Основные понятия и программное обеспечение систем реального времени (стр. 1 из 5)
dМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ.
СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА М.Ф. РЕШЕТНЕВА.
Реферат
по дисциплине "Системы реального времени"
На тему:
«Основные понятия и программное обеспечение систем реального времени»
Выполнил:
студент 2-го курса
группы ИУТ-61
Нечаев М. С.
Проверил:
Котельникова С. В.
Красноярск 2007
Содержание
Введение
1. Что такое реальное время
2. Классификация систем реального времени
3. Ядра и операционные системы реального времени
3.1. Задачи, процессы, потоки
3.1.1. Преимущества потоков
3.1.2. Недостатки потоков
3.2. Основные свойства задач
3.3. Планирование задач
3.4. Синхронизация задач
3.4.1. Связанные задачи
3.4.2. Общие ресурсы
3.4.3. Синхронизация с внешними событиями
3.4.4. Синхронизация по времени
4. Тестирование
5. Можно ли обойтись без ОС РВ?
Заключение
Список использованной литературы
Суверенностью можно сказать, что ссылки на красивое словосочетание «реальное время» стали общим местом на различных семинарах, конференциях и в специализированной печати. С не меньшей уверенностью можно сказать, что смысл этого термина трактуется специалистами по-разному в зависимости от области их профессиональных интересов, от того, являются они теоретиками или практиками, и даже просто от личного опыта и круга общения. В этом реферате я попытался сконцентрироваться на рассмотрении данного вопроса применительно к цифровой вычислительной технике, используемой в системах управления и сбора данных. Основное внимание будет уделено программному обеспечению, так как оно является наиболее слабым звеном в системах реального времени. Многопроцессорные системы для простоты рассматриваться не будут. Реферат не претендует на исчерпывающее изложение предмета и является скорее заметками на тему основных понятий и терминологии в этой области.
Если попытаться дать короткое определение, то
1. 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.
2. Говорят, что система работает в реальном времени, если ее быстродействие адекватно скорости протекания физических процессов на объектах контроля или управления. Так как окружающий нас мир весьма многообразен, здесь уместно добавить, что имеются в виду именно те процессы, которые непосредственно связаны с функциями, выполняемыми конкретной системой реального времени. То есть система управления должна собрать данные, произвести их обработку в соответствии с заданными алгоритмами и выдать управляющие воздействия за такой промежуток времени, который обеспечивает успешное решение поставленных перед системой задач.
Из приведенных определений следует несколько интересных выводов.
Во-первых, практически все системы промышленной автоматизации являются системами реального времени.
Во-вторых, принадлежность системы к классу систем реального времени никак не связана с ее быстродействием. Например, если ваша система предназначена для контроля уровня грунтовых вод, то даже выполняя измерения с периодичностью один раз за полчаса, она будет работать в реальном времени.
Исходные требования к времени реакции системы и другим временным параметрам определяются или техническим заданием на систему, или просто логикой ее функционирования. Например, шахматная программа, думающая над каждым ходом более года, работает явно не в реальном времени, так как шахматист скорее всего не доживет до конца партии. Однако точное определение «приемлемого времени реакции» не всегда является простой задачей, а в системах, где одним из звеньев служит человек, подвержено влиянию субъективных факторов. Впрочем, человек – это своеобразная вычислительная машина, а мы договорились многопроцессорных конфигураций не рассматривать.
Интуитивно понятно, что быстродействие системы реального времени должно быть тем больше, чем больше скорость протекания процессов на объекте контроля и управления. Чтобы оценить 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 (транзиент-анализ) 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.
2. Классификация систем реального времени
Принято различать 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. Последствия таких отказов могут быть разные, от пролива драгоценной влаги на линии по розливу алкогольных напитков до более крупных неприятностей, если, например, вовремя не сработала система аварийных блокировок атомного реактора. Многие теоретики ставят здесь точку, из чего следует, что время реакции в «жестких» системах может составлять и секунды, и часы, и недели. Однако большинство практиков считают, что время реакции в системах «жесткого» реального времени должно быть все-таки минимальным. Идя на поводу у практиков, так и будем считать. Разумеется, однозначного мнения о том, какое время реакции свойственно «жестким» системам, нет. Более того, с увеличением быстродействия микропроцессоров это время имеет тенденцию к уменьшению, и если раньше в качестве границы называлось значение 1 мс, то сейчас, как правило, называется время порядка 100 мкс.
2. Точного определения для «мягкого» реального времени не существует, поэтому будем считать, что сюда относятся все системы реального времени, не попадающие в категорию «жестких». Так как система «мягкого» реального времени может не успевать ВСЁ делать ВСЕГДА 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 отработки событий и т. п. Более того, эти критерии влияют на то, какой алгоритм планирования задач является оптимальным. Вообще говоря, системы «мягкого» реального времени проработаны теоретически далеко не до конца.
3. Ядра и операционные системы реального времени
Чтобы быстрее перейти к делу, примем как очевидные следующие моменты:
1. Когда-то операционных систем совсем не было.
2. Через некоторое время после их появления возникло направление ОС РВ.
3. Все ОС РВ являются многозадачными операционными системами. Задачи делят между собой ресурсы вычислительной системы, в том числе и процессорное время.
Четкой границы между ядром (Kernel) и операционной системой нет. Различают их, как правило, по набору функциональных возможностей. Ядра предоставляют пользователю такие базовые функции, как планирование и синхронизация задач, межзадачная коммуникация, управление памятью и т. п. Операционные системы в дополнение к этому имеют файловую систему, сетевую поддержку, интерфейс с оператором и другие средства высокого уровня.
По своей внутренней архитектуре ОС РВ можно условно разделить на монолитные ОС, ОС на основе микроядра и объектно-ориентированные ОС. Графически различия в этих подходах иллюстрируются рисунками 1, 2, 3. Преимущества и недостатки различных архитектур достаточно очевидны, поэтому подробно мы на них останавливаться не будем.
Пользователь, напуганный перспективой изучать новую операционную систему, может здесь вполне резонно спросить: «А нельзя ли вообще обойтись без всех этих заумных вещей?»
Если отвечать на этот вопрос односложно, то да, МОЖНО. Однако ответ на вопрос о том, когда это НУЖНО делать, остается, конечно, за пользователем. Материалы этого реферата, возможно, дадут некоторую пищу к размышлениям на эту тему.
Существуют различные определения термина «задача» для многозадачной ОС РВ. Мы будем считать задачей набор операций (машинных инструкций), предназначенный для выполнения логически законченной функции системы. При этом задача конкурирует с другими задачами за получение контроля над ресурсами вычислительной системы. Принято различать две разновидности задач: процессы и потоки. Процесс представляет собой отдельный загружаемый программный модуль (файл), который, как правило, во время исполнения имеет в памяти свои независимые области для кода и данных. В отличие от этого потоки могут пользоваться общими участками кода и данных в рамках единого программного модуля.
Хорошим примером многопоточной программы является редактор текста WORD, где в рамках одного приложения может одновременно происходить и набор текста, и проверка правописания.