Операционные системы реального времени (обзор)

Разделение данных. В прикладных программах, работающих в реальном времени, наиболее длительным является сбор данных. Данные часто необходимы для работы других программ или нужны  системе для выполнения каких-либо своих функций. Во многих системах предусмотрен доступ к общим разделам памяти. Широко распространена организация  очереди данных. Применяется много  типов очередей, каждый из которых  обладает собственными достоинствами.

Обработка запросов внешних  устройств. Каждая прикладная программа  в реальном времени связана с  внешним устройством определенного  типа. Ядро должно обеспечивать службы ввода/вывода, позволяющие прикладным программам осуществлять чтение с этих устройств и запись на них. Для  приложений реального времени обычным  является наличие специфического для  данного приложения внешнего устройства. Ядро должно предоставлять сервис, облегчающий работу с драйверами устройств. Например, давать возможность  записи на языках высокого уровня - таких, как Си или Паскаль.

Обработка особых ситуаций. Особая ситуация представляет собой  событие, возникающее во время выполнения программы. Она может быть синхронной, если ее возникновение предсказуемо, как, например, деление на нуль. А  может быть и асинхронной, если возникает  непредсказуемо, как, например, падение  напряжения. Предоставление возможности  обрабатывать события такого типа позволяет  прикладным программам реального времени  быстро и предсказуемо отвечать на внутренние и внешние события. Существуют два метода обработки особых ситуаций - использование значений состояния  для обнаружения ошибочных условий  и использование обработчика  особых ситуаций для прерывания ошибочных  условий и их корректировки.

Среда разработки

Для разработчика прикладных программ крайне важна открытость системы, в которой он работает, и стандарты, которыми он пользуется. Открытая система  означает независимость разработчика. Стандарты делают прикладную программу  легко переносимой и взаимосогласованной  с другими системами. В этом аспекте  следует уделить внимание стандарту  на операционные системы - POSIX. Он призван  обеспечить переносимость приложений между различными платформами. Одна из важнейших частей этого стандарта  посвящена обеспечению мобильности  приложений реального времени. Для  этого стандартизуются необходимые  программные интерфейсы (диспетчеризация  и синхронизация процессов, обеспечение В/В и др.), поддержка "нитей" и процессов, таймауты, управление прерываниями, профили прикладных контекстов реального времени. Этот стандарт получает все большее распространение и повышает гарантии живучести операционной системы.

На рис. 1 приведены различные  интерфейсы и стандарты для приложений реального времени.

Стоимость проекта любой  системы реального времени определяется стоимостью программного обеспечения. Поэтому все больше внимания уделяется  среде разработки программ. Более  совершенные методы и средства разработки, отладки и поддержки прикладных программ позволяют их разработчикам  производить более качественный программный продукт за меньшее  время. Для разработки прикладных программ необходимы определенные средства: редакторы, компиляторы, компоновщики и отладчики. Символьные отладчики позволяют  разработчику, часто с удаленного терминала, отлаживать исполняемую  систему. При использовании символьного  отладчика разработчик может  ссылаться на имена переменных и  метки, иметь информацию об исходном коде в процессе отладки. Нет необходимости  заводить карту памяти и устанавливать  физическое местоположение анализируемых  переменных. Присущие отладчику свойства позволяют исследовать переменные, проверять их значения, построчно  проходить программу и расставлять  точки останова. Отладчики с большей  ошибкоустойчивостью показывают состояние  системы, т.е. какие из программ поступили  к запуску, в каком состоянии  они находятся (выполнение, ожидание), дают информацию о конкретной программе  и динамически создают новую  версию программы, включенной в систему  текущего выполнения. Необходимы бывают не только общие средства, упомянутые выше, но, зачастую, и более совершенные  средства CASE, такие, как дизайн и  средства анализа системы, анализ требований и средства трассировки, а также  средства для моделирования. Разработчики хотят иметь интегрированные  программные средства, охватывающие весь цикл разработки: анализ, проектирование, кодирование, тестирование, документирование и поддержку задачи. Для систем реального времени существуют специальные  требования к определенным областям CASE. Например, для проектирования и  анализа системы реального времени  существуют специальные методы, такие, как расширения Ward-Mellor к Структурированному Дизайну Иордана. Доступны и программные продукты, реализующие этот метод: DEC-дизайн (DEC) и TEAMWORK (Cadre).

Технические характеристики ОС реального времени

Рассмотрим конкретные системы  реального времени, их технические  характеристики, области применения и т.д. В таблице 1 и на диаграмме 1 приведены данные об использовании  наиболее распространенных операционных систем реального времени в промышленной автоматизации и измерительной  технике вообще и на архитектуре  VMEbus в частности.

Таблица 1

Использование ОС реального времени в 1994 г. [1]

Хотя нас особенно интересуют системы, работающие с VMEbus, при этом не следует забывать, что ОС реального времени портируется на платформы, процессорные платы которых могут быть выполнены в различных стандартах. В таблицах 2, 3 и 4 по материалам [17] приводится более полный перечень существующих операционных систем реального времени, их основные особенности, технические характеристики и место на рынке ОС реального времени.

Рис.2 наглядно иллюстрирует положение некоторых ОС в "пространстве" адресация-класс-стандартизация [17].

Таблица 2

Таблица 3

Заключение

Существующий спектр ОС может  обеспечить все по- требности задач реального времени. Выбор системы (если абстрагироваться от цены, условий поставки и т.д.) диктует- ся только тем обстоятельством, удовлетворяет ли она усло- виям стоящей задачи. Например, если необходима операционная поддержка очень небольшой, не слишком сложной, встроенной прикладной программы, то целесооб- разно использовать Cexecutive. Если необходима очень вы- сокая скорость реакции системы, можно использовать VxWorks. Однако, в действительности, на выбор ОС влияет и ее стоимость, и наличие необходимого аппаратного обес- печения, и условия ее сопровождения. Важным фактором выбора является также поддержка системы российской ком- панией. Маркетинговые исследования, проведенные со- трудниками АО "РТСофт", проанализировавшими доступность аппаратных средств, на которых реализована система, спектр покрываемых ею конфигураций, основные технические характеристики, стоимость и условия сопро- вождения. позволяют рекомендовать для использования в отечественных системах реального времени ОС OS-9/9000.

Главный же вывод состоит  в том, что любая задача ре- ального времени требует операционной поддержки реаль- ного времени, и иные системные решения при этом неприемлемы.

Литература

1. The worldwide market tor merchant computer boards in real time and embedded applications (OEM/End user analysis).-Venture Development Corporation. 1994

2. Taking the True Measure of the Board Market. Computer Design. August 1992.

3. Harbour M. Real-Time POSIX: An Overview.- Сборник трудов международной конференции Vvconcx 93, июнь 1993 г., Москва

4. IEEE Standards Project P1003.4 POSIX Part 1: System Application Program Interface (API) - Amendment 1: Rcaltimc Extension. Draft 13.-IEEE, 1992

5. IEEE Standards Project P1003.4a Thread Extension for Portable Operating Systems. Draft 6.-IEEE, 1992

6. EEE Standards Project P1003.4b POSIX Part 1: Rcaltimc System API Extension. Draft 6.- IEEE, 1993

7. IEEE Standards Project P1003.13 Part 1: POSIX Rcaltimc A)-plication Support (AEP). Draft 5.- IEEE, 1992

8. Real-Time Operating Systems - Barbara Zikcr, DEC, 1992.

9. Bus/Board Technology & Market Report. Prepared by Warren Andrews and the editorial staff of COMPUTER DESIGN. 1992.

10. Who Makes Real Time Operating Systems. Executives, &Kcr-ncls. VMEbus Systems, 1993, v.10. N 5

11. Real Time Magazine, vol.5, Commercial Real Time Software.1991.

12. VITA Software source directory, 1991.

13. VMEbusincss, September 1991.

14. VME.VXI.FUTUREBUS+. Compatible products directory. First edition, VFEA International Trade Association. 1991.

15. IEEE Seventh Conference REAL TIME 91 on Computer Appi-cations in Nuclear, Particle and Plasma Physics. Conference Record. June 24-28, 1991.

16. Computer Design. August 1991.

17. Материалы MOTOROLA Computer Group. 1994.