Операционные системы реального времени (обзор)

А. А. Блискавицкий, С. В. Кабаев, ЗАО "РТСофт"  
 
В статье проводится обзор операционных систем реального времени.

Введение

Задачи реального времени  составляют одну из сложнейших и крайне важных областей применения вычислительной техники. Как правило, они связаны  с контролем и управлением  процессами, являющимися неотъемлемой частью современной жизни. Управление прокатными станами, роботами, движение на автомагистралях, контроль за состоянием окружающей среды, управление атомными и космическими станциями и многое другое - область задач реального времени. Эти задачи предъявляют такие требования к аппаратному и программному обеспечению, как надежность, высокая пропускная способность передающей среды в распределенных системах, своевременная реакция на внешние события и т.д. Для выполнения этих требований и создаются системы реального времени, аппаратное и программное обеспечение которых рассмотрено ниже.

Аппаратное обеспечение

При выборе аппаратного обеспечения  систем реального времени основополагающими  моментами являются жесткие требования к временным характеристикам  и гибкости системы. Большинство  проектов реального времени осуществляется в рамках архитектурных решений магистрально-модульных систем (ММС).

В обзоре современных открытых стандартов для построения интегрированных  измерительных и управляющих  систем реального времени (автор  А.Н. Рыбаков), приведенном в начале данного выпуска, убедительно показана лидирующая роль шины VMEbus.

В данном обзоре VMEbus (и ММС вообще) интересует нас как наиболее эффективное аппаратное решение для задач реального времени. И при рассмотрении операционных систем (ОС) в первую очередь необходимо обратить внимание на те, которые наиболее подходят для работы в VME-системах.

В настоящее время в  условиях доступности совместимых  аппаратных средств основное внимание уделяется разработке и отладке  прикладного программного обеспечения, чья доля в затратах на разработку систем реального времени составляет до 70%.

Базовые понятия  программного обеспечения реального  времени

Любая ОС обязана обеспечить полный цикл жизни программного обеспечения: создание текста программы, ее компиляция, компоновка, отладка, исполнение, сопровождение. Задачи реального времени предъявляют свои требования к вычислительно-управляющим системам, в том числе к ОС, в которых реализовано программное обеспечение реального времени. Эти требования изложены в стандарте POSIX 1003.4 рабочего комитета IEEE [3-7]. Стандарт определяет ОС как систему реального времени, если она обеспечивает требуемый уровень сервиса за вполне определенное, ограниченное время. То есть ОС реального времени должна быть предсказуемой. Правильная, но запоздалая реакция системы на внешнее событие может быть гибельной в системах безопасности атомных станций, системах управления воздушными транспортными потоками и т.д. При этом важно не только абсолютное время реакции системы, но и то, что оно определено заранее. В системе управления прокатным станом время реакции системы должно быть в пределах нескольких миллисекунд, а в системе контроля за окружающей средой - несколько минут. Но тем не менее оба эти примера - из области задач реального времени. Возникает вопрос, можно ли задачи реального времени решать с помощью систем общего назначения (MS-DOS, UNIX и т.д.)? Главное требование, предъявляемое к системам общего назначения, заключается в том, что они должны обеспечить оптимальное разделение всех ресурсов между всеми процессами. Соответственно, не должно быть высокоприоритетных задач, которые использовали бы какой-либо ресурс системы столько, сколько им необходимо. Надо все же учесть, что так или иначе, разработчики ОС достигают компромисса между механизмом приоритетности и упомянутым требованием.

UNIX стал de-facto стандартом ОС общего назначения. Он реализован и на микро-, и на суперкомпьютерах. Многие международные программные стандарты и соглашения основаны на UNIX: POSIX, SVID (UNIX System V Interface Definitions), BSD 43 UNIX Socket и т.д. Однако ОС UNIX, разработанная как система общего назначения, не имеет эффективного механизма приоритетности задач и поэтому мало пригодна для задач реального времени. В то же время многие ОС реального времени можно охарактеризовать как UNIX-подобные.

MS-DOS, в принципе, можно  было бы использовать в задачах  реального времени, однако надо  учесть, что существует еще целый ряд требований к системам реального времени, которым MS-DOS не удовлетворяет:

• многозадачность;

• легкость написания и включения в систему драйверов внешних устройств;

• хорошо развитый механизм синхронизации процессов и межзадачного обмена.

Становится очевидным  то, что задачи реального времени  необходимо реализовывать в рамках специфической системной программной  среды. В соответствии с [5] системы  реального времени можно разделить  на 4 класса.

1-й класс: программирование  на уровне микропроцессоров. При  этом программы для программируемых  микропроцессоров, встраиваемых в  различные устройства, очень небольшие  и обычно написаны на языке  низкого уровня типа ассемблера  или PLM. Внутрисхемные эмуляторы  пригодны для отладки, но высокоуровневые  средства разработки и отладки  программ не применимы. Операционная  среда обычно недоступна.

2-й класс: минимальное  ядро системы реального времени.  На более высоком уровне находятся  системы реального времени, обеспечивающие  минимальную среду исполнения. Предусмотрены  лишь основные функции, а управление  памятью и диспетчер часто  недоступны. Ядро представляет собой  набор программ, выполняющих типичные, необходимые для встроенных систем  низкого уровня функции, такие,  как операции с плавающей запятой  и минимальный сервис ввода/вывода. Прикладная программа разрабатывается  в инструментальной среде, а  выполняется, как правило, на  встроенных системах.

3-й класс: ядро системы  реального времени и инструментальная  среда. Этот класс систем обладает  многими чертами ОС с полным  сервисом. Разработка ведется в  инструментальной среде, а исполнение - на целевых системах. Этот тип  систем обеспечивает гораздо  более высокий уровень сервиса  для разработчика прикладной  программы. Сюда включены такие  средства, как дистанционный символьный  отладчик, протокол ошибок и другие  средства CASE. Часто доступно параллельное  выполнение программ.

4-й класс: ОС с полным  сервисом. Такие ОС могут быть применены для любых приложений реального времени. Разработка и исполнение прикладных программ ведутся в рамках одной и той же системы.

Системы 2 и 3 классов принято  называть системами "жесткого" реального  времени, а 4 класса - "мягкого". Очевидно, это можно объяснить тем, что  в первом случае к системе предъявляются  более жесткие требования по времени  реакции и необходимому объему памяти, чем во втором. Как мы видим, среда  разработки и среда исполнения в  системах реального времени могут  быть разделены, а требования, предъявляемые  к ним, весьма различны. Рассмотрим их более подробно.

Среда исполнения

Требования, предъявляемые  к среде исполнения систем реального  времени, следующие:

• небольшая память системы - для возможности ее встраивания;

• система должна быть полностью резидентна в памяти, чтобы избежать замещения страниц памяти или подкачки;

• система должна быть многозадачной - для обеспечения максимально эффективного использования всех ресурсов системы;

• ядро с приоритетом на обслуживание прерывания. Приоритет на прерывание означает, что готовый к запуску процесс, обладающий некоторым приоритетом, обязательно имеет преимущество в очереди по отношению к процессу с более низким приоритетом, быстро заменяет последний и поступает на выполнение. Ядро заканчивает любую сервисную работу, как только поступает задача с высшим приоритетом. Это гарантирует предсказуемость системы;

• диспетчер с приоритетом - дает возможность разработчику прикладной программы присвоить каждому загрузочному модулю приоритет, неподвластный системе. Присвоение приоритетов используется для определения очередности запуска программ, готовых к исполнению. Альтернативным такому типу диспетчеризации является диспетчеризация типа "карусель", при которой каждой готовой к продолжению программе дается равный шанс запуска. При использовании этого метода нет контроля за тем, какая программа и когда будет выполняться. В среде реального времени это недопустимо. Диспетчеризация, в основу которой положен принцип присвоения приоритета, и наличие ядра с приоритетом на прерывание позволяют разработчику прикладной программы полностью контролировать систему. Если наступает событие с высшим приоритетом, система прекращает обработку задачи с низшим приоритетом и отвечает на вновь поступивший запрос.

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 пяти типов:

Синхронизация ресурсов. Метод  синхронизации требует ограничить доступ к общим ресурсам (данным и внешним устройствам). Наиболее распространенный тип примитивной  синхронизации - двоичный семафор, обеспечивающий избирательный доступ к общим  ресурсам. Так, процесс, требующий защищенного  семафором ресурса, вынужден ожидать  до тех пор, пока семафор не станет доступным, что свидетельствует  об освобождении ожидаемого ресурса, и, захватив ресурс, установить семафор. В свою очередь, другие процессы также  будут ожидать доступа к ресурсу  вплоть до того момента, когда семафор  возвратит соответствующий ресурс системе распределения ресурсов. Системы, обладающие большей ошибкоустойчивостью, могут иметь счетный семафор. Этот вид семафора разрешает одновременный  доступ к ресурсу лишь определенному  количеству процессов.

Межзадачный обмен. Часто  необходимо обеспечить передачу данных между программами внутри одной  и той же системы Кроме того, во многих приложениях возникает необходимость взаимодействия с другими системами через сеть. Внутренняя связь может быть осуществлена через систему передачи сообщений. Внешнюю связь можно организовать либо через датаграмму (наилучший способ доставки), либо по линиям связи (гарантированная доставка). Выбор того или иного способа зависит от протокола связи.