Контрольная работа по "Информатике"

Вопрос №1. Что  относится к системам реального  времени  в настоящее время. Основные требования для таких систем.

ВВЕДЕНИЕ

ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

Определение  

Основой любого аппаратно-программного комплекса, в  том числе работающего в режиме реального времени, является операционная система (ОС). Операционной системой называют комплекс программ, обеспечивающий управление ресурсами аппаратно-программного комплекса (вычислительной системы) и  процессами, использующими эти ресурсы  при вычислениях. Ресурсом в данном контексте является любой логический или физический (и в совокупности) компонент вычислительной системы  или аппаратно-программного комплекса  и предоставляемые им возможности.  

Основными ресурсами  являются процессор (процессорное время), оперативная память и периферийные устройства. 

Управление ресурсами  сводится к выполнению следующих  задач: упрощение доступа к ресурсам; распределение их между процессами. 

Реализация первой функции позволяет “спрятать” аппаратные особенности вычислительной системы  и тем самым предоставить в  распоряжение пользователю или программисту виртуальную машину с существенно  облегченным управлением.  

Таким образом, ОС поддерживает следующие интерфейсы: пользовательский (командный язык для  управления функционированием системой и набор сервисных услуг); программный (набор услуг, освобождающий программиста от кодирования рутинных операций). 

Функция распределения  ресурсов является одной из наиболее важных задач, решаемых ОС, однако она  присуща не всем ОС, а только тем, которые обеспечивают одновременное  выполнение нескольких программ (процессов).  

Процессом называется последовательность действий, предписанных программой или ее логически законченной  частью, а также данные, используемые при вычислениях. Процесс является минимальной единицей работы, для  которой выделяются ресурсы. 

В настоящее  время существует большое разнообразие ОС, которые классифицируются по следующим  признакам: 

количество пользователей, одновременно обслуживаемых системой; 

число процессов, которые могут одновременно выполняться  под управлением ОС; 

тип доступа  пользователя к системе; 

тип аппаратно-программного комплекса. 

В соответствии с первым признаком различаются  одно- и многопользовательские ОС. Второй признак делит ОС на одно- и многозадачные (далее речь пойдет только о многозадачных ОС).  

В соответствии с третьим признаком ОС делятся: 

системы с пакетной обработкой. В этом случае из программ, подлежащих выполнению, формируется  пакет, который предъявляется системе  для обработки. В этом случае пользователи непосредственно с ОС не взаимодействуют; 

системы разделения времени, обеспечивающие одновременный  интерактивный доступ к вычислительной системе нескольких пользователей  через терминалы. Ресурсы системы  выделяются при этом каждому пользователю “по очереди” в соответствии с  той или иной дисциплиной обслуживания; 

системы реального  времени, которые должны обеспечивать гарантированное время ответа на внешние события (более подробно см. ниже). 

Четвертый признак  делит ОС на одно- и многопроцессорные, сетевые и распределенные. Для многопользовательских и многозадачных ОС важным показателем является дисциплина обслуживания. В соответствии с этим различают вытесняющий и согласующий режимы многозадачной работы. При вытесняющей организации выделением задачам процессорного времени занимается только ОС (например, для каждой задачи процессор выделяется по очереди, причем на строго фиксированный промежуток времени, но возможно и приоритетное обслуживание). В случае согласующей организации каждая задача, получив управление, сама определяет, когда ей “отдать” процессор другой задаче.  

В общем случае согласование эффективнее и надежнее вытеснения, но определяющим фактором при реализации программ становится тот факт, что данная программа  не должна монопольно использовать процессорное время.  

Видно, что в  настоящее время существует огромное количество типов ОС, в дальнейшем рассматриваются только операционные системы реального времени (ОСРВ). 

Если рассматривать  ОСРВ, то необходимо определиться с  понятием систем реального времени. 

Система реального  времени (СРВ) – это система, правильность функционирования которой зависит  не только от логической корректности вычислений, но и от времени, за которое  эти вычисления производятся.  

Для событий, происходящих в такой системе, важно время, когда эти события происходят, и их логическая корректность. 

Система работает в реальном времени, если ее быстродействие адекватно скорости протекания физических процессов на объектах контроля или  управления (имеются в виду процессы, непосредственно связанные с  функциями, выполняемыми конкретной системой реального времени). Система управления должна собрать данные, произвести их обработку по заданным алгоритмам и выдать управляющее воздействие  за такой промежуток времени, который  обеспечивает успешное выполнение поставленных задач. 

Основные требования к СРВ: 

возможность параллельного  выполнения нескольких задач; 

предсказуемость; 

важно максимальное (не среднее) время отклика на событие; 

особые требования в вопросах безопасности; 

возможность безотказной  работы в течение длительного  времени. 

Общие характеристики СРВ: 

большие и сложные  системы; 

распределенные  системы; 

жесткое взаимодействие с аппаратурой; 

выполнение задач  зависит от времени; 

сложность тестирования. 

СРВ должны реагировать  на различные типы внутренних и внешних  событий (периодических и непериодических). Необходимо отметить, что принадлежность системы к классу СРВ никак  не связана с ее быстродействием. Исходные требования к времени реакции  системы и другим временным параметрам определяются или техническим заданием на систему, или просто логикой ее функционирования. Интуитивно понятно, что быстродействие СРВ должно быть тем больше, чем больше скорость протекания процессов на объекте  контроля и управления.  

Принято различать  системы жесткого и мягкого реального  времени. 

Системой жесткого реального времени называется система, где неспособность обеспечить реакцию  на какие-либо события в заданное время является отказом и ведет  к невозможности решения поставленной задачи. Многие теоретики ставят здесь  точку, из чего следует, что время  реакции в жестких системах может  составлять и секунды, и часы, и  недели. Однако большинство практиков  считают, что время реакции в  системах жесткого реального времени  должно быть все-таки минимальным. Большинство  систем жесткого реального времени  являются системами контроля и управления. Такие СРВ сложны в реализации, так как к ним предъявляются  особые требования в вопросах безопасности. 

Точного определения  мягкого реального времени не существует, поэтому можно отнести  сюда все СРВ, не подпадающие в  категорию жестких. Так, система мягкого реального времени может не успевать все делать в заданное время, поэтому возникает проблема определения критериев успешности (нормальности) ее функционирования.  

Кроме того, СРВ  можно разделить на системы специализированные и универсальные. Специализированная СРВ – система, где конкретные временные требования априори определены. Такая система должна быть специально спроектирована для удовлетворения этих требований. 

Универсальная СРВ должна уметь выполнять произвольные (заранее неопределенные) временные  задачи без применения специальной  техники. Разработка таких систем является самой сложной задачей, хотя обычно требования, предъявляемые к таким  системам мягче, чем требования к  специализированным системам. 

Таким образом, если рассматривать IXP1200 как систему  реального времени, можно сказать  о том, что процессор является универсальной СРВ, так как он, будучи спроектирован только для  решения более или менее конкретных задач, но диапазон его применения довольно широк. 

Для более детального рассмотрения возможностей ОСРВ представлены ориентировочные цифры, дающее представление  о порядке времен реакции и  подходящих операционных системах (см. таблицу). Данная таблица сформирована на основании экспериментальных  данных, полученных на базе вычислительных комплексов, построенных на основе процессоров Intel 80486DX. Безусловно, данный процессор на сегодняшний день является устаревшим, но можно сделать выводы об уровне реакции на внешние события раз-личных ОСРВ. 

Время реакции 

Использованные ОС 

Менее 10 мкс 

Только ОСРВ, но даже они могут быть бессильны  – это граница выбора между  схемным и программным решениями 

10 – 100 мкс 

Операционные  системы реального времени 

100 мкс – 1 мс 

ОСРВ, RTAI, RT LINUX, расширения

 реального  времени для Windows NT, CE 

1 мс 

Можно пытаться делать что-то с Linux и Windows NT, но не для систем, где опоздания

 реакции могут  привести к тяжелым последствиям 
 
 

Таким образом, видно, что временные рамки ОСРВ достаточно жесткие. Среди современных  операционных систем есть класс продуктов, разработанных специально для построения систем жесткого реального времени  – VxWorks, OS9, QNX, LynxOS, OSE и другие. Эти системы содержат необходимый набор инструментов и в некоторых случаях являются единственным выбором – на него приходится идти, невзирая на затраты. Однако достаточно часто требования к реальному времени (полная предсказуемость времени реакции) допускают компромиссы, например, необходимо добиться только нужной средней производительности. 

Иногда достаточно жестко контролировать только одно из событий, допуская при этом задержки реакций на остальные. В подобных случаях возможности выбора расширяются  и желаемых результатов можно  достичь, используя такие широко распространенные операционные системы  как LINUX, Windows NT, Windows CE, дополняя их расширениями реального времени (RTAI, RT LINUX, RTX).

Требования, предъявляемые  ОС при проектировании ОСРВ 

Требование 1. ОС должна быть многонитевой (multi-threaded) и прерываемой 

Как указывалось  выше, ОСРВ должна быть предсказуемой, что означает максимальное время  выполнения того или иного действия, которое должно быть известно заранее  и должно соответствовать требованиям  приложения.  

Первое требование состоит в том, что ОС должна быть многонитевой по принципу абсолютного приоритета (прерываемой). Планировщик должен иметь возможность прервать любую нить и предоставить ресурс той нити, которой он более необходим. ОС (и аппаратура) должны также обеспечивать прерывания на уровне обработки прерываний. 

Требование 2. Должно существовать понятие приоритета нити 

Проблема в  том, чтобы определить, какой задаче требуется ресурс. В идеальной  ситуации ОСРВ отдает ресурс нити или  драйверу с ближайшим крайним  сроком (так называемые ОС, управляемые  временным ограничением (deadline driven OS)).  

Чтобы реализовать  это, ОС должна знать время, требуемое  каждой из выполняющихся нитей для  завершения (до сих пор не существует ОС, построенной по этому принципу, так как он слишком сложен для  реализации), поэтому разработчики ОС принимают иную точку зрения: вводится понятие уровня приоритета задачи, и временные ограничения сводят к приоритетам. Так как умозрительные решения чреваты ошибками, показатели СРВ при этом снижаются. Чтобы более эффективно осуществить указанное преобразование ограничений, проектировщик может воспользоваться теорией расписаний или имитационным моделированием, хотя и это может оказаться бесполезным. На сегодняшний день не имеется иного решения, поэтому понятие приоритета нити необходимо.