Операционные системы реального времени 1 Responses

Операционные системы реального времени 1

Responses = F( Events, T ) Отклики (Responses) События (Events) Система реального времени - такая система, корректность функционирования которой определяется не только корректностью выполнения вычислений, но и временем, в которое получен требуемый результат. T (time) Система должна завершить обработку события (выработать отклик) не позднее заранее определенного момента времени. Система управляет обработкой большого количества разных событий. 2

Определение «реального времени» Реальное время определяется соотношением срока исполнения и временем отклика. Реальное время не зависит от того, “быстрая” система или “медленная” (то есть не зависит от единиц измерения времени). Событие (event) Обработка Отклик (service, response) Время обработки (Computation Time, C) Задержка (Jitter, J) Время отклика (Response Time, R) t Срок исполнения (Deadline, D) Обработка “в реальном времени” означает “вовремя” 3

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. 4

Общие характеристики СРВ: большие и сложные системы; распределенные системы; жесткое взаимодействие с аппаратурой; выполнение задач зависит от времени; сложность тестирования. 5

Принципы построения операционной среды СРВ (1) ОС СРВ должна управлять множеством программных процессов, которые имеют следующий алгоритм функционирования: НАЧАЛО Инициализация – выполняется только 1 раз в момент запуска процесса, включает присвоение начальных значений переменных, настройка технических средств, выделение ресурсов ИНИЦИАЛИЗАЦИЯ СОБЫТИЕ ? ОБРАБОТКА нет Событие может быть внешнее (запрос от внешнего объекта) или внутреннее (от другого процесса) Обработка - обработка события; - реакция на событие; - порождение нового внутреннего события. 6

Принципы построения операционной среды СРВ (2) Программный процесс 1 время Событие 1 Программный процесс 2 время Событие 2 Программный процесс 3 время Событие 3 7

Принципы построения операционной среды СРВ (3) Программный процесс 1 время Событие 1 Программный процесс 2 время Событие 2 Программный процесс 3 время Событие 3 8

Принципы построения операционной среды СРВ (4) Объектом управления ОС СРВ является не прикладная программа, а процесс ее исполнения – программный процесс. Функции ОС СРВ: q Управление техническими средствами, которое выполняет задачу распределения технических средств между конкурирующими за них процессами; q Управление программными процессами. 9

Требования, предъявляемые к СРВ 1. СРВ должна быть исключительно надежной. 2. СРВ должна быть экономически эффективной. 3. СРВ должна оперативно реагировать на все изменения, происходящие с внешним объектом. 4. СРВ должна эффективно управлять работой разнообразных устройств, входящих в систему управления. 10

Классификация ОСРВ можно разделить на системы специализированные и универсальные: Специализированной СРВ называется система, где конкретные временные требования априори определены. Такая система должна быть специально спроектирована для удовлетворения этих требований. Универсальная СРВ должна уметь выполнять произвольные (заранее не определенные) временные задачи без применения специальной техники. Разработка таких систем безусловно является самой сложной задачей, хотя обычно, требования, предъявляемые к таким системам, мягче чем требования для специализированных систем. 11

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. Системы мягкого реального времени называется система, где неспособность обеспечить реакцию на какие-либо события в заданное время не является отказом, а ведет только к понижению производительности. 12

Жесткое реальное время событие Время обработки (Computation Time, C) Время отклика (Response Time, R) t Жесткий срок исполнения (Hard Deadline, D) Жесткое реальное время (hard real time) требует, чтобы время отклика никогда не превышало срок исполнения (т. е. R меньше либо равно D). В случае, если срок исполнения истекает, а отклик не был выработан, происходит фатальный отказ системы. Примеры: • система управления двигателем • система торможения • подушка безопасности Требуется в большинстве встроенных приложений! 13

Мягкое реальное время событие Время обработки (Computation Time, C) Время отклика (Response Time, R) t Срок исполнения c допуском (Soft Deadline, D) Мягкое реальное время (soft real time) допускает флуктуации времени отклика при условии, что среднее время отклика равно сроку исполнения (т. е. R в среднем равно D). Система работает хуже (деградирует), но сохраняет работоспособность даже если срок исполнения иногда просрочен. Примеры: • экранный редактор • сеть передачи данных • сервер базы данных 14

Комбинированное реальное время событие Время обработки (Computation Time, C) Время Отклика (Response Time, R) t Срок исполнения с допуском (Soft Deadline, Dsoft) Жесткий срок исполнения (Hard Deadline, Dhard) Комбинированное реальное время (firm real time) комбинирует два срока выполнения - короткого «с допуском» и более длинного «жесткого» (т. е. R в среднем равно Dsoft, но меньше либо равно Dhard). Примеры: • мультимедиа приложения; • высокоскоростные сети передачи данных. 15

Для того, чтобы ОС могла использоваться как основа приложения реального времени, она должна удовлетворять требованиям: • исполнимость: предсказуемость работы приложения жесткого реального времени при любой (допустимой) нагрузке; • одновременная обработка событий различного типа, времени возникновения и сроками исполнения (в том числе c существенно различными периодами и сроками исполнения); • относительная простота модификации приложения при добавлении событий или изменении параметров событий (например, при уменьшении периода событий); • надежность (отсутствие сбоев и крахов); • минимально возможное потребление ресурсов - памяти и процессорного времени. 16

Функции ОСРВ Ø обеспечение бесконфликтного взаимодействия множества параллельных задач (процессов) с аппаратурой; Ø бесконфликтное разделение общих ресурсов вычислительной системы (память, диски и т. п. ); Ø обеспечение безопасной передачи данных между процессами в защищённых адресных пространствах; Ø обеспечение стандартных средств доступа к ресурсам; Ø обеспечение стандартных телекоммуникаций и сетевой поддержки; Ø поддержка службы времени (системных и сетевых таймеров); Ø создание вычислительной среды повышенной надёжности. 17

Архитектуры ОСРВ с монолитной архитектурой прикладной уровень системный уровень É относительно высокая скорость работы плохая предсказуемость поведения, вызванная сложным взаимодействием модулей системы между собой. - 18

Архитектура уровневой ОС + Прикладное ПО имеет возможность получить доступ к аппаратуре не только через ядро системы и ее сервисы, но и напрямую. + По сравнению с монолитной такая архитектура обеспечивает значительно большую степень предсказуемости реакций системы, а также позволяет осуществлять быстрый доступ прикладных приложений к аппаратуре. Главным недостатком таких систем является отсутствие многозадачности. 19

Построение ОС с использованием архитектуры клиент-сервер (на основе микроядра) ü Повышается надежность ОС, т. к. каждый сервис является, по сути, самостоятельным приложением и его легче отладить и отследить ошибки. ü Такая система лучше масштабируется, поскольку ненужные сервисы могут быть исключены из системы без ущерба для ее работоспособности. ü Повышается отказоустойчивость системы, т. к. «зависший» сервис может быть перезапущен без перезагрузки системы. 20

Объектно-ориентированная ОСРВ 21

Многозадачность в системе с одним процессором 22