сторонним разработчикам инструментальных средств более сотни API, позволяющих включать в рамках Hawk Partners Program в состав среды Hawk продукты известных фирм разработчиков инструментального ПО.
· Средство верификации программного обеспечения CodeTEST (Applied Microsystems) встроено в Hawk и представляет собой удобный и эффективный инструментарий трассировки встраиваемого ПО и контроля его характеристик, а также хода выполнения тестов и распределения памяти.
1.4.2.2. Поддержка приложений жёсткого реального времени.
· масштабируемое, полностью вытесняемое ядро ОС;
· поддерживает функционирование до 65535 процессов;
· предоставляет 65535 уровней приоритета;
· обеспечивает работу до 255 пользователей;