3. Запретить прерывания на время доступа к разделяемым данным. Кардинальное решение, которое, впрочем, не приветствуется в системах реального времени.
4. Использовать для упорядочивания доступа к глобальным данным семафоры. Наиболее часто применяемое решение, которое, впрочем, может привести в некоторых случаях к «инверсии приоритетов».
Последний пункт стоит прокомментировать подробнее, поскольку понятие «семафор» встречается первый раз.
Семафор - это как раз то средство, которое часто используется для синхронизации доступа к ресурсам. В простейшем случае семафор представляет собой байтовую переменную, принимающую значение 0 или 1. Задача, перед тем как использовать ресурс, захватывает семафор, после чего остальные задачи, желающие использовать тот же ресурс, должны ждать, пока семафор (ресурс) освободится. Существуют также так называемые счетные семафоры, где семафор представляет собой счетчик. Пусть к системе подключено три принтера. Семафор, отвечающий за доступ к функциям печати, инициализируется со значением 3, а затем каждый раз, когда какая-либо задача запрашивает семафор для осуществления печати, его значение уменьшается на 1. После завершения печати задача освобождает семафор, в результате чего значение последнего увеличивается на 1. Если текущее значение семафора равно 0, то ресурс считается недоступным, и задачи, запрашивающие печать, должны ждать, пока не освободится хотя бы один принтер. Таким образом может производиться синхронизация доступа множества задач к группе из 3 принтеров. Так как по своей сути семафор также представляет собой глобальную переменную, все неприятности, которые упоминались ранее в связи с самолетом МИГ-29, по идее, должны поджидать нас и здесь. Однако, так как работа с семафорами происходит на уровне системных вызовов, программист может быть уверен, что разработчики операционной системы обо всем заранее позаботились.
Проникнувшись сознанием того, насколько опасно изменять глобальные переменные в условиях, когда все вокруг так и норовят друг друга вытеснить, участки кода программ, где происходит обращение к разделяемым ресурсам, называются критическими секциями.
Так как процессы обычно не имеют доступа к данным друг друга, а ресурсы физических устройств, как правило, управляются специальными задачами-серверами (драйверами), наиболее типична ситуация, когда «гонки» за доступ к глобальным переменным устраивают различные потоки, исполняемые в рамках одного программного модуля. Для того чтобы гарантировать, что критическая секция кода исполняется в каждый момент времени только одним потоком, используют механизм взаимоисключающего доступа, или попросту мутексов (Mutual Exclusion Locks, Mutex). Практически мутекс представляет собой разновидность семафора, который сигнализирует другим потокам, что критическая секция кода кем-то уже выполняется.
Критическая секция, использующая мутекс, должна иметь определенные суффиксную и префиксную части. Например:
int global_counter;
void main (void)
{
mutex_t mutex;
(
/* И все это лишь для того, чтобы увеличить глобальную переменную на единицу.*/
mutex_init (& mutex, USYNC, NULL);
mutex_lock (& mutex);
global_counter++;
mutex_unlock (& mutex);
}
Если мутекс захвачен, то поток, пытающийся войти в критическую секцию, блокируется. После того как мутекс освобождается, один из стоящих в очереди потоков (если таковые накопились) разблокируется и получает возможность доступа к глобальному ресурсу.
Думаю, на этом рассмотрение средств синхронизации доступа к общим ресурсам можно закончить, хотя, разумеется, множество тем осталось за скобками. Например, в WIN32 используется, в числе прочего, специальная разновидность мутексов под названием Critical Section Object. Необходимо также помнить, что, кроме ОС, имеющих WIN32 или POSIX API, существует большое число ни с чем не совместимых ОС, поэтому наличие средств синхронизации и особенности их реализации должны рассматриваться отдельно для каждой конкретной ОС РВ.
А вот возможные неприятности в борьбе за ресурсы.
Смертельный захват (Deadlock). В народе побочные проявления этой ситуации называются более прозаично - «зацикливание» или «зависание». А причина этого может быть достаточно проста - «задачи не поделили ресурсы». Пусть, например, Задача А захватила ресурс клавиатуры и ждет, когда освободится ресурс дисплея, а в это время Задача В также хочет пообщаться с пользователем и, успев захватить ресурс дисплея, ждет теперь, когда освободится клавиатура. Так и будут задачи ждать друг друга до второго потопа,а пользователь будет в это время смотреть на пустой экран и ругать последними словами яйцеголовых программистов, которые не смогли сделать нормально работающую систему. В таких случаях рекомендуется придерживаться тактики «или все, или ничего». Другими словами, если задача не смогла получить все необходимые для дальнейшей работы ресурсы, она должна освободить всё, что уже захвачено, и, как говорится, «зайти через полчаса». Другим решением, которое уже упоминалось, является использование серверов ресурсов.
Инверсия приоритетов (Priority inversion). Как уже отмечалось, алгоритмы планирования задач (управление доступом к процессорному времени) должны находиться в соответствии с методами управления доступом к другим ресурсам, а всё вместе - соответствовать критериям оптимального функционирования системы. Эффект инверсии приоритетов является следствием нарушения гармонии в этой области. Ситуация здесь похожа на «смертельный захват», однако сюжет закручен еще более лихо. Представим, что у нас есть высокоприоритетная Задача А, среднеприоритетная Задача В и низкоприоритетная Задача С. Пусть в начальный момент времени Задачи А и В блокированы в ожидании какого-либо внешнего события. Допустим, получившая в результате этого управление Задача С захватила Семафор А, но не успела она его отдать, как была прервана Задачей А. В свою очередь, Задача А при попытке захватить Семафор А будет блокирована, так как этот семафор уже захвачен Задачей С. Если к этому времени Задача В находится в состоянии готовности, то управление после этого получит именно она, как имеющая более высокий, чем у Задачи С, приоритет. Теперь Задача В может занимать процессорное время, пока ей не надоест, а мы получаем ситуацию, когда высокоприоритетная Задача А не может функционировать из-за того, что необходимый ей ресурс занят низкоприоритетной Задачей С.
3.4.3. Синхронизация с внешними событиями
Известно, что применение аппаратных прерываний является более эффективным методом взаимодействия с внешним миром, чем метод опроса. Разработчики систем реального времени стараются использовать этот факт в полной мере. При этом можно проследить следующие тенденции:
1. Стремление обеспечить максимально быструю и детерминированную реакцию системы на внешнее событие.
2. Старание добиться минимально возможных периодов времени, когда в системе запрещены прерывания.
3. Подпрограммы обработки прерываний выполняют минимальный объем функций за максимально короткое время. Это обусловлено несколькими причинами. Во-первых, не все ОС РВ обеспечивают возможность «вытеснения» во время обработки подпрограмм прерывания. Во-вторых, приоритеты аппаратных прерываний не всегда соответствуют приоритетам задач, с которыми они связаны. В-третьих, задержки с обработкой прерываний могут привести к потере данных.
Как правило, закончив элементарно необходимые действия, подпрограмма обработки прерываний генерирует в той или иной форме сообщение для задачи, с которой это прерывание связано, и немедленно возвращает управление. Если это сообщение перевело задачу в разряд готовых к исполнению, планировщик в зависимости от используемого алгоритма и приоритета задачи принимает решение о том, необходимо или нет немедленно передать управление получившей сообщение задаче. Разумеется, это всего лишь один из возможных сценариев, так как каждая ОС РВ имеет свои особенности при обработке прерываний. Кроме того, свою специфику может накладывать используемая аппаратная платформа.
3.4.4. Синхронизация по времени
Совсем не так давно (лет 20 назад) аппаратные средства, отвечающие в вычислительных системах за службу времени, были совершенно не развиты. В те приснопамятные времена считалось достаточным, если в системе генерировалось прерывание с частотой сети переменного тока. Те же, кто не знал, что частота сети в США 60 Гц, а не 50, как у нас, постоянно удивлялись тому, что системное время в RSX-11M никогда не бывает правильным. Программисты для получения задержек по времени часто использовали программные циклы ожидания и, разумеется, пользователи таких программ получали массу сюрпризов при попытке их переноса на следующее поколение компьютеров с более высокими тактовыми частотами. Слава Богу (или научно-техническому прогрессу), сейчас любой мало-мальски приличный компьютер имеет часы/календарь с батарейной поддержкой и многофункциональный таймер(а то и несколько) с разрешением до единиц микросекунд.
Как правило, в ОС РВ задается эталонный интервал (квант) времени, который иногда называют тиком (Tick) и который используется в качестве базовой единицы измерения времени. Размерность этой единицы для разных ОС РВ может быть разной, как, впрочем, разными могут быть набор функций и механизмы взаимодействия с таймером. Функции по работе с таймером используют для приостановки выполнения задачи на какое-то время, для запуска задачи в определенное время, для относительной синхронизации нескольких задач по времени и т. п. Если в программе для ОС РВ вы увидите операнд delay (50), то, скорее всего, это обозначает, что в этом месте задача должна прерваться (блокироваться), а через 50 мс возобновить свое выполнение, а точнее, перейти в состояние готовности. Все это время процессор не простаивает, а решает другие задачи, если таковые имеются. Множество задач одновременно могут запросить сервис таймера, поэтому если для каждого такого запроса используется элемент в таблице временных интервалов, то накладные расходы системы по обработке прерываний от аппаратного таймера растут пропорционально размерности этой таблицы и могут стать недопустимыми. Для решения этой проблемы можно вместо таблицы использовать связный список и алгоритм так называемого дифференциального таймера, когда во время каждого тика уменьшается только один счетчик интервала времени.
Для точной синхронизации таймера вычислительной системы с астрономическим временем могут применяться специальные часы с подстройкой по радиосигналам точного времени или навигационные приемники GPS, которые позволяют воспользоваться атомными часами на борту орбитальных космических аппаратов, запущенных по программе Navstar.
4. Тестирование
Прежде чем устанавливать вашу систему реального времени на не менее реальном объекте, рекомендуется проверить ее работоспособность с помощью интенсивных тестов. Это особенно важно для сложных динамических систем. Во время такого тестирования желательно смоделировать наиболее неприятные и «тяжелые» режимы работы, аварийные ситуации и т. п. При умозрительном анализе простых систем следует осторожно относиться к рекламной информации разработчиков ОС РВ, которые из коммерческих соображений показывают, как правило, параметры для «лучшего случая». Например, если речь идет о максимальном времени обработки прерывания, необходимо в первую очередь понять, а что, собственно, подразумевается под этим временем:
а) время от возникновения запроса на прерывание до передачи управления по вектору прерывания;
б) или включая время сохранения контекста текущей задачи и передачи управления подпрограмме обработки прерывания;
в) или дополнительно к этому еще и время до завершения подпрограммы обработки прерывания и передачи сообщения связанной с прерыванием задаче;
г) или дополнительно к этому время до момента, когда эта задача наконец получит управление (в предположении, что она является наиболее приоритетной) и начнет реальную обработку события.
Безотносительно к тому, какой вариант рассматривается, необходимо помнить, что
1) если наряду с разработанными вами программами используется программное обеспечение третьих фирм, вы не застрахованы от того, что там не встретятся участки кода, где прерывания запрещены;
2) практически любая ОС РВ имеет в своих недрах участки такого кода. Нам остается только надеяться, что разработчики ОС старались делать их как можно меньше;
3) всё ядро ОС РВ или его участки могут быть «невытесняемыми»;
4)интеллектуальные контроллеры ввода/вывода типа SCSI могут инициировать в системе различные служебные операции, которые способны отразиться на ее характеристиках;
5)многое зависит от применяемой системы кэширования. Поэтому, если ваше событие произошло в «неподходящее» время, реальные показатели быстродействия могут сильно отличаться от рекламируемых.
5. Можно ли обойтись без ОС РВ?
Как любую вычислительную систему можно создать только из элементов 2И!НЕ, так и все, что может делать ОС РВ, реализуемо и без нее. Тем не менее, давайте все-таки попробуем разобраться, когда ОС РВ реально нужна, а когда нет. Предположим, нам надо не реже 10 раз в секунду опросить три переключателя и в зависимости от их положения включить или выключить соответствующий насос.
Программа может выглядеть следующим образом:
int i;
for (;;) {
for (i=0;i<3;i++) {
if (switch_was_changed(i)) change_Pump(i);
Заметьте, что никаких проверок по времени не производится, так как даже самые медленные процессоры могут сканировать переключатели чаще 10 раз в секунду. Программа адекватна поставленной задаче. Если требуется опрашивать переключатели ровно 10 раз в секунду, программа может быть изменена:
if (100msec_passed) {
if (switch_was_changed(i) change_Pump(i);
100msec_passed=0;
Глобальная переменная 100msec_passed устанавливается в «1» каждые 100 мс с помощью подпрограммы обработки прерываний от таймера. Теперь допустим, что нам дополнительно нужно каждые 200 мс измерять давление и открывать вентиль, если давление больше 20 атм. Если при открытом вентиле давление падает ниже 15 атм, вентиль необходимо закрыть. Для выполнения этой задачи в тело цикла может быть добавлен следующий фрагмент:
if (200msec_passed) {
switch (valve_status) {
case CLOSED:
if (pressure_value()>20){
open_valve(); valve_status=OPEN;
case OPEN:
if (pressure_value()<15){
close_valve(); valve_status=CLOSED;
200msec_passed=0;
Глобальная переменная 200msec_passed устанавливается в 1 каждые 200 мс. Так как тело цикла for (;;) стало большим, удобно вынести функции в отдельные подпрограммы и переписать основную программу следующим образом: for (;;) { process_pump_switches(); process_pressure_regulation(); } По мере того как добавляются новые «задачи», их можно оформлять отдельными подпрограммами и включать соответствующие вызовы в тело главной программы. Однако по мере добавления новых функций время выполнения основного цикла увеличивается, в результате чего может наступить момент, когда требование о сканировании переключателей 10 раз в секунду перестанет выполняться. Давайте еще немного усложним задачу. Пусть система должна отображать тренды на основе пакетов данных, получаемых через быстродействующий последовательный порт. В этом случае основная программа может выглядеть как
process_pump_switches();
process_pressure_regulation();
show_trend();
Если функция show_trend вызывается с запаздыванием, то пакет данных может быть потерян. Решением этой проблемы может быть вынос коммуникационных функций из show_trend и организация очереди, куда при обработке прерываний последовательного порта помещается очередной заполненный пакет для последующей обработки с помощью show_trend.
Приведенный здесь пример иллюстрирует циклический (round robin) механизм выполнения задач, вполне подходящий для многих применений. Однако этот же пример показывает, что по мере роста числа и сложности функций, которые необходимо выполнять, наличие стандартных средств организации параллельного выполнения задач, работы с таймером, межзадачного обмена информацией и т. п. могут существенно повысить производительность программистов и уменьшить число ошибок. Именно здесь могут проявить свои положительные стороны ядра и операционные системы реального времени, как раз такие средства и предлагающие.
В общем случае решение о применении какого-либо коммерческого ПО реального времени зависит от множества факторов, в том числе и от таких, как время, отпущенное на разработку, наличие и квалификация специалистов, объемы финансирования проекта и т. п.
Заключение
Хотя, как мы увидели, ОС РВ предоставляют много полезных и удобных средств для написания программ, основной груз ответственности лежит на плечах рядового труженика-программиста. Ведь стоит ему переместить переменную из категории локальных в категорию глобальных и забыть надлежащим образом оформить критические секции, как станут падать космические корабли, взрываться нефтеперерабатывающие заводы, источать радиоактивность атомные станции.
Список использованной литературы
1. Алан Джок «ОС реального времени».
2. http://www.tepcom.ru/produkts/real/Report_Notations_A .asp.
3. http://www.asutp.ru/?p=600591.
4. Замечания о выборе операционных систем при построении систем реального времени (А. Жданов, А. Латыев., ЗАО "РТСофт", PCWeek, 1/2001).
Страницы: 1, 2, 3, 4
