Реферат: Разработка системы реального времени в виде планировщика исполнения заданий

Реферат: Разработка системы реального времени в виде планировщика исполнения заданий

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту на тему:

Москва 2004

Реферат.

Проделана работа по проектированию системы реального времени.  Созданная система содержит два основных компонента: планировщик задач реального времени и прикладное приложение – протокол A.415 ARINC. Работа содержит 39 страниц, 14 диаграмм, 3 таблицы и 2 рисунка. Использовано 13 ссылок на техническую литературу.

Раздел 1. Описываются отличия систем реального времени от обычных систем (разделения времени). Приведены характерные особенности управления задачами в подобных системах. Проведены классификация и анализ требований, предъявляемых к современным СРВ. Даны примеры систем данного класса (представленных в России). Рассмотрена необходимость использования специальной методологии разработки программного обеспечения.

Раздел 2. Заданы определения, используемые в данной работе. Рассмотрена принципиальная структура СРВ. Приведена классификация подходов к планированию и обзор методов его реализации. Рассмотрена объектно-ориентированная методология разработки программного обеспечения.

Раздел 3. Описана реализация планировщика задач реального времени: достигаемые возможности, используемые алгоритмы, общая схема функционирования. Приведена документация по приложению-протоколу, составленная в соответствии с требованиями методологии Real.

Содержание.

Реферат.. 2

Содержание.. 3

Введение.. 5

1.      Обзор требований проблемной области.. 7

1.1.   Особенности систем реального времени.. 7

1.1.1.    Ограниченное время ответа.. 7

1.1.2.    Статическая основа проектирования.. 7

1.1.3.    Портирование.. 8

1.1.4.    Встроенные системы реального времени.. 8

1.1.5.    Вывод.. 9

1.2.   Особенности управления задачами.. 9

1.2.1.    Управление временем.. 9

1.2.2.    Управление памятью.. 9

1.2.3.    Управление доступом (синхронизация).. 9

1.2.4.    Вывод.. 10

1.3.   Классификация систем реального времени.. 10

1.3.1.    Классификация по структурным характеристикам.. 10

1.3.1.1.  Исполнительные системы реального времени. 10

1.3.1.2.  Ядра реального времени.. 11

1.3.1.3.  UNIX'ы реального времени.. 11

1.3.2.    Классификация по программной среде.. 12

1.3.2.1.  Программирование на уровне микропроцессоров. 12

1.3.2.2.  Минимальное ядро системы реального времени. 12

1.3.2.3.  Ядро системы реального времени и инструментальная среда. 12

1.3.2.4.  ОС с полным сервисом. 12

1.3.3.    Технические характеристики ОС РВ.. 12

1.3.3.1.  Время реакции системы. 12

1.3.3.2.  Время переключения контекста. 13

1.3.3.3.  Размеры системы. 13

1.3.3.4.  Возможность исполнения системы из ПЗУ (ROM). 14

1.3.4.    Вывод.. 14

1.4.   Современные представители рынка ОС РВ в России.. 14

1.4.1.    LynxOS® 4.x фирмы LinuxWorks, Inc.. 14

1.4.1.1.  Основные свойства LynxOS:. 14

1.4.1.2.  Поддержка приложений жёсткого реального времени. 15

1.4.2.    OS-9/Hawk фирмы Microware Systems.. 15

1.4.2.1.  Основные свойства OS-9/Hawk. 15

1.4.2.2.  Поддержка приложений жёсткого реального времени. 16

1.4.3.    VxWorks фирмы Wind River Systems.. 16

1.4.3.1.  Основные свойства VxWorks. 16

1.4.4.    QNX4 фирмы ОРАКУЛ.. 17

1.4.4.1.  Основные свойства QNX4. 17

1.4.4.2.  Поддержка приложений жёсткого реального времени. 17

1.4.5.    Вывод.. 17

1.5.   Методология разработки программного обеспечения.. 17

1.5.1.    История развития.. 18

1.5.2.    Разработка программного обеспечения систем реального времени.. 18

1.5.3.    Вывод.. 19

1.6.   Постановка задачи курсового проекта.. 19

2.      Модели и методы предметной области.. 21

2.1.   Определения.. 21

2.2.   Принципиальная структура.. 22

2.2.1.    Среда исполнения.. 22

2.2.2.    Ядро систем реального времени.. 22

2.2.2.1.  Синхронизация ресурсов. 23

2.2.2.2.  Межзадачный обмен. 23

2.2.2.3.  Разделение данных. 23

2.2.2.4.  Обработка запросов внешних устройств. 23

2.2.2.5.  Обработка особых ситуаций. 23

2.2.3.    Пикоядро.. 24

2.3.   Методы управления задачами в ОС РВ.. 24

2.3.1.    Классификация подходов.. 24

2.3.1.1.  Статическое планирование. 24

2.3.1.2.  Динамическое планирование. 24

2.3.1.3.  Планирование, основанное на  времени. 25

2.3.1.4.  Планирование апериодических задач. 25

2.3.1.5.  Планирование, управляемое приоритетами. 25

2.3.2.    Обзор методов.. 26

2.3.2.1.  Rate-monotonic (RM). 26

2.3.2.2.  Deadline Monotonic (DM). 26

2.3.2.3.  Планирование апериодических задач. 27

2.3.2.4.  EDF. 27

2.3.2.5.  Сервер, допускающий задержку (DS) и Алгоритм обмена приоритетами (PE). 28

2.4.   Методология разработки программного обеспечения.. 28

2.4.1.    Основы методологии Real.. 28

2.4.2.    Модель требований.. 29

2.4.3.    Динамическая модель.. 29

2.4.4.    Статическая модель.. 30

3.      Реализация прототипа системы реального времени.. 31

3.1.   Жизненный цикл разработки.. 31

3.2.   Планировщик заданий.. 31

3.2.1.    Выбор алгоритма планирования.. 31

3.2.1.1.  Виды требований РВ, поддерживаемые планировщиком. 31

3.2.1.2.  Используемые алгоритмы. 32

3.2.2.    Описание функционирования приложения.. 33

3.2.2.1.  Подготовка к запуску планировщика. 33

3.2.2.2.  Работа. 33

3.2.2.3.  Управление задачами. 34

3.3.   Реализация протокола ARINC A.415 на основе разработанного модуля СРВ.  34

3.3.1.    Модель требований к системе.. 34

3.3.1.1.  Описательная модель. 34

3.3.1.2.  Модель случаев использования. 35

3.3.1.3.  Функциональная модель. 35

3.3.2.    Динамическая модель.. 35

3.3.2.1.  Модель объектов. 35

3.3.2.2.  Модель взаимодействий. 35

3.3.2.3.  Поведенческая модель. 36

3.3.3.    Статическая модель.. 37

3.3.3.1.  Модель классов. 37

Заключение.. 39

Литература.. 40

Приложение.. 41

Введение.

Новый этап научно-технической революции был обусловлен повсеместным распространением вычислительной техники. Сейчас уже трудно найти вид деятельности, который тем или иным способом не поддерживался бы не просто автоматизированными, но и компьютеризированными устройствами. Такая организация жизнедеятельности позволяет не только выполнять заранее заданные алгоритмы управления производством, но и вносить в него элементы автоматизации интеллектуальной деятельности, элементы искусственного интеллекта. Использование таких технологий в жизненно важных отраслях, таких как авиация, банковское дело и других, требующих жёстко заданных требований к принятию решений, накладываемых на время, точность и безопасность деятельности данных систем, обуславливает необходимость создания особо надежных их видов – систем реального времени.

Управление процессом предоставления ресурсов системы задачам, нитям, процедурам обработки прерываний и т.д. является одной из основных функций любой операционной системы и осуществляется при помощи такого механизма, как планирование. Данный механизм обеспечивает системе возможность параллельного выполнения нескольких задач. В системах реального времени планирование должно также гарантировать предсказуемое поведение, безопасность, возможность длительной, безотказной работы, выполнение задач к поставленному сроку. От метода планирования во многом зависит успешная работа системы в целом.

С другой стороны, увеличение объемов производства и разнообразия средств микропроцессорной техники, расширение сфер их применения приводит к необходимости разработок различных операционных систем реального времени - от компактных, рассчитанных на обслуживание одночиповых микро-контроллеров, до мощных сетевых систем. Путь к удовлетворению требований высокой эффективности и надежности этих систем лежит через повышение ясности и стройности их логической организации.

Это обстоятельство выдвигает актуальные задачи разработки рационально организованных базовых структур, которые представляли бы в обобщенном виде ключевые принципы организации вариантов операционных систем, ориентированных на достижение того или иного типа эффективности. Для этой цели выдвигаются различные методологии разработки соответствующих систем. Особенную актуальность приобрели объектно-ориентированные методологии, опирающаяся на выгоды разработки при помощи объектных языков высокого уровня (в частности, С++).

В данной работе необходимо будет провести анализ предметной области  ОС РВ. В виде фокус-группы  логично было бы выбрать встраиваемые системы реального времени, предлагаемые в данный момент на рынке программного обеспечения России, сведения по которым размещены в сети Internet. Анализ проводится по результатам пресс-релизов подобных систем, в которых подчёркнуты опции, являющиеся наиболее важными для современных потребителей. Данное исследование позволит установить требования к системам реального времени, востребованные разработчиками в настоящее время, и общие методики удовлетворения этих требований.

В связи с обширностью проблемной области имеет смысл дать основополагающие определения и развёрнутые толкования отдельных терминов, имеющих особую важность. В этой связи будет рассмотрена принципиальная структура систем реального времени и выделена наиболее распространённая и общепризнанная в данный момент.

В данной работе будут рассмотрены подходы к задаче выбора приемлемого алгоритма планирования на основе сведений об алгоритмах, предполагаемой модели задач и структурных характеристик будущей системы. Предполагается выделить алгоритм планирования, ориентированный на разработку программного обеспечения систем контроля реального времени, и использовать его при  создании прототипа модуля-диспетчера для заданий реального времени, который будет подключаться к программе пользователя. Данный модуль будет предоставлять интерфейс для формирования заданий с определёнными требованиями ко времени выполнения.

На основе спроектированного планировщика с использованием специальной методологии можно будет реализовывать прикладные приложения реального времени. В частности, будет реализован протокол A.415 ARINC, используемый во встроенных системах реального времени самолётов ведущих авиаперевозчиков. Это протокол опроса бортовых устройств, позволяющий в заранее обозначенный промежуток времени получить от них информацию и сигнализировать о неисправности в оборудовании. Такое приложение в наибольшей степени подходит как для анализа прототипа создаваемой СРВ, так и для используемой методологии.

При проектировании реализации протокола основной акцент планируется сделать на принципах его функционирования, соответствии заявленным требованиям и достигаемом уровне надёжности. Аппаратные требования, предъявляемые к используемому оборудованию, и, в целом, проблемы портирования рассмотрены не будут. В дальнейшем при претворении проекта в жизнь возможен анализ этих параметров для оптимизации вычислений в наиболее ресурсоёмких точках работы планировщика.

Диаграмма 1. Этапы жизненного цикла разработки.

1.    Обзор требований проблемной области.

1.1.     Особенности систем реального времени.

Для начала стоит дать определение операционных систем реального времени. Оно взято из [13]. Данное определение не является классическим, однако обладает тем преимуществом, что позволяется в общих чертах представить себе отличия ОС, рассматриваемых в данной работе от других аналогичных программ.

Операционные системы реального времени (ОС РВ) — управляющее ПО особого типа, часто используемое для организации работы встроенных компьютерных приложений, для которых характерны ограниченность ресурсов памяти, невысокая производительность, а также требования гарантированного времени отклика, высокого уровня готовности и наличия средств автомониторинга.

А теперь рассмотрим упомянутое в определении более подробно.

1.1.1.  Ограниченное время ответа.

По сути, система реального времени - это аппаратно-программный комплекс, реагирующий в предсказуемые времена на непредсказуемый поток внешних событий. Это означает, что:

·     Она должна успеть отреагировать на событие, произошедшее на объекте, в течение времени, критического для этого события (meet deadline). Величина критического времени для каждого события определяется объектом и самим событием, и, естественно, может быть разной, но время реакции системы должно быть предсказано (вычислено) при создании системы. Отсутствие реакции в предсказанное время считается для СРВ ошибкой.

·     Система должна успевать реагировать на одновременно происходящие события. Даже если два или больше внешних событий происходят одновременно, система должна успеть среагировать на каждое из них в течение интервалов времени, критического для этих событий.

По последствиям выхода за пределы интервала СРВ делятся на мягкие и жёсткие.

Системы жесткого реального времени не допускают никаких задержек реакции системы ни при каких условиях, так как:

·     результаты могут оказаться бесполезны в случае опоздания;

·     может произойти катастрофа в случае задержки реакции;

·     стоимость опоздания может оказаться бесконечно велика.

Системы мягкого реального времени характеризуются тем, что задержка реакции не критична, хотя и может привести к увеличинию стоимости результатов и снижению производительности системы в целом.

Основное отличие между системами жесткого и мягкого реального времени можно выразить так: система жесткого реального времени никогда не опоздает с реакцией на событие, система мягкого реального времени - не должна опаздывать с реакцией на событие.

В таблице 3 приведены времена отклика для нескольких ОС РВ.

1.1.2.  Статическая основа проектирования.

Кроме того, применение операционных систем реального времени всегда конкретно. Если ОС общего назначения обычно воспринимается пользователями (не разработчиками) как уже готовый набор приложений, то операционная система реального времени служит только инструментом для создания конкретного аппаратно-программного комплекса реального времени.

Для большинства СРВ предполагается, что основная часть обрабатываемых данных априорно известна. Поэтому наиболее широкий класс пользователей операционных систем реального времени - разработчики комплексов реального времени, люди проектирующие системы управления и сбора данных. Проектируя и разрабатывая конкретную систему реального времени, программист всегда знает точно какие события могут произойти на объекте, знает критические сроки обслуживания каждого из этих событий.

1.1.3.  Портирование.

Управление прокатными станами, роботами, движение на автомагистралях, контроль за состоянием окружающей среды, управление атомными и космическими станциями и многое другое - область задач реального времени. Для различных областей применения ОС РВ существуют разные аппаратные платформы и для каждой необходимо портирование, т.е процесс «состыковки» программной части ОС и её аппаратного обеспечения.

При выборе аппаратной платформы для систем реального времени основополагающими моментами являются жесткие требования к временным характеристикам и гибкости системы. Требования к аппаратному обеспечению в настоящее время довольно чётко определены. Большинство проектов реального времени осуществляется в рамках архитектурных решений магистрально-модульных систем (ММС).

Однако, как бы ни была важна сама ОС РВ, сейчас в условиях доступности совместимых аппаратных средств основное внимание уделяется разработке и отладке прикладного программного обеспечения, чья доля в затратах на разработку систем реального времени составляет до 70%.

По среде в которой функционируют системы их можно разделить на классы: программирование на уровне микроконтроллеров, минимальное ядро СРВ, ядро СРВ и инструментальная среда, ОС с полным сервисом.

1.1.4.  Встроенные системы реального времени.

Следующее отличие - применение операционной системы реального времени всегда связано с аппаратурой, с объектом, с событиями, происходящими на объекте. Система реального времени, как аппаратно-программный комплекс, включает в себя датчики, регистрирующие события на объекте, модули ввода-вывода, преобразующие показания датчиков в цифровой вид, пригодный для обработки этих показаний на компьютере, и, наконец, компьютер с программой, реагирующей на события, происходящие на объекте. Операционная система реального времени ориентирована на обработку внешних событий. Именно это приводит к коренным отличиям (по сравнению с ОС общего назначения) в структуре системы, в функциях ядра, в построении системы ввода-вывода. Операционная система реального времени может быть похожа по пользовательскому интерфейсу на ОС общего назначения (к этому, кстати, стремятся почти все производители операционных системах реального времени), однако устроена она совершенно иначе – более подробно об этом в пункте 2.2.

В последнее время высокопроизводительные микропроцессоры, а с ними и операционные системы реального времени, все чаще используются в так называемых "глубоко встроенных" (deeply embedded) применениях. К таким компьютерным системам предъявляются два основных требования: малые габариты и низкая стоимость. Поэтому глубоко встроенные микропроцессорные системы ставят две проблемы на пути применения серийных ОС РВ: небольшие объемы используемой памяти и отсутствие "лишних" интерфейсов, по которым можно было бы связать целевую и инструментальную машины на этапе разработки встроенного ПО.

По структурным характеристикам программно-аппаратные комплексы можно разделить на классы: исполнительные системы реального времени, ядра реального времени, Unix’ы реального времени.

1.1.5.  Вывод.

Были рассмотрены центральные отличия систем реального времени от систем разделения времени. В основе этих отличий лежит главное требование к подобным системам – предсказуемость. Пользователи СРВ должны быть заранее уверены в том, что отклик на внешнее воздействие будет получен в обозначенный интервал времени. Это влечет за собой необходимость представлять себе какие объёмы данных несут в себе внешние воздействия и какими аппаратными возможностями по обработке этих данных располагает система. Вполне логично, что системы реального времени не ориентированы на взаимодействие с человеком, а предполагают самостоятельную работу в критичных точках инженерных систем.

1.2.      Особенности управления задачами.

1.2.1.  Управление временем.

Одним из основных свойств операционных систем реального времени является их способность изолировать друг от друга приложения, поэтому если в программе возникает сбой или выполняются какие-то нелегальные операции, ОС может быстро блокировать программу, инициировать восстановление и защиту других программ либо самой системы от серий вредоносных команд.

Если не выполняется обработка критических ситуаций либо она происходит недостаточно быстро, система жесткого реального времени прерывает операцию и блокирует ее, чтобы не пострадала надежность и готовность остальной части системы. Системы мягкого реального времени более «снисходительны» и «терпят» определенные, некритичные ошибки.

Особую важность приобретают такие инструменты как средства работы с таймерами, необходимые для систем с жестким временным регламентом. Развитость этих средств - необходимый атрибут операционных систем реального времени. Они, как правило, позволяют:

·     измерять и задавать различные промежутки времени (от 1 мкс и выше),

·     генерировать прерывания по истечении временных интервалов,

·     создавать разовые и циклические будильники.

1.2.2.  Управление памятью.

Система реального времени должна уметь управлять памятью в зависимости от критичности задач. Для устойчивой работы процессов требуются механизмы выделения памяти при их порождении, использования памяти при жизнедеятельности и освобождения.

ОС позволяет программистам изолировать совместно используемые библиотеки, данные и системное программное обеспечение, а также приложения. Та же самая защита предотвращает переполнение стеков памяти, вызываемое действиями любых программ.

1.2.3.  Управление доступом (синхронизация).

При одновременной работе нескольких процессов в многозадачной системе реального времени операционная система должна обеспечить устойчивый механизм для обмена информацией между запущенными процессами. Связь между процессами (Interprocess communication, сокращенно IPC) является ключом к разработке приложений как совокупности процессов, в которых каждый процесс выполняет отведенную ему часть общей задачи.

Для операционных систем реального времени характерна развитость IPC-механизмов. К таким механизмам относятся: семафоры, события, сигналы, средства для работы с разделяемой памятью, каналы данных (pipes), очереди сообщений. Многие из подобных механизмов используются и в ОС общего назначения, но их реализация в операционных системах реального времени имеет свои особенности - время исполнения системных вызовов почти не зависит от состояния системы, и в каждой операционной системе реального времени есть по крайней мере один быстрый механизм передачи данных от процесса к процессу.

1.2.4.  Вывод.

Так же как сами системы реального времени существенно отличаются от обычных ОС, так и способы выполнения задач в них имеют свою специфику. Работа по управлению их выполнением превращается в сложную инженерную задачу, которая включает в себя создание алгоритмов разделения ресурсов системы, планирования их независимого выделения и освобождения для задач системы.

1.3.     Классификация систем реального времени.

Количество операционных систем реального времени, несмотря на их специфику, очень велико. В обзоре журнала "Real-Time Magazine" ещё за март 97 года было упомянуто около шестидесяти систем. За прошедшие годы этих систем стало ещё больше. Если же добавить к их числу некоммерческие операционные системы реального времени, то мы получим вполне солидное число, отражающее заинтересованность современного общества в подобных системах. Однако сама специфика применения операционных систем реального времени требует гарантий надежности, причем гарантий в том числе и юридических - этим, видимо, можно объяснить тот факт, что среди некоммерческих систем реального времени нет сколько-нибудь популярных.

На рис. 5 дано компактное  представление классификации систем по трём различным признакам: класс (отсутствие РВ, мягкое РВ, жесткое РВ), сложность (одноадресное пространство, многоадресное/защищенное), стандартизация (частное решение, подмножество POSIX, только POSIX, UNIX и POSIX).

1.3.1.  Классификация по структурным характеристикам.

В мире операционных систем реального времени, как впрочем и в любой другой динамично развивающейся отрасли, в которой ещё нет установившейся достаточно строгой теории, существует несколько разнообразных подходов к построению подобных систем.

Страницы: 1, 2, 3, 4