Лекции - Системы реального времени

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования и науки РФ

Самарский го сударственный аэрокосмический университет имени академика

С.П. Королева

Тольяттинский филиал

Заочное отделение

ЛЕКЦИИ

по предмету

«СИСТЕМЫ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ»

Тольятти 2010

СОДЕРЖАНИЕ

............................................................................................1 Основные понятия СРВ 3

.......................................2 Различие жестких и мягких систем реального времени 6

................................................4 Алгоритмы реального времени и их особенности 8

............................................................................5 Особенности современных СРВ 10

........................................................................6 Классификация современных СРВ 13

....................................6.1 Классификация по структурным характеристикам 13

.......................................................6.2 Классификация по программной среде 15

............................................................6.3 Технические характеристики ОСРВ 16

.........................................................................7 Архитектурные особенности СРВ 18

..........................................................8 Международные стандарты СРВ и их роль 22

.........................................................................................................10 Основы UML 25

..................................................................................................14 Стандарт CORBA 27

.......................................................17 Критерии назначения приоритетов задачам 31

..............................................................18 Основы разработки архитектуры задач 33

........................................................................19 Спецификация поведения задачи 35

.....................................................................20 Проектирование операций классов 37

........................................................21 Теория планирования в реальном времени 40

...........................22 Анализ производительности проекта параллельных систем 44

1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ СРВ

Каноническое определение системы реального времени дано Дональдом

Гиллиесом и выглядит так: «Системой реального времени является такая

система, корректность функционирования которой определяется не только

корректностью выполнения вычислений, но и временем, в которое получен

тр ебуемый результат. Если тр ебования по времени не выполняются, то

считается, что произошел отказ системы».

Для подобных систем характерно:

• гарантированное время ре акции на внешние события (например на

прерывания от оборудования);

• жёсткая подсистема планирования процессов (высокоприоритетные задачи не

должны вытесняться низкоприоритетными, за некоторыми исключениями);

• повышенные требования к времени реакции на внешние события или

реактивности (задержка вызова обработчика прерывания не более десятков

микросекунд, задержка при переключении задач не более сотен

микросекунд).

Основные требования к СРВ:

1. Поддержка многонитиевости и диспетчеризации с вытеснением. Поведение

ОСРВ должно быть предсказуемым. Это не означает, что ОСРВ должна

быть быстрой, но означает, что максимальный промежуток времени для

выполнения любой операции должен быть известен заранее и должен быть

согласован с требованиями приложения. Для обеспечения вытеснения на

уровне прерываний структура обслуживания прерываний (и аппаратная

архитектура) должна быть многоуровневой.

2. Наличие понятия приоритета нити. При построении конкретной СРВ

разработчик должен выстроить приоритеты задач таким образом, чтобы

каждая из них успела с реакцией к своему критическому сроку.

3. Поддержка предсказуемых механизмов синхронизации нитей.

4. Наличие механизма наследования приоритетов. Во избежание проблемы

инверсии приоритетов ОСРВ должна быть снабжена механизмом

наследования приоритетов, то есть блокирующая нить должна наследовать

приоритет нити, которую она блокирует, но только в том случае, если

заблокированная нить имеет более высокий приоритет).

5. Поведение ОС должно быть предсказуемо. Разработчик должен знать все

времена выполнения системных вызовов и уметь предсказывать поведение

системы в любых ситуациях.

Общие характеристики СРВ:

• большие и сложные системы;

• распределенные системы;

• жесткое взаимодействие с аппаратурой;

• выполнение задач зависит от времени;

• сложность тестирования.

Динамические свойства программ реального времени принято

характеризовать тремя определениями: программы «жесткого», «мягкого» и

«интерактивного» реального времени.

Жесткое реальное время. Предусматривает на личие гарантированного

времени отклика системы на конкретное событие, например, аппаратное

прерывание, выдачу команды управления и т.п. Абсолютная величина времени

отклика большого значения не имеет. Так, если необходимо, чтобы программа

отработала некоторую команду за 1 миллисекунду, но она справляется с этим

заданием лишь в 95% случаев, а в 5% не укладывается в норматив, такую

систему нельзя охарактеризовать как работающую в же стком реа льном

времени. Если же команду нужно отработать в течение часа, что и происходит в

100% случаев – налицо жесткое реа льное время. В большинстве русскоязычной

литературы такие системы называют системами с детерминированным

временем. При практиче ском применении время реакции должно быть

минимальным.

Мягкое реальное время. В этом случае ожидающееся время отклика

системы являетс я величиной с корее индикативн ой, нежели директивной.

Конечно, предполагается что в большинстве случаев (процентов 80 - 90) отклик

уложится в заданные пределы. Однако и остальные варианты – в том числе

полное отсутствие реакции системы – не должны приводить к плачевным

результатам. Обычно считается, что если временной норматив превышен на

один порядок, то это еще терпимо. Мягкое реальное время т акже называется

квазиреальным.

Универсальная СРВ должна уметь выполнять произвольные (заранее

неопределенные) временные задачи без применения специальной техники.

Разработка таких систем является самой сложной задачей, хотя обычно

требования, предъявляемые к таким системам мягче, чем требования к

специализированным системам.

В системах реального врем ени необходимо введение некоторого

директивного срока (deadline), до истечения которого задача должна

обязательно (для систем мягкого реального времени – желательно)

выполниться. Этот директивный срок используется планировщиком задач как

для назначения приоритета задачи при ее запуске, так и при выборе задачи на

выполнение.

Практически все с истемы промышленной автомат изации являются

системами реального времени.

2 РАЗЛИЧИЕ ЖЕСТКИХ И МЯГКИХ СИСТЕМ РЕАЛЬНОГО

ВРЕМЕНИ

Принято различать системы «жесткого» и «мягкого» реального времени.

Системой «жесткого» реального времени называется система, где не-

способность обеспечить реакцию на какие-либо события в заданное время

является отказом и ведет к невозможности решения поставленной задачи.

Признаки систем жесткого реального времени:

• недопустимость никаких задержек ни при каких условиях;

• бесполезность результатов при опоздании;

• катастрофа при задержке реакции;

• цена опоздания бесконечно велика.

Пример системы жесткого ре а льного времени - бортовая система

управления самолетом.

Так как система «мягкого» реального времени может не успевать вс е

делать всегда в заданное время, возникает проблема определения критериев

успешности ее функциони рования. В зависимости от функций системы это

может быть максимальная задержка в выполнении каких-либо операций,

средняя своевременность обработки событий и т. п. Более того, эти критерии

влияют на то, какой алгоритм планирования задач является оптимальным.

Система мягкого ре ального времени характеризуется следующими

признаками:

• за опоздание результатов приходится платить;

• снижение производительности системы, вызванное запаздыванием реакций,

приемлемое.

Примерами могут служить автомат розничной торговли и подсистема

сетевого интерфейса. В последнем случае можно восстановить пропущенный

пакет, используя сетевой протокол, повторяющий передачу пропущенных

пакетов. При этом, конечно, произойдет снижение производительно сти

системы.

Основное различие между системами жесткого и мягкого реального

времени определ яется следующими тр ебованиями : система называется

системой жесткого реального времени, если она «не имеет права опаздывать», и

мягкого реального времени, если ей «не следует опаздывать».

4 АЛГОРИТМЫ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ И ИХ

ОСОБЕННОСТИ

В настоящее время для решения задачи эффективного планирования в

ОСРВ наиболее интенсивно развиваются два подхода:

• статические алгоритмы планирования (RMS) – используют приоритетное

вытесняющее планирование; приоритет присваивается каждой задаче до того,

как она начала выполняться; преимущество отдается задачам с самыми

короткими периодами выполнения;

• динамические алгорит мы планирования (EDF) – приоритет задачам

присваивается динамически, причем предпочтение отдается задачам с

наиболее ранним предельным временем начала (завершения) выполнения.

При больших загрузках системы EDF более эффективен, нежели RMS.

Большинство ОСРВ выполняют планирование задач, руководствуясь

следующей схемой. Каждой задаче в приложении ставится в соответствие

некоторый приоритет. Чем больше приоритет, тем выше должна быть

реактивность задачи. Высокая реактивность достигается путем реализации

подхода приоритетного вытесняющего планирования, суть которого

заключается в том, что планировщику разрешается останавливать выполнение

любой задачи в произвольный момент времени, если установлено, что другая

задача должна быть запущена незамедлительно.

Описанная схема работает по следующему правилу: если две задачи

одновременно готовы к запуску, но первая обладает высоким приоритетом, а

вторая низким, то планировщик отдаст предпочтение первой. Вторая задача

будет запущена только после того, как завершит свою работу первая.

Возможна ситуация, когда задача с низким приоритетом уже запущена, а

планировщик получает сообщение, что другая задача с более высоким

приоритетом готова к запуску. Причиной этому может послужить какое-либо

внешнее воздействие (прерывание от оборудования), как, например, изменение

состояния переключателя устройства, управляемого ОСРВ. В такой ситуации

планировщик задач поведет себя согласно подходу приоритетного

вытесняющего планирования следующим образом. Задаче с низким

приоритетом будет позволено выполнить до конца текущую ассемблерную

команду (но не команду, описанную в исходнике программы языком высокого

уровня), после чего выполнение задачи останавливается. Далее запускается

задача с высоким приоритетом . Пос ле того, как она прора батывает,

планировщик запускает прерванную первую задачу с ассемблерной команды,

следующей за последней выполненой.

Каждый раз, когда планировщик задач получает сигнал о наступлении

некоторого внешнего события (триггер), причина которого может быть как

аппаратная, так и программная, он действует по следующему алгоритму:

1. Определяет, должна ли текущая выполняемая задача продолжать работать.

2. Устанавливает, какая задача должна запускаться следующей.

3. Сохраняет контекст остановленной задачи (чтобы она п отом возобновила

работу с места останова)

4. Устанавливает контекст для следующей задачи.

5. Запускает эту задачу.

Эти пять шагов алгоритма также называются переключением задач.

5 ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННЫХ СРВ

Современные СРВ имеют ряд особенностей по сравнению с системами

разделения времени.

Ограниченное время ответа. По сути, система реального времени - это

аппаратно-программный комплекс, реагирующий в предсказуемые времена на

непредсказуемый поток внешних событий. Это означает, что:

• ОС должна успеть отреагировать на событие, произошедшее на объекте, в

течение времени, критического для этого события. 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 ре акцией на событие.