Операционные системы реального времени для встраеваемых систем

⇐ ПредыдущаяСтр 8 из 18Следующая ⇒

Встра́ иваемая систе́ ма, встро́ енная систе́ ма (embedded system) – это специализированная компьютерная система, в которой сам компьютер обычно встроен в устройство, которым он управляет.

Характерные особенности:

· очень малое энергопотребление, порядка от 0, 5 до ~20 Ватт;

· маленькие размеры;

· отсутствие больших систем отвода тепла (охлаждения);

· ЦПУ и системная логика, а также некоторые другие ИС, часто совмещены на одном кристалле (System On Crystal (SOC)).

Основой построения встроенных систем служат одноплатные или однокристальные микроконтроллеры, специализированные или универсальные ЦПУ, ПЛИС. Особенностью некоторых видов встроенных систем является использование устаревших процессоров семейства x86 (например i386, i486, Pentium) и их клонов из-за малого энергопотребления и низкой стоимости. Многие виды встроенных систем используют ЦПУ архитектуры ARM.

Большое количество фирм производит одноплатные компьютеры на основе микроконтроллеров и ЦПУ с RISC[5] архитектурой. Среди них Advantech, AAEON, Advanced Micro Peripherals (AMP), Ampro Computers, Diamond Systems, iBASE, InnoDisk, Fastwel (Россия), Lippert, Octagon Systems, RTD Embedded Technologies, Tri-M Systems - Engineering, SanDisk, STEC.

Основными производителями CPU для встраиваемых систем являются VIA technologies, Transmeta Corporation, Infineon Technologies.Во встраиваемых системах для управления используются ОС РВ.

Windows CE (WinCE) – это вариант ОС Microsoft Windows для наладонных компьютеров, мобильных телефонов и встраиваемых систем. Windows CE не является «урезанной» версией Windows для настольных ПК и основана на совершенно другом ядре. К основным недостаткам системы можно отнести полное отсутствие нужных программных приложений. Поддерживаются архитектуры x86, MIPS, ARM и процессоры Hitachi SuperH.

Основные конкуренты WinCE – это VxWorks, eCos, OSE, QNX, LynxOS, Symbian OS, OS-9, а также различные производные Linux (например, uClinux) и, наиболее известный, PalmOS. Некоторые производители устройств также изготавливают свою собственную систему.

Windows CE оптимизирована для устройств, имеющих минимальный объём памяти: ядро Windows CE может работать на 32 КБ памяти. С графическим интерфейсом (GWES) для работы Windows CE понадобится от 5 МБ. Устройства часто не имеют дисковой памяти и могут быть сконструированы как «закрытые» устройства, без возможности расширения пользователем (например, ОС может быть «зашита» в ПЗУ). Windows CE соответствует определению ОС РВ.

На базе Windows CE основано множество платформ, включая Handheld PC, Pocket PC, Pocket PC 2002, Pocket PC 2003, Pocket PC 2003 SE, Smartphone 2002, Smartphone 2003, Windows Mobile, а также множество промышленных устройств и встроенных систем. Приставка Sega Dreamcast имела поддержку Windows CE. Самой Windows CE в изначальной поставке не было, но она могла запускаться на приставке с CD.

Часто названия Windows CE, Windows Mobile, Pocket PC используют как взаимозаменяемые. Это не совсем правильно. Windows CE 3.0 – это модульная ОС, которая служит основой для устройств нескольких классов. Любой разработчик может купить инструментарий (Platform Builder), который содержит все эти компоненты и программы, позволяющие построить собственную платформу. При этом такие приложения, как Word Mobile / Pocket Word, не являются частью этого инструментария.

Windows Mobile лучше всего представлять себе как набор платформ, основанных на Windows CE: Pocket PC, SmartPhone и Portable Media Center. Каждая платформа использует набор компонентов Windows CE, плюс набор сопутствующих особенностей и приложений.

Windows CE.net – это кодовое название Windows CE версии 4.2.

Windows Embedded CE 6.0 (кодовое имя “Yamazaki”) является шестой версией ОС Windows Embedded, ориентированной на предприятия, изготавливающие промышленные контроллеры и устройства бытовой электроники. В Windows Embedded CE 6, 0 полностью переделано ядро, которое поддерживает свыше 32000 процессов, по сравнению с 32 в предыдущих версиях. С 32 Мб до 2 Гб поднялось выделяемое для процессов виртуальное адресное пространство.

Windows Embedded CE 6.0 был выпущен 1 ноября 2006 года. Windows CE 6.0 R2 был выпущен 15 ноября 2007 года. Windows Embedded CE 6.0 также является основой для Windows Mobile 7 (кодовое имя “Photon”).

QNX – коммерческая POSIX-совместимая ОС РВ, предназначенная преимущественно для встраиваемых систем. Считается одной из лучших реализаций концепции микроядерных ОС. Как микроядерная ОС, QNX основана на идее работы основной части своих компонентов, как небольших задач, называемых сервисами. Это отличает её от традиционных монолитных ядер, в которых ядро ОС – одна большая программа, состоящая из большого количества «частей», каждая со своими особенностями. Использование микроядра в QNX позволяет пользователям (разработчикам) отключить любую ненужную им функциональность, не изменяя ядро.

Система достаточно небольшая, чтобы в минимальной комплектации уместиться на одну дискету, вместе с этим она считается очень быстрой и должным образом «законченной» (практически не содержащей ошибок).

QNX Neutrino, выпущенная в 2001 году, перенесена на многие платформы и сейчас способна работать практически на любом современном процессоре, используемом на рынке встраиваемых систем. Среди этих платформ присутствуют семейства x86, MIPS, PowerPC, а также специализированные семейства процессоров, такие, как SH-4, ARM, StrongARM и xScale.

LynxOS – Unix-подобная ОС РВ, разработанная для встраиваемых систем, совместимая со стандартами POSIX и, в последнее время, с ОС GNU/Linux. LynxOS используется преимущественно в авиации, системах управления промышленными процессами и в области телекоммуникаций.

ChorusOS – микроядерная ОС РВ, разработанная для встраиваемых систем. В 1997 году Sun Microsystems купила Chorus systems, компанию, создавшую ChorusOS. В августе 2002 года Основатели Chorus Systems организовали новую компанию VirtualLogix и занялись разработкой встраиваемых систем, используя Linux и ChorusOS.

Nucleus – ОС РВ, созданная Accelerated Systems, подразделением по встраиваемым системам компании Mentor Graphics для различных процессорных платформ. Получила распространение в телевизионных декодерах, мобильных телефонах и других переносных и карманных устройствах. Nucleus используется Garmin International в GPS-модуле, предназначенном для гражданской авиации.

OS-9 – многозадачная, многопользовательская ОС РВ, разработанная Microware Systems Corporation.

Используется для интерактивных и встраиваемых систем. В наши дни OS-9 принадлежит компании RadiSys Corporation, расположенной в штате Орегон (США).

VxWorks – ОСРВ, разрабатываемая компанией Wind River Systems (США). VxWorks включает в себя многозадачное ядро с вытесняющим планировщиком и быстрым откликом на прерывания, средства межпроцессного взаимодействия и синхронизации, а также файловую систему и сетевую подсистему (стек протоколов TCP/IP). В комплект поставки входят средства для кросс-компиляции, мониторинга производительности (WindView), удаленной символьной отладки, а также эмуляции различных процессоров, различные стеки протоколов, графических подсистем, и др. как от самой Wind River Systems, так и от третьих фирм.

Последняя версия интегрированной среды разработки Wind River Workbench (поставляющаяся с VxWorks версий 6.x, впрочем как и 5.x) построена на основе среды Eclipse.

ОС2000 – ОС РВ разработанная НИИСИ РАН по заказу МО РФ для микропроцессоров MIPS и Intel. Эта ОС РВ предназначена для разработки программного обеспечения для систем (программно-аппаратных комплексов), работающих в режиме жёсткого реального времени.

Поддержка устройств:

· сетевые устройства Ethernet (протоколы NFS, FTP, Telnet), для Intel-версии поддержка ограничена ISA- и PCI-картами фирмы Realtek, NE2000-совместимых карт;

· накопительные устройства – флоппи- и жёсткие диски (файловые системы vfat и tar).

Имеется поддержка графической клиент-серверной подсистемы X Window System, ипользуемой в Unix-системах.

2.5. ОС РВ для встраиваемых модулей от компании Microsoft

Начало XXI века было ознаменовано ростом количества портативных устройств, на что откликнулась корпорация Microsoft, выпустив компактную версию (Compact Edition) ОС Windows. Помимо преимуществ, свойственных стандартным ОС – наличие готовых библиотек с исходными кодами, стандартных драйверов, базы технических знаний, Windows CE обладает рядом особенностей, которые делают ее применение на встраиваемых устройствах особенно удобным:

· Возможность изменения размера инсталлируемой программы. Устанавливаются только те модули, которые необходимы для функционирования ОС и для работы с конкретным устройством. Учитывая ограниченный объем памяти на встраиваемых платформах, данное свойство является одним из самых полезных.

· Возможность применения для микропропроцессоров различной архитектуры. Windows CE разрабатывалась специально для встраиваемых платформ, включая поддержку процессоров архитектуры x86, ARM, MIPS, SH.

· Windows CE – OC РВ соответствует всем требованиям, предъявляемым к ОС такого типа в сфере промышленной автоматизации.

· Открытый программный код ОС позволяет вносить изменения в код ОС при разработке приложения, максимально адаптировать систему под задачу и обеспечить защиту интеллектуальной собственности.

ОС может работать с 32 тысячами параллельных процессов одновременно, с выделением до 2 Гбайт памяти виртуальной машины для каждого процесса. Полезными дополнениями являются выполненная на уровне ядра поддержка беспроводных сетевых интерфейсов WiFi с поддержкой криптозащиты, новые драйверы USB, поддержка файлов большого объема, криптозащита данных, поддержка VoIP-систем, расширенная поддержка графических и мультимедийных приложений.

Windows CE является удобной и качественной ОС для применения на встраиваемых платформах. Однако ее невозможно использовать на системах с ARM7-процессором, не оснащенным модулем управления памятью. Для этих платформ корпорация Microsoft выпустила ОС.NET Micro Framework. ОС требуется до 500 Кбайт ОЗУ для размещения своего ядра и до 500 Кбайт ОЗУ для работы стандартных приложений системы, таких, как: .NET Framework Common Language Runtime, The Mono Project, и DotGNU Project. ОС включает в себя поддержку интерфейсов UART, I2C, SPI и имеет уникальную для нересурсоемких ОС возможность использования инструментов отладки и разработки, включенных в пакет Microsoft Visual Studio.

Корпорация Microsoft сегодня предлагает решения, охватывающие весь спектр платформ встраиваемых решений – от простого терминала сбора данных до многофункционального мультимедийного устройства. Сравнительные характеристики ОС, области их применения и аппаратные требования приводятся в табл. 2.1.

Современное встраиваемое решение, помимо вычислительного ядра и набора коммуникационных функций (поддержка последовательных протоколов, Ethernet-контроллер, DMA и т. д.) содержит мультимедийные контроллеры (контроллер ЖКИ, обработка звука), дополнительные коммуникационные контроллеры (USB, PCI, контроллеры внешней памяти), системы, обеспечивающие работу модуля с более высокой производительностью.

Таблица. 2.1. Сравнительные характеристики ОС, области их применения и аппаратные требования

.NET Micro Framework Windows CE Windows XPe

Применяется в устройствах Модули сбора данных, информационные дисплеи, удаленный контроль, робототехника GPS коммуникаторы, КПК, промышленная автоматика, банкоматы «Тонкие клиенты», банкоматы, информационные киоски

Особенности устройств Коммуникационные, небольшие, носимые, с графическим интерфейсом Коммуникационные, с графическом интерфейсом, сервера, с применением браузеров, DirectX ПК-совместимые, информационные сети

Требуется память 200-400Kb управляющего кода 300Kb + дополнительное ядро (зависит от приложения) 40Mb + в зависимости от приложения

Энергопотребление Очень низкое Низкое От стационарной сети

Процессор ARM7, ARM9 No MMU X86, MIPS, SH4, ARM, with MMU X86

Работа в реальном времени Программная эмуляция Аппаратнореализуемая Возможно с использованием специального ПО

Примером многофункционального встраиваемого модуля служит устройство ConnectCore Wi-9C (рис. 2.26) компании Digi International.

Рис. 2.26. Модуль ConnectCore Wi-9C

Модуль выполнен на базе 32-разрядного RISС-микропроцессора ARM, поддерживает работу по Ethernet 10/100 Мбит иWi-Fi стандарта 802.11b/g с криптозащитой WPA2/802.11i, информационные интерфейсы UART, SPI, I2C, контроллер ЖКИ, контроллер внешней памяти.

2.6. Функциональные потребности SCADA-системы

Любая SCADA-система в рабочем режиме мониторинга какого-либо процесса выполняет одновременно множество задач, среди которых: получение данных в РВ от объектов управления; запись данных в архив предыстории; визуализация данных на анимированных мнемосхемах; отображение критических параметров в виде трендов; прием и протоколирование действий оператора, передача его управляющих команд исполнительной системе объекта; генерация и обработка " событий и тревог". Последний пункт включает множество последовательных действий: формирование сообщений о преодолении параметрами пороговых и критических значений; выдача этих сообщений на экран, а также при необходимости их пересылка удаленным операторам; прием подтверждений о получении " событий и тревог" оператором; автоматическая выработка управляющих воздействий в критических ситуациях, например, в отсутствии своевременной реакции оператора или блокирующие его неверные действия. Задача обработки событий и тревог имеет высокий приоритет, поскольку одной из самых важных функций SCADA-системы является предотвращение аварий ТП. Обработка " событий и тревог" является задачей, которая может отнимать весьма большие компьютерные ресурсы, прежде всего, процессорное время. С ростом числа тегов загрузка растет быстрее линейной зависимости, так как при выходе ТП из нормального режима для многих параметров генерируются тревоги. Для MS Windows время, требуемое на переключение между задачами с ростом числа точек и тревог, растет очень резко. С ростом числа тегов SCADA-системы на MS Windows реакция замедляется, и уже в приложениях с числом тегов более тысячи они периодически могут зависать на несколько секунд. Разработчики SCADA пакета Phocus учитывают важные требования обработки событий и тревог, а большое число приоритетов, доступных в ОС РВ QNX, позволяет обрабатывать поступающие тревоги в правильном порядке. Поэтому производительность SCADA-системы Phocus и в приложениях с десятками тысяч тегов остается достаточной для правильной работы без потери данных.

Особенности встроенной SCADA-системы. Повышение производительности встроенных систем способствует тому, что таким системам управления, как PLC, передается все больше функций, которые ранее выполнялись SCADA-системой на выделенном ПК. В PLC передаются функции сбора данных – с целью предотвращения потери данных при обрыве связи или в случае использования коммутируемого канала связи с периодической доставкой данных. Современные PLC предоставляют развитые встроенные функции программирования и отладки технологических программ. Для этого PLC снабжается дисплеем и средствами ввода (клавиатурой, указательным устройством), образуя систему HMI или панельный ПК. Фактически HMI-система – это промышленный компьютер со встроенным экраном, готовый к интеграции функций управления, сбора данных и мониторинга со стороны оператора. Популярность QNX как ОС для контроллеров определяется двумя аппаратными особенностями встроенной системы по сравнению с настольными ПК, продиктованными требованиями по надежности:

1) менее производительные процессоры, не требующие активного охлаждения вентилятором;

2) небольшой объем Flash-памяти, которая замещает малонадежные магнитные жесткие диски.

ОС QNX, обладающая высокой производительностью и компактностью кода, как никакая другая ОС, поддерживающая развитой графический интерфейс, способна удовлетворить этим требованиям.

Встроенная SCADA-система, совмещающая функциональность управляющей системы, HMI и собственно SCADA, является сложным мультизадачным приложением с большим числом задач, чем в PLC. Поэтому использование в качестве базовой ОС QNX более оправданно.

Помимо функций, которые выполняют системы HMI, SCADA-системы за счет поддержки полевых шин могут осуществлять распределенный сбор данных, а благодаря развитым коммуникационным средствам верхнего уровня способны взаимодействовать с удаленными операторами и осуществлять двустороннюю передачу данных в различные БД корпоративных приложений.

В Phocus реализована поддержка таких протоколов полевых шин, как Modbus, Profibus, CAN, C-bus и др. Что касается взаимодействия с системами на верхнем уровне, Phocus предлагает целый набор разнообразных средств. Для взаимодействия с системами на базе MS Windows имеются OPC серверы и клиенты для Phocus/OPUS. Сервер OPC Data Access поддерживает доступ к данным РВ по протоколу DA 2.0, сервер OPC Alarms& Events реализует передачу данных тревог/событий по протоколу OPC AE 1.1, а сервер OPC Historical Data Access предоставляет доступ к данным предыстории по протоколу OPC HDA 1.2. Для двустороннего обмена данными с БД в MS Windows для Phocus разработано программное средство PhocusBase, позволяющее сохранить в БД MS SQL и автоматически поддерживать в актуальном состоянии данные (точки, предыстория, тревоги/события), получаемые по сети с сервера Opus/Phocus. В качестве универсального способа передачи данных, доступного из любого Web-браузера, функционирующего на любой платформе, предлагается модуль OpusXML, который обеспечивает удобный способ связи SCADA-системы с разнообразными клиентскими устройствами, доступными по сети. С помощью Web-сервера Apache, работающего в QNX, OpusXML рассылает Java-аплеты, доступные для авторизованных пользователей, которые предоставляют функции мониторинга и управления удаленным пользователям Phocus.

Использование Phocus в " интегрированных" приложениях без выделенного PLC будет очень эффективным. Логика работы управляющей части может быть запрограммирована с помощью BASIC-подобного скриптового языка Phocus SBL.

SCADA пакет Phocus 4 для ОС РВ QNX обладает следующими существенными качествами, важными для встроенных приложений:

· реализация работы в режиме жесткого РВ, позволяющая совместить функции SCADA с управлением PLC в едином приложении;

· высокая производительность и нетребовательность к ресурсам системы, позволяющая использовать низкочастотные процессоры для встроенных систем с пассивным охлаждением;

· высокая устойчивость и надежность, позволяющая реализовать работу системы с высокой степенью доступности в необслуживаемом режиме даже без резервирования;

· возможность дублированной конфигурации системы с реализацией режима активного резервирования, обеспечивающего высокую степень надежности и непрерывности управления, необходимую для бортовых встраиваемых приложений;

· наличие BASIC-подобного скриптового языка Phocus SBL для программирования логики управляющей части в приложениях без выделенного PLC позволяет создавать эффективные интегрированные системы " все-в-одном" (SCADA/HMI/Control);

· чрезвычайная компактность, позволяющая разместить весь полнофункциональный программный пакет вместе с ОС РВ QNX на карте Flash-памяти размером более 125 Мб, что дает возможность отказаться от таких малонадежных механических элементов, как HDD;

· опция поставки разработчикам оборудования исходных кодов SCADA пакета, что обеспечивает адаптации ПО к аппаратной части, сертификации кодов на отсутствие недекларированных возможностей (так называемых " программных закладок" ) и предоставляет выгодные условия при создании тиражируемых продуктов.

Свойства SCADA пакета Phocus 4 для ОС РВ QNX позволяют использовать его и во многих других проектах АСУТП с высокими требованиями к надежности и отказоустойчивости. Применение ОС РВ QNX и архитектурные особенности Phocus делают его чрезвычайно эффективным и надежным средством для разработки ответственных приложений с большим числом точек данных.

Контрольные вопросы

1. Перечислите основные типовые ОС РВ и дайте их краткие характеристики.

2. Сформулируйте требования к современным ОС.

3. Приведите блок схему ОС РВ Windows NT и дайте краткий ее анализ

4. Как организуется взаимодействие процессов и потоков в ОС РВ NT?

5. Каковы возможные пути расширения реального времени для NT?

6. Перечислите состояния, через которые проходит поток после инициализации в NT.

7. Какие типы семафоров в NT Вы знаете? Что такое критическая секция и мьютексы, их назначение и особенности использования?

8. Охарактеризуйте особенности борьбы в NT за ресурсы.

9. Как осуществляется обработка прерываний и исключений в NT?

10. Каковы особенности системы ввода/вывода NT?

11. Дайте краткую характеристику особенностей структуры ОСРВ QNX

12. Как осуществляется связь между процессами в QNX?

13. Дайте анализ QNX как сеть.

14. Как осуществляется синхронизация процессов QNX?

15. Опишите кратко оконную систему Photon microGUI и укажите особенности ее применения.

16. Дайте краткую характеристику пакета Phocus 4 при создании встраиваемых SCADA систем для ОС QNX.

17. Дайте классификацию ОС РВ для встраиваемых систем.

18. Особенности встроенной SCADA-системы.

⇐ Предыдущая 3 4 5 6 789 10 11 12 Следующая ⇒