Системы и ОС реального времени

Системы реального времени часто используются как управляющие устройства для специальных приложений, - например, для научных экспериментов; в медицинских системах, связанных с изображениями; системах управления в промышленности; системах отображения (display); системах управления космическими полетами, АЭС и др. Для таких систем характерно наличие и выполнение четко определенные временные ограничения (время реакции – response time; время наработки на отказ и др.).

Различаются системы реального времени видов hard real-time и soft real-time.

Hard real-time – системы – системы реального времени, в которых при нарушении временных ограничений может возникнуть критическая ошибка (отказ) управляемого ею объекта. Примеры: система управления двигателем автомобиля; система управления кардиостимулятором. В таких системах вторичная память ограничена или отсутствует; данные хранятся в оперативной памяти (RAM) или постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ, ROM). При использовании таких систем возможны конфликты с системами разделения времени, не имеющие места для ОС общего назначения. Выражаясь более простым языком, при работе подобных систем не допускаются прерывания; все необходимые данные для основного цикла работы системы должны предварительно быть загружены в память; процесс, выполняющий код такой системы, не должен подвергаться откачке на диск. ОС для таких систем обычно упрощены, вместо виртуальной памяти выделяется физическая, все другие виды виртуализации ресурсов исключены. Популярной практикой разработки ОС реального времени является практика разработки таких ОС на основе открытых исходных кодов ОС общего назначения путем "отсечения всего лишнего". Однако при этом следует соблюдать осторожность. Автору приходилось консультировать разработчиков системы реального времени для "Эльбруса", которые использовали для своей системы низкоуровневую процедуру выделения физической памяти, но не учли ее возможных конфликтов с общей системой виртуальной памяти ОС Эльбрус; в результате выделяемая память иногда "портилась" … в результате изменения связующей информации в списке областей свободной памяти, который использовался механизмом виртуальной памяти "Эльбруса".

Soft real-time – системы – системы реального времени, в которых нарушение временных ограничений не приводит к отказу управляемого ею объекта. Обычно это системы управления несколькими взаимосвязанными системами с постоянно изменяющейся ситуацией. Пример - система планирования рейсов на коммерческих авиалиниях.В случае какой-либо задержки в работе такой системы, в худшем случае, пассажирам некоторых рейсов придется немного подождать в аэропорту, но никаких фатальных последствий не будет. Подобные системы имеют ограниченную полезность для промышленных систем управления и в робототехнике. Они также полезны в современных приложениях (например, для мультимедиа и виртуальной реальности), требующих развитых возможностей ОС.

Тем не менее, современные средства коммуникации (например, Wi-Fi) и совместимые с персональными компьютерами порты и внешние модули памяти начинают использоваться и на карманных и мобильных устройствах.

Рис. 3.2. Структура клиент-серверной системы

Развитие концепций и возможностей ОС представлено на рис. 3.3.

На схеме хорошо видны аналогичные "волны" ("витки") развития ОС - сначала для mainframe-компьютеров, затем – для миникомпьютеров, для персональных и для карманных компьютеров. Каждая волна проходит в своем развитии определенные этапы. ОС развиваются от резидентных мониторов до поддержки пакетного режима (для ранних моделей компьютеров), затем – режима разделения времени, многопользовательских и сетевых возможностей.

Вычислительные среды

В современном мире ИТ имеет место тенденция к интеграции описанных выше устройств и их локальных сетей в вычислительные среды – интегрированные распределенные компьютерные системы для решения задач в различных проблемных областях. Вычислительные среды подразделяются на следующие виды:

традиционные вычислительные среды – локальные и региональные сети, используемые в течение нескольких десятков лет;

Web-ориентированные вычислительные среды – вычислительные среды на основе Web-сервисов, характерные для настоящего времени, начиная с 1990-х гг.; к этому классу относятся и среды для облачных вычислений;

встроенные (embedded) вычислительные среды – вычислительные среды для специализированных устройств, например, сети микропроцессоров, встроенных в элементы линии электропередач.

Все эти виды вычислительных сред должны адекватно обслуживаться операционными системами, в чем и состоят ближайшие задачи их разработки.

Облачные вычисления и ОС для облачных вычислений

Облачные вычисления (сloud computing) являются одним из наиболее популярных направлений развития ИТ. "Облако" (cloud) – это уже десятки лет используемая метафора для изображения сервисов, предоставляемых через Интернет или другую коммуникационную сеть (например, через ATM-сеть). Облачные вычисления – модель вычислений, основанная на динамически масштабируемых (scalable) и виртуализованных ресурсах (данных, приложениях, ОС и др.), которые доступны и используются как сервисы через Интернет и реализуются с помощью высокопроизводительных центров обработки данных (data centers)

С точки зрения пользователей, существует совокупность "облаков" (общедоступные, корпоративных, частных и др.), предоставляемых различными компаниями, для использования мощных вычислительных ресурсов, которых нет у индивидуального пользователя. Как правило, "облачные" сервисы платные. Из бесплатных назовем Windows Live (http://www.live.com; см. лабораторную работу номер 6).

Недостаток облачных вычислений в том, что пользователь оказывается полностью зависимым от используемого им "облака" (в котором доступны используемые им данные и программы) и не может управлять не только работой "облачных" компьютеров, но даже резервным копированием своих данных. В связи с этим возникает целый ряд важных вопросов о безопасности облачных вычислений, сохранении конфиденциальности пользовательских данных и т.д.; далеко не все из них на данный момент решены.

Серьезной проблемой организации облачных вычислений с точки зрения аппаратуры центров обработки данных является экономия электроэнергии и проблема распределения загрузки, так как облачные вычисления в каждом центре обработки данных имеют (или в ближайшем будущем будут иметь) миллионы удаленных пользователей.

Наиболее популярная "облачная" платформа – Microsoft Windows Azure (облачная ОС) и Microsoft Azure Services Platform (реализованная на основе Microsoft.NET). Windows Azure можно рассматривать как "ОС в облаке". Пользователю нет необходимости беспокоиться о ее инсталляции на его компьютере, который может не иметь для этого необходимых ресурсов. Все, что требуется, это иметь Web-браузер и минимальный пакет надстроек (plug-ins) для запуска и использования через браузер облачных сервисов.

В настоящее время все крупные компании (Microsoft, IBM, HP, Dell, Oracle и др.) разрабатывают свои системы облачных вычислений; имеется тенденция к интеграции этих корпоративных систем в единое доступное пользователю "облако".

Набор для практики

Вопросы

Назовите основные возможности и особенности ОС для персональных компьютеров.

Какие внешние устройства используются для персональных компьютеров?

Что такое double bootable system и boot loader?

Что такое мультипроцессорная система?

Что такое тесно связанная компьютерная система?

Как организованы многоядерные компьютеры?

Каковы преимущества параллельных компьютерных систем?

В чем различие между симметричными и асимметричными мультипроцессорными системами?

Назовите основные разновидности компьютерных сетей.

Каковы основные виды серверов в клиент-серверных системах?

Назовите виды кластерных вычислительных систем.

В чем отличие hard real-time систем от soft real-time систем реального времени?

Каковы возможности и недостатки (ограничения) карманных и мобильных компьютерных систем и их ОС?

Назовите основные этапы развития операционных систем для каждой разновидности компьютеров (mainframes, миникомпьютеры и т.д.).

Назовите основные виды вычислительных сред.

Что такое облачные вычисления, в чем их возможности и недостатки?

Упражнения

Предложите и опишите желательную для Вас конфигурацию настольного офисного компьютера, на котором удобно было бы выполнять любые повседневные операции (объем памяти, быстродействие, объем жесткого диска, порты, внешние устройства).

Предложите оптимальную конфигурацию портативного компьютера (ноутбука), удобного для поездок и максимально компактного.

Имеется компьютер с четырехъядерным процессором. Предложите схему распределения его ядер для исполнения ОС, пользовательских программ, параллельных процессов и потоков.

Имеется 16-процессорный компьютер. Предложите схему реализации на этом компьютере параллельного алгоритма умножения двух матриц 4*4, с параллельным вычислением столбцов матрицы-результата.

В Вашем офисе для организации локальной сети имеются шесть компьютеров. Предложите распределение между ними необходимых серверных функций (файл-сервер, сервер электронной почты и др.).

Опишите желаемый минимальный набор портов и адаптеров для карманной вычислительной системы, удобный для сетевого взаимодействия, использования Интернета, взаимодействия с настольным компьютером.

На основе рассмотренной в лекции схемы развития ОС, попытайтесь предсказать ход развития операционных систем и инструментов для облачных вычислений – какие новые возможности появятся в них в ближайшие 3-5 лет?

Темы для курсовых работ, рефератов, эссе

Обзор ОС для персональных компьютеров (реферат).

Обзор ОС для карманных и мобильных компьютерных систем (реферат).

Обзор ОС и инструментальных средств для облачных вычислений (реферат).

Обзор параллельных компьютерных систем и их ОС (реферат).

Обзор клиент-серверных архитектур и видов серверов в современных распределенных системах (реферат).

Реализуйте локальную сеть из 6 имеющихся компьютеров с ОС Windows в офисе Вашей фирмы - практическая курсовая работа.

Найдите в Интернете бесплатные облачные сервисы (например, на сайте kaavo.com), подпишитесь на них, воспользуйтесь ими для решения какой-либо простой задачи (например, вычисления скалярного произведения двух векторов) и опишите свои впечатления и выводы - практическая курсовая работа.

Набор для практики

Вопросы

Назовите основные возможности и особенности ОС для персональных компьютеров.

Какие внешние устройства используются для персональных компьютеров?

Что такое double bootable system и boot loader?

Что такое мультипроцессорная система?

Что такое тесно связанная компьютерная система?

Как организованы многоядерные компьютеры?

Каковы преимущества параллельных компьютерных систем?

В чем различие между симметричными и асимметричными мультипроцессорными системами?

Назовите основные разновидности компьютерных сетей.

Каковы основные виды серверов в клиент-серверных системах?

Назовите виды кластерных вычислительных систем.

В чем отличие hard real-time систем от soft real-time систем реального времени?

Каковы возможности и недостатки (ограничения) карманных и мобильных компьютерных систем и их ОС?

Назовите основные этапы развития операционных систем для каждой разновидности компьютеров (mainframes, миникомпьютеры и т.д.).

Назовите основные виды вычислительных сред.

Что такое облачные вычисления, в чем их возможности и недостатки?

Упражнения

Предложите и опишите желательную для Вас конфигурацию настольного офисного компьютера, на котором удобно было бы выполнять любые повседневные операции (объем памяти, быстродействие, объем жесткого диска, порты, внешние устройства).

Предложите оптимальную конфигурацию портативного компьютера (ноутбука), удобного для поездок и максимально компактного.

Имеется компьютер с четырехъядерным процессором. Предложите схему распределения его ядер для исполнения ОС, пользовательских программ, параллельных процессов и потоков.

Имеется 16-процессорный компьютер. Предложите схему реализации на этом компьютере параллельного алгоритма умножения двух матриц 4*4, с параллельным вычислением столбцов матрицы-результата.

В Вашем офисе для организации локальной сети имеются шесть компьютеров. Предложите распределение между ними необходимых серверных функций (файл-сервер, сервер электронной почты и др.).

Опишите желаемый минимальный набор портов и адаптеров для карманной вычислительной системы, удобный для сетевого взаимодействия, использования Интернета, взаимодействия с настольным компьютером.

На основе рассмотренной в лекции схемы развития ОС, попытайтесь предсказать ход развития операционных систем и инструментов для облачных вычислений – какие новые возможности появятся в них в ближайшие 3-5 лет?

Темы для курсовых работ, рефератов, эссе

Обзор ОС для персональных компьютеров (реферат).

Обзор ОС для карманных и мобильных компьютерных систем (реферат).

Обзор ОС и инструментальных средств для облачных вычислений (реферат).

Обзор параллельных компьютерных систем и их ОС (реферат).

Обзор клиент-серверных архитектур и видов серверов в современных распределенных системах (реферат).

Реализуйте локальную сеть из 6 имеющихся компьютеров с ОС Windows в офисе Вашей фирмы - практическая курсовая работа.

Найдите в Интернете бесплатные облачные сервисы (например, на сайте kaavo.com), подпишитесь на них, воспользуйтесь ими для решения какой-либо простой задачи (например, вычисления скалярного произведения двух векторов) и опишите свои впечатления и выводы - практическая курсовая работа.