Операционные системы реального времени (ОСРВ)

Операционные системы реального времени предназначены для управления процессами и динамическими объектами в реальном масштабе времени.

Поясним смысл выражения «реальный масштаб времени» на примере обработки информации от радиолокатора. Информация, поступающая от локатора, привязана ко времени и устаревает уже через один оборот антенны. Очевидно, что данные об обстановке в воздушном пространстве должны обрабатываться быстрее, чем может вращаться локатор, иначе информация будет теряться. Принципиальная особенность систем, работающих в реальном масштабе времени, состоит в том, такие системы обязаны обрабатывать поступающие данные своевременно, причем от множества источников. Технически это означает, что операционная система, претендующая на работу в таком режиме, должна обеспечивать не просто малое время реакции, а гарантированное время реакции. В противном случае на объекте может произойти авария. Разумеется, это время должно быть достаточно малым для того, чтобы система была применима в реальных системах управления.

Согласно определению, ОСРВ должна обеспечить требуемый уровень сервиса в заданный промежуток времени. Таким образом, критерием эффективности ОС здесь является способность выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением результата (управляющего воздействия). Это время называется временем реакции системы, а соответствующее свойство системы — реактивностью. Требования ко времени реакции зависят от специфики управляемого процесса. Согласно стандарту POSIX 1003.1: «Реальное время в операционных системах — это способность операционной системы обеспечить требуемый уровень сервиса в определённый промежуток времени».

Ограничение на допустимое время реакции системы сказывается на архитектуре ОС. Например, в ОС реального времени может отсутствовать виртуальная память. Кроме того, почти в каждой операционной системе реального времени имеется целый набор дополнительных специфических только для нее механизмов, касающийся системы ввода–вывода, управления прерываниями, работы с памятью. Каждая система содержит также ряд средств, обеспечивающих ее надежность.

Способность аппаратуры компьютера и ОС к быстрому ответу зависит в основном от скорости переключения с одной задачи на другую и, в частности, от скорости обработки сигналов прерывания. Если при возникновении прерывания процессор должен опросить сотни потенциальных источников прерывания, то реакция системы будет слишком медленной. Время обработки прерывания в системах реального времени часто определяет требования к классу процессора даже при небольшой его загрузке. В системах реального времени не стремятся максимально загружать все устройства, наоборот, при проектировании программного управляющего комплекса обычно закладывается некоторый «запас» вычислительной мощности на случай пиковой нагрузки. Если система реального времени не спроектирована для поддержки пиковой нагрузки, то может случиться так, что система не справится с работой именно тогда, когда она нужна в наибольшей степени.

Некоторые операционные системы могут совмещать в себе свойства систем разных типов, например, часть задач может выполняться в режиме пакетной обработки, а часть – в режиме реального времени или в режиме разделения времени. В таких случаях режим пакетной обработки часто называют фоновым режимом.

Рассмотрим на примере управления технологическим процессом, какие интервалы времени мы должны знать, для того чтобы предсказать время реакции системы. События, происходящие на объекте, регистрируются датчиками. Данные с датчиков передаются в модули ввода–вывода системы управления. Модули ввода–вывода, получив информацию от датчиков и преобразовав ее, генерируют запрос на прерывание в управляющем компьютере, подавая ему тем самым сигнал о том, что на объекте произошло событие. Получив сигнал от модуля ввода–вывода, система должна запустить программу обработки этого события. Интервал времени от события на объекте до выполнения первой инструкции в программе обработки этого события является временем реакции системы на события. Проектируя систему реального времени, разработчики должны уметь вычислять этот интервал.

Время выполнения цепочки действий – от события на объекте до генерации прерывания – никак не зависит от операционных систем реального времени и целиком определяется аппаратурой, а интервал времени – от возникновения запроса на прерывание до выполнения первой инструкции обработчика – определяется целиком свойствами операционной системы и архитектурой компьютера. Причем это время нужно уметь оценивать в худшей для системы ситуации, то есть в предположении, что процессор загружен, что в это время могут происходить другие прерывания, что система может выполнять какие–то действия, блокирующие прерывания.

Для подлинной реализации режима реального времени необходима (хотя этого и недостаточно) организация мультипрограммирования. Мультипрограммирование является основным средством повышения производительности вычислительной системы, а для решения задач реального времени производительность становится важнейшим фактором. Лучшие характеристики по производительности для систем реального времени обеспечиваются однотерминальными ОСРВ. Средства организации мультитерминального режима всегда замедляют работу системы в целом, но одновременно расширяют функциональные возможности системы.

Для того чтобы уметь оценивать накладные расходы системы при обработке параллельных событий, необходимо знать время, которое система затрачивает на передачу управления от задачи к задаче. Операционные системы реального времени содержат механизмы, гарантирующие заранее вычисленное время реакции системы. Эта гарантия достигается знанием максимального времени блокировок прерываний в системе, времени переключения контекста, времени выполнения различных системных вызовов, применением нужных механизмов диспетчеризации и пр. Другими словами, время реакции на события для операционных систем реального времени можно вычислить с большой точностью.

Для ОСРВ критичным является время перезагрузки системы. Этот параметр важен для систем, от которых требуется непрерывная работа. В таких системах устанавливаются специальные ловушки, отслеживающие зависание системы или приложений. Если таковое произошло, то система автоматически перезагружается. При этом важным является такое свойство системы, как ее живучесть при незапланированных перезагрузках. Большинство операционных систем реального времени устойчивы к перезагрузкам и могут быть прерваны и перезагружены в любое время.

Вычислительные установки, на которых применяются ОСРВ, можно разделить на три группы.

«Обычные» компьютеры. По логическому устройству совпадают с настольными системами. Аппаратное устройство несколько отличается. Для обеспечения минимального времени простоя в случае технической неполадки процессор, память и другие узлы размещаются на съемной плате, вставляемой в специальный разъем так называемой пассивной основной платы. В другие разъемы этой платы вставляются платы периферийных устройств. Среди процессоров таких компьютеров преобладают процессоры Intel.

Промышленные компьютеры. Состоят из одной платы, на которой размещены процессор, контроллер памяти, память. Память может быть нескольких видов – ПЗУ (в которой размещается сама ОСРВ), ОЗУ (там размещаются код и данные), флэш–память (может играть роль диска). На плате также находятся контроллеры периферийных устройств, несколько программируемых таймеров. Среди процессоров этих компьютеров доминируют процессоры семейства PowerPC, Motorola 68xxx, SPARC, ARM, Intel 80x86, 80960x.

Встраиваемые системы. Устанавливаются внутрь оборудования, которым они управляют. Для крупного оборудования могут по исполнению совпадать с промышленными компьютерами. Для оборудования поменьше могут представлять собой процессор с сопутствующими элементами, размещенными на одной плате с другими электронными компонентами оборудования. Для миниатюрных систем процессор с сопутствующими элементами может быть частью одной из интегральных схем оборудования.

В связи с особенностями оборудования ОСРВ должны обладать следующими свойствами:

размеры системы. Для систем реального времени важным параметром является размер минимально необходимого для работы приложения системного набора (ядро, системные модули, драйверы и т. д.). Производители систем реального времени стремятся к тому, чтобы размеры ядра и обслуживающих модулей системы были невелики;

возможность исполнения системы из ПЗУ (ROM). Система должна иметь возможность осуществлять загрузку из ПЗУ. Для экономии места в ПЗУ часть системы может храниться в сжатом виде и загружаться в ОЗУ по мере необходимости. Часто система позволяет исполнять код как в ПЗУ, так и в ОЗУ. При наличии свободного места в ОЗУ система может копировать себя из медленного ПЗУ в более быстрое ОЗУ.

К дополнительным свойствам ОСРВ можно отнести следующие:

наличие необходимых драйверов устройств. Если разрабатываемая система имеет обширную периферию, то наличие уже готовых драйверов может оказать большое влияние на выбор операционной системы;

поддержка процессоров различной архитектуры. В связи с тем, что в промышленных компьютерах, серверах, встраиваемых системах широко распространены процессоры разной архитектуры с различной системой команд, ОСРВ по возможности должна поддерживать как можно более широкий ряд процессоров.

Приведем пример реального времени, реализация которого предъявляет к системе те же требования, что и промышленные задачи реального времени. В мультимедийных приложениях, выполняемых на персональных компьютерах, основной проблемой является синхронизация изображения на экране со звуком. Человек способен заметить довольно малые временные неоднородности в звуковом потоке, а пропуск кадров в видеопотоке вообще малозаметен. Расхождение же звука и изображения фиксируется человеком уже при задержках около 30 мс. Поэтому системы высококачественного мультимедиа должны обеспечивать синхронизацию с такой же или более высокой точностью, что мало отличается от реального времени.