Операційні системи реального часу (ОСРВ): особливості, типи


призначення ОСРВ

Операційні системи реального часу ОСРВ (Real Time Operating Systems – RTOS) відносяться до програмних засобів та призначені для обслуговування цифрових систем в тих випадках, коли:

● система повинна забезпечити не тільки результат обробки інформації, що надійшла, але і тривалість часу отримання результату. Від ОСРВ потрібно поряд з отриманням необхідного результату реалізувати задані тимчасові параметри: інтервали часу між подіями і відгуками або задану частоту прийому зовнішніх даних і видачі результатів;

● система здатна виконувати кілька завдань одночасно. типова мультизадачная операційна система виділяє кожній задачі (програми) однаковий інтервал часу, створюючи у користувача враження, що всі програми виконуються одночасно. Операційна система реального часу є окремим випадком мультизадачной операційної системи, оптимізованої для реалізації процесів управління. Вона швидко реагує на зовнішні події і дозволяє імітувати роботу декількох процесорів, кожен з яких контролює один пристрій. Тому для управління складною системою за допомогою одного процесора доцільно використовувати ОСРВ, яка здатна координувати виконання різних завдань. Прикладом ОСРВ може служити система управління ліфтами.

Принцип роботи ОСРВ

Під час отримання запиту проводиться перевірка на вхідні дані для вирішення завдання. При їх наявності завдання починає виконуватися. ЯКЩО необхідні вхідні дані відсутні, то ОСРВ переходить до наступної задачі (при наявності запиту на її виконання). Для отримання вхідних даних і запуску відповідного завдання використовуються переривання. Запуск завдання зазвичай проводиться шляхом її пересилання з черги чекають завдань в чергу завдань, призначених для виконання.

Кожне завдання має вхідної черги повідомлень, які вона може обробляти тільки протягом відведеного інтервалу часу або при запиті на переривання. Якщо відповідь займає надто багато часу, то завдання втягнений в чергу виконуваних команд, і управління передається наступній задачі.

Системні ресурси (дискові накопичувачі, таймери, пристрої введення-виведення та ін.) Зазвичай доступні тільки для певних завдань. Це дозволяє організувати чергу запитів до ресурсів таким чином, щоб запобігти одночасний доступ до одного ресурсу кільком завданням.

Вимоги до ОСРВ.

Сучасні ОС PB повинні відповідати таким вимогам:

● малий час відгуку (отримання результату);

● реалізація багатозадачного режиму з гнучким механізмом пріоритетів;

● малий обсяг пам’яті (достатній для розміщення в резидентної пам’яті прикладної системи);

● наявність сервісних функцій і засобів підтримки для розробки прикладних програм і ряд інших.

В даний час для розробки мікроконтролерних систем використовується ОСРВ, що мають різні характеристики і пройшли апробацію в таких областях застосування, як системи автоматизації виробництва, контрольно-вимірювальні системи, телекомунікаційна апаратура, авіаційно-космічна і військова техніка, транспорт, системи забезпечення безпеки та ін.

типи ОСРВ

Можна виділити два типи ОСРВ:

системи жорсткого реального часу, які займають невеликий обсяг пам’яті і мають мінімальні час відгуку, але мають досить обмеженими сервісними засобами. Вони реалізуються за модульним принципом, що дозволяє використовувати тільки ті кошти, які необхідні в даному додатку. В результаті для конкретного застосування досягається істотне скорочення обсягу необхідної пам’яті і часу відгуку;

● системи м’якого реального часу, які вимагають більшого обсягу пам’яті, мають більш тривалий час відгуку, але зате задовольняють широкому спектру вимог користувача по режиму обслуговування завдань, рівнем сервісу, що надається. Засоби інтерфейсу систем м’якого реального часу дозволяють використовувати високоефективні отладчики або інтегровані середовища розробки.

Система м’якого реального часу.

Цей вид систем розглянемо на прикладі системи OS-9 фірми Microwave Systems. Як інструментальний комп’ютера OS -9 використовує IBM – PC, що працюють в середовищі Windows, або робочі станції Sun, HP, IBM RS / 6000 з операційними системами типу UNIX. характерні особливості OS -9:

● модульність, яка забезпечує можливість зміни цільової ОСРВ відповідно до класу вирішуваних завдань. Виключаючи невикористовувані модулі, можна скоротити обсяг пам’яті і знизити вартість системи;

● гнучкість структури, що забезпечує реконфігурацію системи і
розширення її функціональних можливостей. функціональні компоненти OS-9:

● ядро ​​реального часу (OS -9 kernel);

● загальні засоби введення / виводу (I / O man);

● файлові менеджери;

● засоби розробки програм.

Функціональні компоненти OS -9 виконані у вигляді автономних модулів, які можуть вилучатися або додаватися за допомогою простих команд, які не потребують повторної компіляції або перекомпонування. Комбінуючи модулі, можна створювати цільові операційні системи з різними функціональними можливостями.

Розглянемо Перераховані вище функціональні компоненти.

Ядро реального часу

Система містить два види ядер:

● ядро ​​Atomic, що реалізує мінімальну кількість сервісних функцій (дистанційну завантаження, зв’язок з локальною мережею, управління веденими мікроконтролерами). Ядро застосовується в системах, що вбудовуються в різну апаратуру, має малий обсяг (24 Кбайт) і забезпечує мінімальний час відгуку (3 мкс при тактовій частоті 25 МГц);

● ядро ​​Standard, що забезпечує виконання широкого набору функцій сервісу та розробки прикладних програм, для реалізації яких потрібен більший обсяг пам’яті (до 512К байт ПЗУ і 38К байт ОЗУ). Шляхом зміни функціонального модуля ядра можна реалізувати системи різної складності і призначення: від вбудованих в апаратуру контролерів саморозміщуваних програмним забезпеченням і найпростішими засобами введення / виводу до складно функціональних систем класу робочих станцій з розвиненою мережевий підтримкою і забезпеченням різноманітних функцій сервісу, включаючи мультимедіа.

Система OS -9 надає користувачеві можливість вибору ядра в залежності від функціонального призначення системи. Загальні засоби введення / виводу. Фізичний інтерфейс OS -9 з різноманітними зовнішніми пристроями забезпечується великим набором драйверів, створених як фірмою Microwave Systems, так і численними розробниками апаратури, що використовує цю операційну систему для конкретних додатків. Файлові менеджери. До них відносяться модулі, що управляють логічними потоками даних. Кожен з модулів має певне функціональне призначення і специфікацію. Файлові менеджери можна розділити на три групи:

● стандартні менеджери, призначені для виконання таких базових функцій обміну з зовнішніми пристроями як організація черги вступників команд, управління байтовим і блоковим послідовним обміном і обміном з прямим доступом до пам’яті;

● мережеві і комунікаційні менеджери, що забезпечують роботу OS -9 з різними мережами і обмін даними по каналах зв’язку з найпоширенішими стандартами протоколів обміну;

● менеджери графічного інтерфейсу і роботи з мультимедіа-додатками. Засоби розробки програм. У складі OS -9 є пакет програм (BSP) для підтримки плат розвитку, який забезпечує спільну роботу OS-9 з цілою низкою SBC (Single Board Computer – одноплатний комп’ютер). Спільне використання BSP і OS-9 дозволяє настроїти цільову систему для конкретного додатка.

Система OS-9 містить засоби підтримки програмування: компілятори Ultra C / C ++, текстовий редактор ЕМ ACS, три види (в тому числі символьних) отладчиков, набір утиліт для організації контролю і складання програмних продуктів. Крім цього є великий набір (сумісних з OS -9) коштів підтримки програмування, які розроблені іншими фірмами. Інтегроване середовище розробки FasTra к. Середа FasTrak поставляється разом з OS-9 і надає користувачеві найбільш повний комплект засобів програмування і налагодження. Частина програмних засобів FasTrak інсталюється на інструментальному комп’ютері, а частина – на цільовій системі користувача. Середа FasTrak інтегрує всі кошти, необхідні для підтримки проектування / налагодження цільових систем. Версія середовища FasTrak для роботи на інструментальному комп’ютері IBM – PC містить:

● текстовий редактор, який володіє засобами перекодування клавіатури, що дозволяє вести редагування в зручному для користувача форматі;

● компілятори Ultra C / C ++;

● отладчики, що забезпечують два режими налагодження: призначений для користувача – для створення прикладних програм, і системний – для обслуговування переривань, системних викликів і звернення до ядру реального часу;

● засоби інтерфейсу з логічними аналізаторами фірми.

Середа FasTrak володіє широкими функціональними можливостями, що робить її ефективним засобом створення програмного забезпечення для різних мікроконтролерних систем.

Фірма Microware Systems поставляє ряд системних пакетів, орієнтованих на різні сфери застосування:

● Wirel
ess OS -9 – для розробки пристроїв бездротового зв’язку: стільникових телефонів, пейджерів, портативних цифрових асистентів (PDA);

● Internet OS -9 – для розробки пристроїв з доступом до мережі Internet;

● Digital Audio / Video Interactive Decoder (DAVID) OS -9 – для розробки розподілених систем цифрового інтерактивного телебачення.

Система жорсткого реального часу

Особливості цього виду систем розглянемо на прикладі системи VxWorks фірми WindRiver Systems, призначеної для роботи з родинами мікропроцесорів багатьох виробників. Система VxWorks інсталюється на отлаживаемой цільової системі і працює спільно з інтегрованим середовищем розробки Tornado, що функціонує на інструментальному комп’ютері. Як інструментальний комп’ютера використовуються IBM – PC, що працюють в середовищі Windows, або робочі станції SUN, HP і ін. Короткий опис системи VxWorks. Нижнім рівнем ієрархічної організації системи служить микроядро реального часу, що виконує базові функції планування завдань і управління їх зв’язком і синхронізацією. Мінімальний набір модулів ядра займає 20-40К байт пам’яті. Всі інші функції – управління пам’яттю, введенням / висновком, мережевим обміном і інші, реалізуються додатковими модулями. Для підтримки графічних додатків VxWorks має графічним інтерфейсом VX-Windows.

При обмеженому обсязі пам’яті цільової системи можна скористатися графічною бібліотекою RTGL, яка містить базові графічні примітиви, набори шрифтів і квітів, драйвери типових пристроїв введення та графічних контролерів. До складу VxWorks входять також різні засоби підтримки різноманітних мережевих протоколів. трасування заданих подій і їх накопичення в буферній пам’яті для подальшого аналізу виконують в реальному часі спеціальні засоби налагодження, а трасування системних подій – динамічний аналізатор WindView. Аналізатор WindView працює аналогічно логічного аналізатору, відображаючи на екрані тимчасові діаграми перемикання завдань, записи в чергу повідомлень і інші процеси. Монітор даних Stethoscope дозволяє аналізувати динамічна зміна призначених для користувача і системних змінних, включаючи в себе також профілювальник процедур. У складі VxWorks є:

● пакет програм для підтримки плат розвитку;

● симулятор VxSim, що дозволяє моделювати на інструментальному комп’ютері многозадачную середу VxWorks і інтерфейс з цільовою системою, а також розробляти і налагоджувати програмне забезпечення без підключення цільової системи.

Для комплексного налагодження цільових систем VxWorks забезпечує інтерфейс з схемними емуляторами і емуляторами ПЗУ. Інтегроване середовище розробки Tornado . До складу Tornado входить система VxWorks 5.3, що включає ядро ​​реального часу і системні бібліотеки, засоби програмування, високорівнева відладчик і ряд інших засобів системи. Додаткові кошти середовища Tornado забезпечують управління процесом налагодження, візуалізацію стану цільової системи, інші сервісні функції. Відкрита архітектура середовища Tomado дозволяє користувачеві підключати власні спеціалізовані інструментальні засоби і розширювати можливості стандартних засобів.

Операційна система реального часу VxWorks разом з інтегрованим середовищем Tornado є потужним засобом реалізації цільових систем, що працюють в умовах жорстких обмежень на обсяг використовуваної пам’яті і час відгуку на зовнішні події.

Ссылка на основную публикацию