Ядра и операционные системы реального времени

При­мем как очевидные следующие момен­ты.

1. Когда-то операционных систем со­всем не было.

2. Через некоторое время после их появ­ления возникло направление ОС РВ.

3. Все ОС РВ являются многозадачны­ми операционными системами. Зада­чи делят между собой ресурсы вы­числительной системы, в том числе и процессорное время.

Четкой границы между ядром (Kernel) и операционной системой нет. Различают их, как правило, по набору функциональных возможностей. Ядра предоставляют пользователю такие базовые функции, как планирование и синхронизация задач, межзадачная коммуникация, управление памятью и т.п. Операционные системы в дополнение к этому имеют файловую систему, сетевую поддержку, интерфейс с оператором и другие средства высоко­го уровня.

По своей внутренней архитектуре ОС РВ можно условно разделить на монолитные ОС, ОС на основе микроядра и объектно-ориентированные ОС.

Задачи, процессы, потоки

Принято различать две разно­видности задач: процессы и пото­ки. Процесс представляет собой отдельно загружаемый программный модуль (файл), который, как правило, во время исполнения имеет в памяти свои независимые области для кода и данных. В отличие от этого потоки мо­гут пользоваться общими участками кода и данных в рамках единого про­граммного модуля.

Преимущества потоков.

1. Так как множество потоков способ­но размещаться внутри одного EXE-модуля, это позволяет экономить ре­сурсы как внешней, так и внутрен­ней памяти.

2. Использование потоками общей об­ласти памяти позволяет эффективно организовать межзадачный обмен сообщениями (достаточно передать указатель на сообщение). Процессы не имеют общей области памяти.

3. Как правило, контекст потоков меньше, чем контекст процессов, а значит, время переключения между задачами-потоками меньше, чем между задачами-процессами.

4. Так как все потоки, а иногда и само ядро РВ размещаются в одном ЕХЕ-модуле, значительно упрощается ис­пользование программ-отладчиков

Недостатки потоков.

1. Как правило, потоки не могут быть подгружены динамически. Процессы, в отличие от потоков, подгружаемы, что позволяет динамически изме­нять функции системы в процессе ее работы.

2. То, что потоки имеют доступ к областям данных друг друга, может при­вести к ситуации, когда некорректно работающий поток способен испор­тить данные другого потока. В отли­чие от этого процессы защищены от взаимного влияния, а попытка запи­си в «не свою» память приводит, как правило, к возникновению специ­ального прерывания по обработке «исключительных ситуаций».

Реализация механизмов управления процессами и потоками, возможность их взаимного сосуществования и взаи­модействия определяются конкрет­ным ПО РВ.

Основные свойства задач

Приоритет – это некое целое число, присваиваемое задаче и характеризую­щее ее важность по сравнению с други­ми задачами, выполняемыми в системе. Приоритет используется в основном планировщиком задач для определе­ния того, какая из готовых к работе за­дач должна получить управление. Раз­личают системы с динамической и ста­тической приоритетностью.

Контекст задачи – это набор дан­ных, содержащий всю необходимую информацию для возобновления вы­полнения задачи с того места, где она была ранее прервана. Плани­ровщик задач в случае необходимости сохраняет контекст текущей активной задачи и восстанавливает контекст за­дачи, назначенной к исполнению. Та­кое переключение контекстов и явля­ется, по сути, основным механизмом ОС РВ при переходе от выполнения од­ной задачи к выполнению другой.

Состояние (статус) задачи. С точ­ки зрения операционной системы, за­дача может находиться в нескольких состояниях. Тем не менее, практически в лю­бой ОС РВ загруженная на выполнение задача может находиться, по крайней мере, в трех состояниях.

1. Активная задача – это задача, выпол­няемая системой в текущий момент времени.

2. Готовая задача – это задача, готовая к выполнению и ожидающая у плани­ровщика своей «очереди».

3. Блокированная задача – это задача, выполнение которой приостановле­но до наступления определенных со­бытий.

Пустая задача – это зада­ча, запускаемая самой операционной системой в момент инициализации и выполняемая только тогда, когда в сис­теме нег других готовых для выполнения задач. Пустая задача запускается с самым низким приоритетом и, как пра­вило, представляет собой бесконечный цикл «ничего не делать».

Многократный запуск задач. Как правило, многозадачные ОС позволя­ют запускать несколько копий одной и той же задачи. В целях экономии памяти может быть предус­мотрено совместное использование одного и того же исполняемого кода для всех запущенных копий. В этом случае программа должна обеспечивать повторную входимость (реентера­бельность).

Реентерабельность (повторная входимость) означает возможность без негативных последствий временно пре­рвать выполнение какой-либо функции или подпрограммы, а затем вызвать эту функцию или подпрограмму снова.

Планирование задач

Важной частью любой ОС РВ являет­ся планировщик задач. Его функции оста­ются теми же: определить, какая из за­дач должна выполняться в системе в каждый конкретный момент времени. Самым простым методом планирова­ния, не требующим никакого специ­ального ПО и планировщика как тако­вого, является использование цикли­ческого алгоритма стиле round robin:

Каждая «задача», представляющая со­бой отдельную подпрограмму, выпол­няется циклически. При этом надо придерживаться следующих правил:

1. Подпрограммы не должны содер­жать циклов ожидания

2. Подпрограммы должны выполнять свою работу как можно быстрее

3. При необходимости подпрограмма может сохранять свое окружение и текущие результаты, чтобы в следую­щем цикле возобновить работу с то­го же места.

Можно отметить следующие преиму­щества циклического алгоритма.

1. Простота использования и прозрач­ность для понимания.

2. Минимальные размеры кода и дан­ных. Кроме того, в отличие от алго­ритмов с вытеснением, для всех задач необходим только один стек.

К недостаткам циклического алго­ритма можно отнести отсутствие при­оритетности и очередей. К тому же за­дачи вызываются независимо от того, должны ли они в данный момент что-либо делать или нет, а на прикладного программиста ложится максимальная ответственность за работоспособность системы.

Кооперативная многозадачность – это еще один алгоритм переключе­ния задач. Задача, получившая управление, выполняется до тех пор, пока она сама по своей инициативе не передаст уп­равление другой задаче.

Приоритетная многозадачность с вытеснением – это, по-видимому, наиболее часто используемый в ОС РВ принцип планирования. Основная идея состоит в том, что высокоприо­ритетная задача как только для нее появляется работа, немедленно прерыва­ет низкоприоритетную.

Необходимо отметить, что в одной вычислительной системе могут одно­временно сосуществовать задачи и «жесткого», и «мягкого» реального вре­мени, и что только одна из этих задач, обладающая наивысшим приорите­том, может быть по-настоящему де­терминированной.

Как правило, разработчики стара­ются свести свою систему реального времени к наиболее простым конфи­гурациям, характерным для систем «жесткого» реального времени, иногда даже в ущерб эффективности исполь­зования вычислительных ресурсов. Часто в системе реализует­ся несколько «режимов» работы, каж­дый из которых имеет свой набор вы­полняемых задач с заранее заданными приоритетами. Значительная часть особо ответственных систем по-преж­нему реализуется без применения коммерческих ОС РВ вообще.

Синхронизация задач

Хотя каждая задача в системе как правило, выполняет какую-либо от­дельную функцию, часто возникает необходимость в согласованности (синхронизации) действий, выполня­емых различными задачами. Такая синхронизация необходима, в основ­ном, в следующих случаях.

1. Функции, выполняемые различны­ми задачами, связаны друг с другом. Одна из вариаций в этом случае – это когда задача при определенных условиях порождает одну или не­сколько новых задач.

2. Необходимо упорядочить доступ не­скольких задач к разделяемому ре­сурсу.

3. Необходима синхронизация задачи с внешними событиями. Как правило, для этого используется механизм прерываний.

4. Необходима синхронизация задачи по времени. Для решения этих вопросов в конеч­ном счете используются специаль­ные аппаратные средства, называе­мые таймером.

Тестирование

Прежде чем устанавливать вашу сис­тему реального времени, рекомендуется про­верить ее работоспособность с по­мощью интенсивных тестов. Это осо­бенно важно для сложных динамических систем. Во время такого тестирования желательно смоделировать наибо­лее неприятные и «тяжелые» режимы работы, аварийные ситуации и т.п. При умозрительном анализе простых сис­тем следует осторожно относиться к рекламной информации разработчи­ков ОС РВ, которые из коммерческих соображений показывают, как прави­ло, параметры для «лучшего случая».