Важным параметром при оценке ОСРВ является набор инструментов, механизмов реального времени, предоставляемых системой.

1.3.1. Система приоритетов и алгоритмы диспетчеризации

Базовыми инструментами разработки сценария работы системы являются система приоритетов процессов (задач) и алгоритмы планирования
(диспетчеризации) ОСРВ.

В многозадачных ОС общего назначения используются, как правило, различные модификации алгоритма круговой диспетчеризации, основанные на понятии непрерывного кванта времени ("time slice"), предоставляемого процессу для работы. Планировщик по истечении каждого кванта времени просматривает очередь активных процессов и принимает решение, кому передать управление, основываясь на приоритетах процессов (численных значениях, им присвоенных). Приоритеты могут быть фиксированными или меняться со временем
- это зависит от алгоритмов планирования в данной ОС, но рано или поздно процессорное время получат все процессы в системе.

Алгоритмы круговой диспетчеризации неприменимы в чистом виде в ОСРВ.
Основной недостаток - непрерывный квант времени, в течение которого процессором владеет только один процесс. Планировщики же ОСРВ имеют возможность сменить процесс до истечения "time slice", если в этом возникла необходимость. Один из возможных алгоритмов планирования при этом
"приоритетный с вытеснением". Мир ОСРВ отличается богатством различных алгоритмов планирования: динамические, приоритетные, монотонные, адаптивные и пр., цель же всегда преследуется одна - предоставить инструмент, позволяющий в нужный момент времени исполнять именно тот процесс, который необходим.

1.3.2. Механизмы межзадачного взаимодействия

Другой набор механизмов реального времени относится к средствам синхронизации процессов и передачи данных между ними. Для ОСРВ характерна развитость этих механизмов. К таким механизмам относятся: семафоры, мьютексы, события, сигналы, средства для работы с разделяемой памятью, каналы данных (pipes), очереди сообщений. Многие из подобных механизмов используются и в ОС общего назначения, но их реализация в ОСРВ имеет свои особенности - время исполнения системных вызовов почти не зависит от состояния системы, и в каждой ОСРВ есть по крайней мере один быстрый механизм передачи данных от процесса к процессу.

3 Средства для работы с таймерами

Такие инструменты, как средства работы с таймерами, необходимы для систем с жестким временным регламентом, поэтому развитость средств работы с таймерами - необходимый атрибут ОСРВ. Эти средства, как правило, позволяют:

. измерять и задавать различные промежутки времени (от 1 мкс и выше),

. генерировать прерывания по истечении временных интервалов,

. создавать разовые и циклические будильники

Здесь описаны только базовые, обязательные механизмы, использующиеся в ОСРВ. Кроме того, почти в каждой ОСРВ можно найти целый набор дополнительных, специфических только для нее механизмов, касающийся системы ввода-вывода, управления прерываниями, работы с памятью. Каждая система содержит также ряд средств, обеспечивающих ее надежность: встроенные механизмы контроля целостности кодов, инструменты для работы с таймерами.

4 Классы систем реального времени

Монолитная архитектура
ОСРВ с монолитной архитектурой можно представить в виде (рис. 1.1)
. прикладного уровня: состоит из работающих прикладных процессов;
. системного уровня: состоит из монолитного ядра операционной системы, в котором можно выделить следующие части: интерфейс между приложениями и ядром (API), собственно ядро системы, интерфейс между ядром и оборудованием (драйверы устройств).

[pic]

Рис. 1.1. ОСРВ с монолитной архитектурой

Интерфейс в таких системах играет двойную роль:

1. управление взаимодействием прикладных процессов и системы,

2. обеспечение непрерывности выполнения кода системы (т.е. отсутствие переключения задач во время исполнения кода системы).

Основным преимуществом монолитной архитектуры является ее относительная быстрота работы по сравнению с другими архитектурами. Однако, достигается это, в основном, за счет написания значительных частей системы на ассемблере.

Недостатки монолитной архитектуры.

1. Системные вызовы, требующие переключения уровней привилегий (от пользовательской задачи к ядру), должны быть реализованы как прерывания или специальный тип исключений. Это сильно увеличивает время их работы.

2. Ядро не может быть прервано пользовательской задачей (non- preemptable). Это может приводить к тому, что высокоприоритетная задача может не получить управления из-за работы низкоприоритетной.

3. Сложность переноса на новые архитектуры процессора из-за значительных ассемблерных вставок.

4. Негибкость и сложность развития: изменение части ядра системы требует его полной перекомпиляции.

Модульная архитектура (на основе микроядра)
Модульная архитектура появилась, как попытка убрать интерфейс между приложениями и ядром и облегчить модернизацию системы и перенос ее на новые процессоры.

Теперь микроядро играет двойную роль(рис 1.2):

1. управление взаимодействием частей системы (например, менеджеров процессов и файлов),
1. обеспечение непрерывности выполнения кода системы (т.е. отсутствие переключения задач во время исполнения микроядра).

[pic]

Рис. 1.2. ОСРВ на основе микроядра

Недостатки модульной архитектуры фактически те же, что и у монолитной. Проблемы перешли с уровня интерфейса на уровень микроядра.
Системный интерфейс по-прежнему не допускает переключения задач во время работы микроядра, только сократилось время пребывания в этом состоянии, проблемы с переносимостью микроядра уменьшились (в связи с сокращением его размера), но остались.

Объектная архитектура на основе объектов-микроядер

В этой архитектуре интерфейс между приложениями и ядром отсутствует вообще (рис. 1.3). Взаимодействие между компонентами системы (микроядрами) и пользовательскими процессами осуществляется посредством обычного вызова функций, поскольку и система, и приложения написаны на одном языке (обычно
C++). Это обеспечивает максимальную скорость системных вызовов.

[pic]

Рис. 1.3. Пример объектно-ориентированной ОСРВ

Фактическое равноправие всех компонент системы обеспечивает возможность переключения задач в любое время. Объектно-ориентированный подход обеспечивает модульность, безопасность, легкость модернизации и повторного использования кода.

В отличие от предыдущих систем, не все компоненты самой операционной системы должны быть загружены в оперативную память. Если микроядро уже загружено для другого приложения, то оно повторно не загружается, а используется код и данные уже имеющегося микроядра. Все эти приемы позволяют сократить объем требуемой памяти. Поскольку разные приложения разделяют одни микроядра, то они должны работать в одном адресном пространстве. Следовательно, система не может использовать виртуальную память и тем самым работает быстрее (так как исключаются задержки на трансляцию виртуального адреса в физический).

1.5. Обзор некоторых коммерческих ОСРВ

Операционная система OS-9

OS-9 фирмы Microware относится к классу UNIX-подобных операционных систем реального времени. По своей сути OS-9 является многозадачной ОС с вытесняющей приоритетной диспетчеризацией, допускающая возможность многопользовательской работы. Объектно-ориентированный модульный дизайн системы позволяет конфигурировать систему в очень широком диапазоне от встраиваемых систем до больших сетевых приложений. Согласно этой концепции все функциональные компоненты OS-9, включая ядро, иерархические файловые менеджеры, драйвера устройств и т. д., реализованы в виде независимых модулей. Все модули операционной системы позиционно-независимы и могут быть размещены в ПЗУ, а также могут удаляться из системы в процессе ее функционирования без какой-либо повторной инсталляции или перекомпоновки.
На рисунке 1.4 приведена упрощенная структурная схема операционной системы.

Структура операционной системы OS-9

[pic]

Рис. 1.4. Структура операционной системы OS-9

Ядро обеспечивает основной системный сервис, включая управление процессами и распределение ресурсов.

Основные характеристики:
1. Архитектура: на основе микроядра
2. Стандарт: собственный, вызовы похожи на UNIX

Свойства как ОСРВ:
. Многозадачность: многопроцессность
. Многопроцессорность: да
. Уровней приоритетов: 65535
. Время реакции: 3 мкс
. Планирование: приоритетное, FIFO, специальный механизм планирования; preemptive ядро

ОС разработки (host): UNIX/Windows

3. Процессоры (target): Motorola 68xxx, Intel 80x86, ARM, MIPS, PowerPC
4. Линии связи host-target: последовательный канал и ethernet
5. Минимальный размер: 16Kb
6. Средства синхронизации и взаимодействия: разделяемая память, сигналы, семафоры, события.

Операционная система VxWorks

VxWorks относится к операционным системам «жесткого» реального времени. Характерной чертой этой ОС является то, благодаря ее развитым сетевым возможностям, вся разработка ПО ведется на инструментальном компьютере (хост-системе) с использованием кросс-средств для последующего исполнения на целевой машине под управлением VxWorks.

Отличительная черта системы - возможность управлять работой сложных комплексов реального времени и бортовых устройств, использующих процессорные элементы различных поставщиков. Три основных компонента данной
ОС РВ образуют единую интегрированную среду: собственно ядро системы, управляющее процессором; набор средств межпроцессорного взаимодействия; комплект коммуникационных программ для работы с Ethernet или последовательными каналами связи.

Основные характеристики:

1. Архитектура: монолитная

2. Стандарт: собственный и POSIX 1003

3. Свойства как ОСРВ:
. Многозадачность: многопроцессность и многозадачность
. Многопроцессорность: да
. Уровней приоритетов: 256
. Время реакции: 4 мкс
. Время переключения контекста: 15 мкс
. Планирование: приоритетное; preemptive ядро

4. ОС разработки (host): UNIX/Windows

5. Процессоры (target): Motorola 68xxx, Intel 80x86, Intel 80960,
PowerPC, SPARC, Alpha, MIPS, ARM

6. Линии связи host-target: последовательный канал, ethernet, шина
VME

7. Минимальный размер: 22Kb

8. Средства синхронизации и взаимодействия: семафоры POSIX 1003, очереди, сигналы…

Операционная система QNX

Операционная система QNX канадской компании QNX Software System Ltd. построена на основе иерархической микроядерной архитектуры. Упрощенная структурная схема этой ОС приведена на рисунке 1.5.

[pic]

Рис. 1.5. Микроядерная структура QNX

Микроядро QNX выполняет следующие функции: межпроцессорный обмен; низкоуровневый сетевой обмен; диспетчеризация задач; низкоуровневая обработка прерываний.
Основные характеристики:

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14