Требования к ОС для выполнения задач реального времени

Введение

Операционные системы (ОС) настоящего времени осуществляют управление автоматизированными либо автоматическими комплексами, которые предъявляют высочайшие запросы к срокам исполнения задач.Операционные системы отвечают на внешние действия и самые малые задержки в гарантированное время.Концепции, которые создают базу основной массы имеющихся на сегодняшнее время ОП реального времени берут свое начало в конце 70-х и в начале 80-х годов прошедшего века.
Встраиваемые операционные системы и ОС реального времени действуют в ограниченных критериях, потому что уменьшены емкость процессора и размер памяти.Операционные системы обязаны гарантировать работоспособность всех служб для окружающего мира и пользователей, которые используют данные ОС в жестких временных рамках. [6]
Отличием ОС реального времени считается ограниченные возможности интерфейса пользователя, потому что такая ОС передается в эксплуатацию в виде "черного ящика". Чрезвычайно принципиальной частью и главной индивидуальностью ОС реального времени считают управление ресурсами персонального
компьютера определенным способом, чтоб конкретная операция всякий раз, когда она будет выполняться, была выполнена в одинаковый временной период, который превышать нельзя.
Перемещение деталей в сложной машине происходит гораздо быстрее, чем это требуется.Эту возможность предоставляют ресурсы ОС, что может являться источником катастрофических результатов, в одинаковой мере, как и неосуществимость перемещения данной детали по причине загруженности ОС.
При создании ОС реального времени, как правило, заранее известен весь комплекс исполняемых ее задач (программ).Известны и почти все их характеристики, какие нужно учесть во время распределения ресурсов (к примеру: раскрываемые файлы, применяемые устройства, ценность, размер памяти, средняя продолжительность исполнения и др.).В связи с этим для них заблаговременно организовывают дескрипторы задач, чтоб потом не растрачивать время на открытие дескриптора и розыски необходимых для него ресурсов.
Для настоящего воплощение в жизнь режима реального времени есть необходимость в организации мультипрограммирования. Мультипрограммирование представляется главным средством увеличения производительности вычислительной системы, что для выполнения задач реального времени считается основополагающим фактором. Однотерминальные ОС реального времени обеспечивают наилучшие параметры по производительности для ОС реального времени.
Объектом предоставленной работы выступают операционные системы реального времени, предметом – требования к этим системам для выполнения задач реального времени.
Цель данной работы – рассмотреть требования к ОС для исполнения задач реального времени.
Для достижения заданной цели нужно реализовать следующие задачи:
- дать определение операционной системы реального времени;
- рассмотреть понятие deadline;
- узнать чем отличается «жесткое» реальное времени от «мягкого»;
- сформулировать главные требования к ОС РВ
- указать главные различия в требованиях к ОС РВ от универсальных операционных систем;
- описать модульную архитектуру;
- описать многослойную архитектуру;
- описать клиент-серверную архитектуру;
- ознакомится с популярными ОСРВ.
Основу работы составили как отечественные, так и зарубежные авторы, такие как: Гриценко Ю.Б. [2], Древс Ю.Г. [3], Михайлов А.А. [6], Сулейманова А.М. [9,10], Чефранов А.Г., Троценко Р.В. [11], Дегтярьов О.М. [15].
Работа имеет объем 20 страниц, состоит из двух глав и списка литературы из 15 наименований, содержит 3 рисунка, 1 таблицу и приложение.
Глава 1. Общее ознакомление

1.1. Главные сведения о ОС реального времени
ОС РВ, операционная система реального времени (англ. Operating System Real-Time) — типоперационные системы, особого назначения. Для данного термина существуют различные определения, которые иногда противоречат друг другу: [2,3,11,15]
операционная система, в которой успех работы разных програм зависит не только от логической правельности, а также от времени, при котором она получила данный результат. В случаи когда система не способна удовлетворить временным ограничениям, то сбой ее работы должен фиксироватся
такой стандарт как POSIX 1003.1 выводит определение: «Реальное время в ОС — это умение ОС предоставить нужный уровень сервиса в требуемый промежуток времени»
операционная система, которая реагирует в предсказуемое время на непредсказуемое взникновение внешних происшествий
интерактивные системы стабильной готовности. В категорию операционных систем реального времени относятся исходя из рекламных суждений, а когда интерактивную программу импеннуют «работающей в реальном времени», то запросы от пользователя обрабатываются с затруднением, которые незаметны для человека.
иногда утверждение ОС РВ отождествляют с «быстрой системой», не всегда это правильно, так как важным является не время задержки реакции операционной системы реального времени, а то, чтобы данного времени было предостаточно для осматриваемого приложения и оно являлось гарантированным.
в большинстве специализированных областях применяют свои понятия «реального времени». К примеру, процедура цифровой обработки сигнала называется идущим в реальном времени, если ислндование и/или генерации данных может быть выполнен за то время, что и иследование/генерация той же инормации без обработки цифрового сигнала. К примеру, когда во время обработки аудио данных нужно 2,01 секунды на обработку 2,00 секунд звука, то это не процесс РВ. Когда нужно 1,99 секунд, то это процесс РВ.
Для систем РВ характерно такое: [3,15]
гарантированное время реакции на наружные события (к примеру на прерывания от оборудования);
жёсткая подсистема планирования процессов (низкоприоритетные задачи не должны вытесняться высокоприоритетными, в некоторых случаях);
повышенные условий к времени реакции на реактивности или наружные события (запаздывание вызова обработчика прерывания не более нескольких десятков микросекунд, запаздывание во время переключения задач кроме сотени микросекунд).
Традиционным образом задачи, где нужны операционные системы реального времени, есть управление роботом, который выполняет с ленты конвейера

. Во время движения детали робот имеет только небольшой промежуток времени, когда существует возможность её взять. Но когда он опоздает, то выполнять уже не будет на требуемом участке конвейера, и тогда, работа не будет выполнена, кроме того, что робот расположен в правильном месте. Когда он спозиционируется ранее, то подъехать деталь ещё не успеет, и робот заблокирует путь детали.

1.2. Виды операционные системы реального времени
Изменяемые свойства программ РВ нужно характеризовать тремя утверждениями: интерактивного («условного»), программы «жесткого» (hard) и «мягкого» (soft) РВ. [1,7]
Жесткое РВ. Предусматривает наявность гарантированного времени отзыва системы на определенное событие, к примеру, выдачу команды управления, аппаратное прерывание и тому подобное. Абсолютная величина времени отзыва большого значения не имеет. Так, когда нужно, чтобы ПО отработало некоторую команду за одну миллисекунду, а она выполняет это задание только в 95% случаев, а в 5% не укладывается в норму, данной системе нельзя дать характеристику как работающей в жестком РВ. Но когда команду требуется отработать в период 1 часа, что и происходит в 100% случаев – является жестким РВ.
В множистве русскоязычной литературе данные системы именуют системами с детерминированным временем. При применении на практике время реакции должно быть на минимуме.
Мягкое РВ. В данном случае время ожидания отклика системы есть величиной скорее индикативной, а не директивной. Безусловно, подразумевается что в множистве случаев (% 80 — 90) отклик уложится в установленные пределы. Но и оставшиеся варианты – также полное отсутствие реакции ОС – не должны сводится к худшим результатам. Обычно считают, что когда временная норма превышена на один порядок, то это еще допустимо.
Интерактивное РВ. Есть скорее всего не технической, а психологической характеристикой. Выявляет время, в течение которого человек– оператор – может спокойно, без нервов, ожидать реакции системы на указанные им указания. Примером этого можно привести очень известные сегодня игры категории «стратегии РВ» (real-time strategy, смотрите например «квазар» на базе Warhammer).
В ОС РВ необходимо введелить некоторый директивный срок (в англоязычной литературе – deadline), до окончания которого задача должна (для систем мягкого РВ – желательно) обязательно выполниться. Этот директивный срок используется планировщиком задач как для определения приоритета задачи при ее старте, так и при подборе задачи на ее выполнение.
Часто под СРВ безусловно понимают установленные операционные системы, на деле же, есть отличия между системами реального времени и установленными системами. От встроенной системы не всегда нужно, чтобы она содержала предсказуемое поведение, и в этом случае она не будет СРВ. Но даже неглубокий взор на возможные встроенные системы позволяет утверждать, что множество встроенных систем нуждаются в предсказуемом поведении, только для некой функциональности, и этом случае, данные системы можно отнести к СРВ.

1.3. Основные условия к операционнымсистемам реального времени
Мартин Тиммерман (директор предприятия-разработчика установленных систем Dedicated Systems Experts) сформулировал такие необходимые условия для операционных систем реального времени: [9]
- операционная система должна являтся многозадачной и допускающей вытеснение (preemptable);
- операционная система должна иметь условие приоритета для потоков;
- операционная система должна поддерживать предсказуемые механизмы синхронизации.
Операционная система должна обеспечивать механизм наследования приоритетов, поведение операционной системы должно быть предсказуемым и известным (задержки переключения задач, задержки обработки прерываний, задержки драйверов и так далее); это означает, что в любых сценариях рабочей нагрузки системы должно определятся максимальное время отзыва.

1.4. Особенности архитектуры операционных систем реального времени
В последние 25-30 лет структура ОС эволюционировала от монолитной к многослойной структуре операционной системы а также к архитектуре клиент-сервера. Данные решения в той или иной степени нашли применение и при создании ОС РВ. [6,14]
1435735208026000Монолитная архитектура (рисунок 1) представляет систему, которая состоит из набора взаимодействующих модулей. Приложения которые обращаются к системе через API модули. Смена одного модуля влияет на иные модули. Чем больше модулей, тем сложнее они соеденены меж собой, тем тем менее предсказуемое поведение данной системы в процессе применения. Кроме этого, появляются трудности для применения операционной системы этого типа в распределенной многопроцессорной системе.


Рисунок 1 Монолитная архитектура операционной системы реального времени

Многослойная конфигурация (рисунок 2) описывает систему, которая состоит из некоторых функциональных уровней. Приложение умеет обращаться к аппаратным ресурсам как через системные службы и системные вызовы ядра, так и через API уровни. В основном, возможность обращения к нижележащим слоям обходя верхние уровни семантически не правельно, но для СРВ данная организация предоставляет увеличение предсказуемости системы и снижение времени отклика