Классификация операционных систем реального времени.

Назовем операционной системой реального времени такую систему, которая может быть использована для построения систем жесткого реального времени.
Это определение выражает отношение к ОСРВ как объекту, содержащему необходимые инструменты, но подразумевает также, что этими инструментами необходимо правильно воспользоваться.

Одно из коренных внешних отличий систем реального времени от систем общего назначения — четкое разграничение средств разработки и исполнения. Набор инструментов исполнения в ОСРВ (ядро, драйверы, исполняемые модули) обеспечивает функционирование приложения реального времени.

Все ОС РВ являются многозадачны­ми операционными системами. Зада­чи делят между собой ресурсы вы­числительной системы, в том числе и процессорное время.

По своей внутренней архитектуре ОС РВ можно условно разделить на монолитные ОС, ОС на основе микроядра и объектно-ориентированные ОС. Графически различия в этих подходах иллюстрируются рисунками 2.1, 2.2, 2.3.

 

 

Рис. 2.1. ОС РВ с монолитной архитектурой   Рис.2.2. ОС РВ на основе микроядра

 

5. Классификация операционных систем реального времени. [ 2]

 

Рис. 2.3. Объектно-ориентированная ОС РВ

 

Кроме того, возможна следующая классификация ОСРВ:

1. Ядро РВ (ядро ОС, спроектированное специально для задач РВ). Этот тип ОС обычно не приспособлен для разработки ПО. Конфигурирование ОС этого типа осуществляется с помощью инструм. ОС.

2. Unix, адаптированный для задач РВ. Внутренняя структура Unix близка к СРВ и он доступен в исходных кодах.

3.Расширение ОС для задач РВ. Берется Windows NT или Linux и поверх его устанавливается специальный расширитель РВ.

Требования к ОСРВ

Большинство систем реального времени поддер­живают ядро или микроядро. Рассмотрим требования к операционной системе реального времени. Итак, операционная система реального времени должна:

1. обладать способностью к параллельной обработке нескольких событий. Если эти события наступают одновременно, система должна успеть обработать всех их в соответствующих каждому из них временных рамках, независимо от кол-ва, порядка поступления и соотношения их временных рамок. Для выполнения этого требования система должна обладать естественным параллелизмом. Практически это означает, что она должна поддерживать вытесняющую многозадачность, основанную на приоритетах, а также быть способной использовать несколько процессоров одновременно.

2. реализовывать вытесняющее планирование с приоритетами. Это означает, в частности, что у каждой задачи должен быть свой приоритет;  

3. предоставлять механизмы синхронизации и обмена информацией между задачами;

4. давать задачам возможности захвата памяти. В СРВ с жесткими временными ограничениями парал.задачи обычно на­ходятся в памяти целиком. Это устраняет неопределенность и разброс во времени отклика, обусловленные подкачкой страниц. Механизм захвата па­мяти позволяет задаче с жесткими ограничениями по времени выполнения разместиться в оперативной памяти, не опасаясь, что ОС выгрузит ее;    

5. включать механизм наследования приоритета. Когда задача А входит в кри­тическую секцию, ее приоритет должен быть повышен. В про­тивном случае задача А может быть вытеснена другой высокоприоритетной задачей, которая не сумеет войти в эту же критическую секцию, поскольку она занята задачей А. Таким образом, высокоприоритетная задача окажется навечно заблокированной;

6. иметь предсказуемое поведение (например, при выполнении контекстного переключения, синхронизации задач и обработке прерываний). Это означа­ет, что максимальное время отклика должно быть прогнозируемо при лю­бой ожидаемой нагрузке на систему. Т.е. разработчики ОС должны специфицировать такие временные характеристики, как "задержка обработки прерывания" (interrupt latency), максимальное время маскировки прерываний, а также максимальное время исполнения всех системных вызовов. ОС должна обеспечивать предсказуемые механизмы для синхронизации между нитями и взаимодействия процессов, разрешающие проблему "инверсии приоритетов". Это означает, что как при передаче данных, так и при синхронизации нитей должно обеспечиваться "наследование приоритетов" (или эквивалентный механизм).

7. поддерживать вытесняющую многопоточность (preemptive multi-threading) и мультипроцессорные архитектуры.

8. Аппаратная арх-ра должна поддерживать несколько уровней прерываний (interrupt levels), а ОС должна обеспечивать вытеснение (preemption) обработчиков прерываний.

9. Способность работать в огранич.ресурсах, особенно это касается оперативной памяти.

10. Стоимость системы при массовых тиражах должна быть достаточно низкой.

11. обеспечивать API и "нижележащий" сервис, соответствующий по структуре и реализации требованиям систем реального времени.

Задачи, процессы, потоки

Существуют различные оп­ределения термина «задача» для многозадачной ОС РВ. Мы будем считать задачей набор операций (машинных инструкций), предназначен­ный для выполнения логи­чески законченной функции системы. При этом задача конкурирует с другими задачами за получение контроля над ресурсами вычислительной системы. Принято различать две разно­видности задач: процессы и пото­ки. Процесс представляет собой отдельно загружаемый программный модуль (файл), который, как правило, во время исполнения имеет в памяти свои независимые области для кода и данных. В отличие от этого потоки мо­гут пользоваться общими участками кода и данных в рамках единого про­граммного модуля. Хорошим примером многопоточ­ной программы является редактор текста WORD, где в рамках одного приложения может одновременно происходить и набор текста, и провер­ки правописания.

Преимущества потоков.

1. Так как множество потоков способ­но размещаться внутри одного EXE-модуля, это позволяет экономить ре­сурсы как внешней, так и внутрен­ней памяти. 2. Использование потоками общей об­ласти памяти позволяет эффективно организовать межзадачный обмен сообщениями (достаточно передать указатель на сообщение). Процессы не имеют общей области памяти. По­этому ОС должна либо целиком скопировать сообщение из области па­мяти одной задачи в область памяти другой (что для больших сообщений весьма накладно), либо предусмот­реть специальные механизмы, кото­рые позволили бы одной задаче по­лучить доступ к сообщению из об­ласти памяти другой задачи.

3. Как правило, контекст потоков меньше, чем контекст проц-в, а значит, время переключ-я м/у задачами-потоками меньше, чем м/у задачами-проц-ми. 4. Так как все потоки, а иногда и само ядро РВ размещаются в одном ЕХЕ-модуле, значительно упрощается ис­пользование программ-отладчиков (debugger).

Недостатки потоков.

1. Как правило, потоки не могут быть подгружены динамически. Чтобы добавить новый поток, необходимо провести соответствующие измене­ния в исходных текстах и переком­пилировать приложение. Процессы, в отличие от потоков, подгружаемы, что позволяет динамически изме­нять функции системы в процессе ее работы. Кроме того, так как процес­сам соответствуют отдельные про­граммные модули, они могут быть разработаны различными компани­ями, чем достигается дополнитель­ная гибкость и возможность исполь­зования ранее наработанного ПО.

2. То, что потоки имеют доступ к областям данных друг друга, может при­вести к ситуации, когда некорректно работающий поток способен испор­тить данные другого потока. В отли­чие от этого процессы защищены от взаимного влияния, а попытка запи­си в «не свою» память приводит, как правило, к возникновению специ­ального прерывания по обработке «исключительных ситуаций».

Реализация механизмов управления процессами и потоками, возможность их взаимного сосуществования и взаи­модействия определяются конкрет­ным ПО РВ.

Основные свойства задач.

Как правило, вся важная, с точки зре­ния операционной системы, информа­ция о задаче хранится в унифициро­ванной структуре данных – управляющем блоке (Task Control Block , TCB). В блоке хранятся такие параметры, как имя и номер задачи, верхняя и нижняя границы стека, ссылка на очередь сооб­щений, статус задачи, приоритет и т. п.

Приоритет – это некое целое число, присваиваемое задаче и характеризую­щее ее важность по сравнению с други­ми задачами, выполняемыми в системе. Приоритет используется в основном планировщиком задач для определе­ния того, какая из готовых к работе за­дач должна получить управление. Раз­личают системы с динамической и ста­тической приоритетностью. В первом случае приоритет задач может менять­ся в процессе исполнения, в то время как во втором приоритет задач жестко задается на этапе разработки или во время начального конфигурирования системы.

Контекст задачи – это набор дан­ных, содержащий всю необходимую информацию для возобновления вы­полнения задачи с того места, где она была ранее прервана. Часто контекст хранится в TCB и включает в себя такие данные, как счетчик команд, указатель стека, регистры CPU и FPU и т. п. Плани­ровщик задач в случае необходимости сохраняет контекст текущей активной задачи и восстанавливает контекст за­дачи, назначенной к исполнению. Та­кое переключение контекстов и явля­ется, по сути, основным механизмом ОС РВ при переходе от выполнения од­ной задачи к выполнению другой.

Состояние (статус) задачи. С точ­ки зрения операционной системы, за­дача может находиться в нескольких состояниях. Число и название этих со­стояний различаются от одной ОС к другой. По-видимому, наибольшее чис­ло состояний задачи определено в язы­ке Ada. Тем не менее, практически в лю­бой ОС РВ загруженная на выполнение задача может находиться, по крайней мере, в трех состояниях.

1. Активная задача – это задача, выпол­няемая системой в текущий момент времени.

2. Готовая задача – это задача, готовая к выполнению и ожидающая у плани­ровщика своей «очереди».

3. Блокированная задача – это задача, выполнение которой приостановле­но до наступления определенных со­бытий. Такими событиями могут быть освобождение необходимого задаче ресурса, поступление ожидае­мого сообщения, завершение интер­вала ожидания и т. п.

8. Основные свойства задач. [ 2 ]

Пустая задача (Idle Task) – это зада­ча, запускаемая самой операционной системой в момент инициализации и выполняемая только тогда, когда в сис­теме нег других готовых для выполнения задач. Пустая задача запускается с самым низким приоритетом и, как пра­вило, представляет собой бесконечный цикл «ничего не делать». Наличие пус­той задачи предоставляет операцион­ной системе удобный механизм отра­ботки ситуаций, когда нет ни одной го­товой к выполнению задачи.

Многократный запускзадач. Как правило, многозадачные ОС позволя­ют запускать несколько копий одной и той же задачи. При этом для каждой та­кой копии создается свой TCB и выде­ляется своя область памяти. В целях экономии памяти может быть предус­мотрено совместное использ-е одного и того же исполняемого кода для всех запущенных копий. В этом случае прога должна обеспечивать повторную входимость (реентера­бельность). Кроме того, прога не должна использовать временные фай­лы с фиксир.именами и должна корректно осущ-ть до­ступ к глобальным ресурсам.

Реентерабельность (повторная входимость) означает возможность без негативных последствий временно пре­рвать выполнение какой-либо функции или подпрограммы, а затем вызвать эту функцию или подпрограмму снова. Частным проявлением реентерабельности является рекурсия, когда тело подпрограммы содержит вызов самой себя. Классическим примером нереентерабельной системы является DOS, a типичной причиной нереентерабель­ности служит использование глобаль­ных переменных.

Дальше идет пример, его, думаю, можно не писать:

Предположим, что у нас есть функция, реализующая низкоу­ровневую запись на диск, и пусть она использует глобальную переменную write_sector, которая устанавливается в соответствии с параметром, передавае­мым этой функции при вызове. Пред­положим теперь, что Задача А вызывает эту функцию с параметром 3, то есть хо­чет записать данные в сектор номер 3. Допустим, что когда переменная write_sector уже равна 3, но сама запись еще не произведена, выполнение Зада­чи А прерывается и начинает выпол­няться Задача В, которая взывает ту же функцию, но с аргументом 10. После то­го как запись в сектор номер 10 будет произведена, управление рано или поздно вернется к Задаче А, которая продолжит работу с того же места. Од­нако, так как переменная write_sector имеет теперь значение 10, данные Зада­чи А, предназначавшиеся для сектора номер 3, будут вместо этого записаны в сектор номер 10. Из приведенного при­мера видно, что ошибки, связанные с нереентерабельностью, трудно обнару­жить, а последствия они могут вызвать самые катастрофические.

Планирование циклических задач, кооперативная многозадачность

Важной частью любой ОС РВ являет­ся планировщик задач. Несмотря на то, что в разных источниках он может на­зываться по-разному (диспетчер задач, супервизор и т. п.), его функции оста­ются теми же: определить, какая из за­дач должна выполняться в системе в каждый конкретный момент времени. Самым простым методом планирова­ния, не требующим никакого специ­ального ПО и планировщика как тако­вого, является использование цикли­ческого алгоритма стиле round robin .

Каждая «задача», представляющая со­бой отдельную подпрограмму, выпол­няется циклически. При этом надо придерживаться следующих правил:

1. Подпрограммы не должны содер­жать циклов ожидания

2. Подпрограммы должны выполнять свою работу как можно быстрее, что­бы дать возможность работать следу­ющей подпрограмме.

3. При необходимости подпрограмма может сохранять свое окружение и текущие результаты, чтобы в следую­щем цикле возобновить работу с то­го же места.

Можно отметить следующие преиму­щества циклического алгоритма.

1. Простота использования и прозрач­ность для понимания.

2. Если исключить из рассмотрения прерывания, система полностью де­терминирована. Задачи всегда вызы­ваются в одной и той же последова­тельности, что позволяет достаточно просто произвести анализ «наихуд­шего случая» и вычислить макси­мальную задержку.

3. Минимальные размеры кода и дан­ных. Кроме того, в отличие от алго­ритмов с вытеснением, для всех задач необходим только один стек.

4. Отсутствуют ошибки, обусловлен­ные «гонками».

К недостаткам циклического алго­ритма можно отнести отсутствие при­оритетности и очередей. К тому же за­дачи вызываются независимо от того, должны ли они в данный момент что-либо делать или нет, а на прикладного программиста ложится максимальная ответственность за работоспособность системы.

Кооперативная многозадачность – это еще один алгоритм переключе­ния задач, с которым широкие массы компьютерной общественности знакомы по oперационной системе Windows .. Задача, получившая управление, выполняется до тех пор, пока она сама по своей инициативе не передаст уп­равление другой задаче. По сути это продолжение идеологии round robin, и в чистом виде мало применяется в системах реального времени.

Планирование в режиме разделения времени

Одним из самых распространенных подходов к организации планирования является планирование в режиме разделения времени.

Существуют различные реализации в рамках этого алгоритма, и некоторые западные специалисты даже различают такие, в общем-то идентичные для нас понятия, как time - slicing (нарезание времени) и time - sharing (разделение времени). Как правило, алго­ритм реализуется следующим образом: каждой задаче отводится определен­ное количество квантов времени (обычно кратно 1 мс), в течение кото­рых задача может монопольно зани­мать процессорное время. После того как заданный интервал времени исте­кает, управление передается следую­щей готовой к выполнению задаче, имеющей наивысший приоритет. Та, в свою очередь, выполняется в течение отведенного для нее промежутка вре­мени, после чего все повторяется в сти­ле round robin. Легко заметить, что та­кой алгоритм работы может привести к определенным проблемам. Предста­вим, что в системе работают 7 задач, 3 из которых имеют высокий приоритет, а 4 – низкий. Низкоприоритетные за­дачи могут никогда не получить управ­ление, так как три высокоприоритет­ные задачи будут делить все процес­сорное время между собой. Единственную возможность для низкоприоритетных задач получить управление предоставляет ситуация, когда все высокоприоритетные задачи находятся в блокированном состоянии.

Для решения этой проблемы применяется прием, получивший название равнодоступность (fairness). При этом реализуется принцип адаптивной приоритетности, когда приоритет за­дачи, которая выполняется слишком долго, постепенно уменьшается, позво­ляя менее приоритетным задачам по­лучить свою долю процессорного времени. Равнодоступность применяется главным образом в многопользовательских системах и редко применяется в системах реального времени.

11. Алгоритм планирования – приоритетная задача с вытеснением

Приоритетная многозадачность с вытеснением – это, по-видимому, наиболее часто используемый в ОС РВ принцип планирования. Основная идея состоит в том, что высокоприо­ритетная задача как только для нее появляется работа, немедленно прерыва­ет (вытесняет) низкоприоритетную. Другими словами, если какая-либо задача переходит в состояние готовнос­ти, она немедленно получает управле­ние, если текущая активная задача имеет более низкий приоритет. Такое «вытеснение» происходит, например, когда высокоприоритетная задача по­лучила ожидаемое сообщение, освободился запрошенный ею ресурс, про­изошло связанное с ней внешнее со­бытие, исчерпался заданный интервал времени и т. п.

Виды синхронизации задач

Хотя каждая задача в системе выполняет какую-л. от­дельную функцию, часто возникает необходимость в согласованности (синхронизации) действий, выполня­емых различными задачами. Такая синхронизация необходима, в основ­ном, в следующих случаях.

1. Функции, выполняемые различны­ми задачами, связаны друг с другом. Например, если одна задача подго­тавливает исходные данные для дру­гой, то последняя не выполняется до тех пор, пока не получит от первой задачи соответствующего сообще­ния.

2. Необходимо упорядочить доступ не­скольких задач к разделяемому ре­сурсу.

3. Необходима синхронизация задачи с внешними событиями. Как правило, для этого используется механизм прерываний.

4. Необходима синхронизация задачи по времени. Диапазон различ.ва­риантов в этом случае достаточно широк, от привязки момента выдачи какого-л. воздействия к точному астрономич.времени до про­стой задержки выполнения задачи на опред.интервал времени. Для решения этих вопросов использ-ся спец.аппарат.средства - таймеры.

Связанные задачи. Взаимное согласование задач с по­мощью сообщ-й является одним из важнейших принципов ОС РВ. Способы реализации межзадач.обмена от­лич-ся большим разнообразием.

Объем инфо, передаваемой в сообщ-ях, может меняться от 1 бита до всей свободной емкости памяти системы. Во многих ОС РВ компо­ненты ОС, так же как и пользоват.задачи, способ­ны принимать и передавать сообщ-я. Сообщения м.б. асинхронными (до­ставка сообщений задаче производится после того, как она в плановом порядке получит управление) и синхронными (циркуляция сообщений оказывает не­посредственное влияние на планирова­ние задач). Н-р, задача, пославшая сообщение, немедленно блокируется, если для продолжения ра­боты ей необходимо дождаться ответа, или если низкоприоритетная задача шлет высокоприор.задаче со­общ-е, к-рого последняя ожидает, то высокоприор.задача, если используется приоритетная многозадачность с вытеснением, не­медленно получит управление.

Иногда сообщения передаются через отведенный для этого буфер опред.размера («почтовый ящик»). При этом новое сообще­ние затирает старое, даже если послед­нее не было обработано.

Однако наиболее часто используется принцип, когда каждая задача имеет свою очередь сообщ-й, в конец ко­торой ставится всякое вновь получен­ное сообщ-е. Стандартный принцип обработки очереди сообщ-й по принципу «первым вошел, первым вы­шел» (FIFO) не всегда оптимально со­отв-т поставл.задаче. В нек-рых ОС РВ предусматривается та­кая возм-ть, когда сообщ-е от высокоприоритетной задачи обраб-ся в первую очередь (говорят, что сообщ-е наследует приоритет пославшей его задачи).

Иногда полезным оказывается не­посредств.управление приорите­том сообщений. Представим, что зада­ча послала серверу (драйверу) принте­ра несколько сообщений, содержащих данные для печати. Если теперь задача хочет отменить всю печать, ей надо послать соотв.сообщ-е с более высоким приоритетом, чтобы оно встало в очередь впереди всех по­сланных ранее заданий на печать.

Сообщение может содержать как са­ми данные, предназначенные для пере­дачи, так и указатель на такие данные. В последнем случае обмен может; производиться с помощью разделяемых облас­тей памяти, разделяемых файлов и т. п.

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться: