Реального времени (RTOS) - это ОС, которая гарантирует определенную способность в течение заданного временного отрезка. Например, она может быть спроектирована так, чтобы отображать, что некий объект стал доступен для робота на сборочном конвейере. Такие оболочки классифицируются на «жесткие» и «мягкие».

Жесткие операционные системы в режиме реального времени предполагают, что расчет не может быть выполнен, если объект не будет доступен в назначенное период (такая операция будет заканчиваться неудачей).

В мягкой операционной системе в режиме реального времени сборочная линия при таких условиях будет продолжать функционировать, но объем производства может быть ниже, поскольку объекты не в состоянии быть доступными в назначенное время, в результате чего робот будет временно непродуктивным.

Прежде чем приводить примеры операционных систем реального времени, необходимо разобраться в особенностях их использования. Одни такие ОС создаются для специального применения, другие - для более общего. Кроме того, некоторые оболочки общего назначения также иногда используются для работы в режиме в реального времени. Как такого типа могут выступить общеизвестные Windows 2000 или IBM Microsoft/390. То есть даже если ОС не отвечает некоторым требованиям, она может иметь характеристики, которые позволяют рассматривать ее в качестве решения для конкретной задачи приложения в режиме реального времени.

Примеры операционных систем и их характеристика

В целом реального времени имеют следующие характерные черты:

• Многозадачность.
• Технологические потоки, которые могут быть приоритетными.
• Достаточное количество уровней прерываний.

ОС реального времени часто используются в составе небольших встраиваемых оболочек, которые применяются в формате микроустройств. Так, некоторые ядра можно рассматривать как однозадачные операционные системы (примеры: ядра в составе IOS, Android и т. д.) в режиме реального времени. Однако для выполнения ими поставленных задач требуются другие компоненты устройства, например, драйвера. Именно поэтому полноценная как правило, бывает больше, чем просто ядро.

Типичным примером приложения ОСРВ является HDTV-приемник и дисплей. Он должен прочитать цифровой сигнал, декодировать его и отображать в виде поступающих данных. Любая задержка будет заметна как пиксельное видео и/или искаженный звук.

Вместе с тем, когда звучит просьба «приведите примеры операционных систем такого типа», подразумевается упоминание наиболее известных названий. Что же входит в эту группу?

VxWorks от компании WindRiver

VxWorks является операционной системой реального времени, разработанной как проприетарное программное обеспечение с помощью компании WindRiver. Будучи впервые выпущенной в 1987 году, VxWorks изначально была предназначена для использования во встраиваемых системах, требующих реального времени и детерминированной производительности. Так, примеры операционных систем такого типа находят применение в сферах охраны и обеспечения безопасности, различных отраслей промышленности (особенно аэрокосмической и оборонной), производстве медицинских приборов, промышленного оборудования, робототехники, энергетики, управления транспортом, сетевой инфраструктурой, совершенствования автомобильной и бытовой электроники.

VxWorks поддерживает Intel (x86, включая новый вариант IntelQuarkSoC и x86-64), MIPS, PowerPC, SH-4 и ARM-архитектуру. Данная ОСРВ поставляется с мощным ядром, промежуточным программным обеспечением, поддержкой платных дополнительных пакетов и аппаратных технологий сторонних производителей. В своем последнем выпуске - VxWorks 7 - система была модернизирована для модульности и апгрейда так, что ядро ​​ОС содержится отдельно от промежуточного программного обеспечения, приложений и других пакетов.

QNX Neutrino

Также классические примеры операционных систем указанного типа - некоторые Unix-подобные оболочки. Таковой является QNX Neutrino, первоначально разработанная в начале 1980-х годов канадской компанией Quantum Software Systems. В конечном счете, разработка была приобретена BlackBerry в 2010 году. QNX является одним из первых коммерчески успешных операционных систем микроядра, которая используется в различных устройствах, включая авто- и мобильные телефоны.

FreeRTOS

FreeRTOS является популярной ядерной ОС в режиме реального времени для встраиваемых устройств, которая загружается 35 микроконтроллерами. Она распространяется под лицензией GPL с дополнительным ограничением и необязательными исключениями. Ограничение запрещает бенчмаркинг, в то время как исключение позволяет использовать собственный код пользователей вместе с закрытым исходным кодом, сохраняя при этом само ядро. Это облегчает тем самым использование FreeRTOS в собственных приложениях.

Windows CE

Windows Embedded Compact - это операционная система подсемейства, разработанная корпорацией «Майкрософт» в рамках семейства продуктов Windows Embedded. В отличие от Windows Embedded Standard, который основан на Windows NT, эти примеры операционных систем используют эксклюзивное гибридное ядро. Компания «Майкрософт» предоставляет лицензии Windows CE для производителей оригинального оборудования, которые могут изменять и создавать свои собственные пользовательские интерфейсы, обеспечивая техническую основу для этого.

Операционная система реального времени

Операционная система, которая может обеспечить требуемое время выполнения задачи реального времени даже в худших случаях , называется операционной системой жёсткого реального времени .

Операционная система, которая может обеспечить требуемое время выполнения задачи реального времени в среднем , называется операционной системой мягкого реального времени .

Системы жёсткого реального времени не допускают задержек реакции системы, так как это может привести к:

• потере актуальности результатов
• большим финансовым потерям
• авариям и катастрофам

Если не выполняется обработка критических ситуаций либо она происходит недостаточно быстро, система жёсткого реального времени прерывает операцию и блокирует её, чтобы не пострадала надёжность и готовность остальной части системы. Примерами систем жёсткого реального времени могут быть - бортовые системы управления (на самолёте, космическом аппарате, корабле, и пр.), системы аварийной защиты, регистраторы аварийных событий.

Системы мягкого реального времени характеризуются возможностью задержки реакции, что может привести к увеличению стоимости результатов и снижению производительности системы в целом. Примером может служить работа компьютерной сети . Если система не успела обработать очередной принятый пакет, это приведет к остановке на передающей стороне и повторной посылке (в зависимости от протокола). Данные при этом не теряются, но производительность сети снижается.

Основное отличие систем жёсткого и мягкого реального времени можно охарактеризовать так: система жёсткого реального времени никогда не опоздает с реакцией на событие, система мягкого реального времени - не должна опаздывать с реакцией на событие.

Обозначим операционной системой реального времени такую систему, которая может быть использована для построения систем жёсткого реального времени. Это определение выражает отношение к ОСРВ как к объекту, содержащему необходимые инструменты, но также означает, что эти инструменты ещё необходимо правильно использовать.

Большинство программного обеспечения ориентировано на «мягкое» реальное время. Для подобных систем характерно:

• гарантированное время реакции на внешние события (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)

Классическим примером задачи, где требуется ОСРВ, является управление роботом , берущим деталь с ленты конвейера . Деталь движется, и робот имеет лишь маленький промежуток времени, когда он может её взять. Если он опоздает, то деталь уже не будет на нужном участке конвейера, и следовательно, работа не будет выполнена, несмотря на то, что робот находится в правильном месте. Если он подготовится раньше, то деталь ещё не успеет подъехать, и он заблокирует ей путь.

Отличительные черты ОСРВ

Таблица сравнения ОСРВ и обычных операционных систем:

	ОС реального времени	ОС общего назначения
Основная задача	Успеть среагировать на события, происходящие на оборудовании	Оптимально распределить ресурсы компьютера между пользователями и задачами
На что ориентирована	Обработка внешних событий	Обработка действий пользователя
Как позиционируется	Инструмент для создания конкретного аппаратно-программного комплекса реального времени	Воспринимается пользователем как набор приложений, готовых к использованию
Кому предназначена	Квалифицированный разработчик	Пользователь средней квалификации

Архитектуры ОСРВ

В своем развитии ОСРВ строились на основе следующих архитектур .

• . ОС определяется как набор модулей, взаимодействующих между собой внутри ядра системы и предоставляющих прикладному ПО входные интерфейсы для обращений к аппаратуре. Основной недостаток этого принципа построения ОС заключается в плохой предсказуемости её поведения, вызванной сложным взаимодействием модулей между собой.
• . Прикладное ПО имеет возможность получить доступ к аппаратуре не только через ядро системы и её 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 .
• Архитектура «клиент-сервер» . Основной её принцип заключается в вынесении сервисов ОС в виде серверов на уровень пользователя и выполнении микроядром функций диспетчера сообщений между клиентскими пользовательскими программами и серверами - системными сервисами. Преимущества такой архитектуры:

1. Повышенная надёжность, так как каждый сервис является, по сути, самостоятельным приложением и его легче отладить и отследить ошибки;
2. Улучшенная масштабируемость , поскольку ненужные сервисы могут быть исключены из системы без ущерба к её работоспособности;
3. Повышенная отказоустойчивость, так как «зависший» сервис может быть перезапущен без перезагрузки системы.

Особенности ядра

Ядро ОСРВ обеспечивает функционирование промежуточного абстрактного уровня ОС, который скрывает от прикладного ПО специфику технического устройства процессора (нескольких процессоров) и связанного с ним аппаратного обеспечения.

Основные сервисы

Указанный абстрактный уровень предоставляет для прикладного ПО пять основных категорий сервисов.

• Управление задачами . Самая главная группа сервисов. Позволяет разработчикам приложений проектировать программные продукты в виде наборов отдельных программных фрагментов, каждый из которых может относиться к своей тематической области, выполнять отдельную функцию и иметь свой собственный квант времени, отведенный ему для работы. Каждый такой фрагмент называется задачей . Сервисы в рассматриваемой группе обладают способностью запускать задачи и присваивать им приоритеты. Основной сервис здесь - планировщик задач . Он осуществляет контроль за выполнением текущих задач, запускает новые в соответствующий период времени и следит за режимом их работы.
• Динамическое распределение памяти . Многие (но не все) ядра ОСРВ поддерживают эту группу сервисов. Она позволяет задачам заимствовать области оперативной памяти для временного использования в работе приложений. Часто эти области впоследствии переходят от задачи к задаче, и посредством этого осуществляется быстрая передача большого количества данных между ними. Некоторые очень малые по размеру ядра ОСРВ, которые предполагается использовать в аппаратных средах с строгим ограничением на объём используемой памяти, не поддерживают сервисы динамического распределения памяти.
• Управление таймерами . Так как встроенные системы предъявляют жёсткие требования к временным рамкам выполнения задач, в состав ядра ОСРВ включается группа сервисов, обеспечивающих управление таймерами для отслеживания лимита времени, в течение которого должна выполняться задача. Эти сервисы измеряют и задают различные промежутки времени (от 1 мкс и выше), генерируют прерывания по истечении временных интервалов и создают разовые и циклические будильники.
• Взаимодействие между задачами и синхронизация . Сервисы данной группы позволяют задачам обмениваться информацией и обеспечивают её сохранность. Они так же дают возможность программным фрагментам согласовывать между собой свою работу для повышения эффективности. Если исключить эти сервисы из состава ядра ОСРВ, то задачи начнут обмениваться искаженной информацией и могут стать помехой для работы соседних задач.
• Контроль устройства ввода/вывода . Сервисы этой группы обеспечивают работу единого программного интерфейса , взаимодействующего со всем множеством драйверов устройств, которые являются типичными для большинства встроенных систем.

В дополнение к сервисам ядра, многие ОСРВ предлагают линейки дополнительных компонентов для организации таких высокоуровневых понятий, как файловая система , сетевое взаимодействие, управление сетью, управление базой данных , графический пользовательский интерфейс и т. д. Хотя многие из этих компонентов намного больше и сложнее, чем само ядро ОСРВ, они, тем не менее, основываются на его сервисах. Каждый из таких компонентов включается во встроенную систему, только если её сервисы необходимы для выполнения встроенного приложения и только для того, чтоб свести расход памяти к минимуму.

Отличия от операционных систем общего назначения

Многие операционные системы общего назначения также поддерживают указанные выше сервисы. Однако ключевым отличием сервисов ядра ОСРВ является детерминированный , основанный на строгом контроле времени, характер их работы. В данном случае под детерминированностью понимается то, что для выполнения одного сервиса операционной системы требуется временной интервал заведомо известной продолжительности. Теоретически это время может быть вычислено по математическим формулам , которые должны быть строго алгебраическими и не должны включать никаких временных параметров случайного характера. Любая случайная величина , определяющая время выполнения задачи в ОСРВ, может вызвать нежелательную задержку в работе приложения, тогда следующая задача не уложится в свой квант времени, что послужит причиной для ошибки.

В этом смысле операционные системы общего назначения не являются детерминированными. Их сервисы могут допускать случайные задержки в своей работе, что может привести к замедлению ответной реакции приложения на действия пользователя в заведомо неизвестный момент времени. При проектировании обычных операционных систем разработчики не акцентируют своё внимание на математическом аппарате вычисления времени выполнения конкретной задачи и сервиса. Это не является критичным для подобного рода систем.

Планирование задач

Работа планировщика

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 путём реализации подхода приоритетного вытесняющего планирования (preemptive priority scheduling), 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. После того, как она прорабатывает, планировщик запускает прерванную первую задачу с ассемблерной команды, следующей за последней выполненной.

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 потом возобновила работу с места останова)
4. Устанавливает контекст для следующей задачи.
5. Запускает эту задачу.

Эти пять шагов алгоритма также называются переключением задач .

Выполнение задачи

В обычных ОСРВ задача может находиться в 3-х возможных состояниях:

1. Задача выполняется;
2. Задача готова к выполнению;
3. Задача заблокирована.

Большую часть времени основная масса задач заблокирована. Только одна задача может выполняться на центральном процессоре в текущий момент времени. В примитивных ОСРВ список готовых к исполнению задач, как правило, очень короткий, он может состоять не более чем из двух-трёх наименований.

Основная функция администратора ОСРВ заключается в составлении такого планировщика задач.

Если в списке готовых к выполнению задач последних имеется не больше двух-трех, то предполагается, что все задачи расположены в оптимальном порядке. Если же случаются такие ситуации, что число задач в списке превышает допустимый лимит, то задачи сортируются в порядке приоритета.

Алгоритмы планирования

В настоящее время для решения задачи эффективного планирования в ОСРВ наиболее интенсивно развиваются два подхода.

• Статические алгоритмы планирования (RMS, Rate Monotonic Scheduling). Используют приоритетное вытесняющее планирование. Приоритет присваивается каждой задаче до того, как она начала выполняться. Преимущество отдается задачам с самыми короткими периодами выполнения.
• Динамические алгоритмы планирования (EDF, Earliest Deadline First Scheduling). Приоритет задачам присваивается динамически, причем предпочтение отдается задачам с наиболее ранним предельным временем начала (завершения) выполнения.

Взаимодействие между задачами и разделение ресурсов

• Временное блокирование прерываний
• Двоичные семафоры
• Посылка сигналов

ОСРВ обычно не используют первый способ, потому что пользовательское приложение не может контролировать процессор столько, сколько хочет. Однако, во многих встроенных системах и ОСРВ позволяется запускать приложения в режиме ядра для доступа к системным вызовам и даётся контроль над окружением исполнения без вмешательства ОС.

На однопроцессорных системах наилучшим решением является приложение запущенное в режиме ядра , которому позволено блокирование прерываний. Пока прерывание заблокировано, приложение использует ресурсы процесса единолично и никакая другая задача или прерывание не может выполняться. Таким образом защищаются все критичные ресурсы. После того как приложение завершит критические действия, оно должно разблокировать прерывания, если таковые имеются. Временное блокирование прерывания позволено только тогда, когда самый долгий промежуток выполнения критической секции меньше, чем допустимое время реакции на прерывание. Обычно этот метод защиты используется только когда длина критического кода не превышает нескольких строк и не содержит циклов . Этот метод идеально подходит для защиты регистров .

Когда длина критического участка больше максимальной или содержит циклы, программист должен использовать механизмы идентичные или имитирующие поведение систем общего назначения, такие как семафоры и посылка сигналов.

Выделение памяти

Следующим проблемам выделения памяти в ОСРВ уделяется больше внимания, нежели в операционных системах общего назначения.

Во-первых, скорости выделения памяти. Стандартная схема выделения памяти предусматривает сканирование списка неопределённой длины для нахождения свободной области памяти заданного размера, а это неприемлемо, так как в ОСРВ выделение памяти должно происходить за фиксированное время.

Во-вторых, память может стать фрагментированной в случае разделения свободных её участков уже запущенными процессами. Это может привести к остановке программы из-за её неспособности задействовать новый участок памяти. Алгоритм выделения памяти, постепенно увеличивающий фрагментированность памяти, может успешно работать на настольных системах, если те перезагружаются не реже одного раза в месяц, но является неприемлемым для встроенных систем, которые работают годами без перезагрузки.

Простой алгоритм с фиксированной длиной участков памяти очень хорошо работает в несложных встроенных системах.

Также этот алгоритм отлично функционирует и в настольных системах, особенно тогда, когда во время обработки участка памяти одним ядром следующий участок памяти обрабатывается другим ядром. Такие оптимизированные для настольных систем ОСРВ, как Unison Operating System или DSPnano RTOS, предоставляют указанную возможность.

Операционные системы реального времени (список)

Следует сделать замечание, что в списке отсутствуют системы, разработанные в СССР для систем военного и космического назначения - по вполне понятным причинам, связанным с режимом секретности. Однако, их существование и использование на протяжении десятков лет, является бесспорным фактом, который следует учитывать.

Примечания

Литература

• Зыль С. Операционная система реального времени QNX: от теории к практике. - 2-е изд. - СПб. : БХВ-Петербург, 2004. - 192 с. - ISBN 5-94157-486-Х
• Зыль С. QNX Momentics. Основы применения. - СПб. : БХВ-Петербург, 2004. - 256 с. - ISBN 5-94157-430-4
• Кёртен Р. Введение в QNX/Neutrino 2. - СПб. : Петрополис, 2001. - 512 с. - ISBN 5-94656-025-9
• Ослэндер Д. М., Риджли Дж. Р., Рингенберг Дж. Д. Управляющие программы для механических систем: Объектно-ориентированное проектирование систем реального времени. - М .: Бином. Лаборатория знаний, 2004. - 416 с. - ISBN 5-94774-097-4

Ссылки

• Обзор операционных систем реального времени (англ.)

Операционные системы реального времени
BeOS ChibiOS/RT Contiki DNIX DSOS eCos Embox EROS FreeRTOS FunkOS Junos LynxOS KolibriOS MenuetOS MERT Nano-RK Nucleus Open AT OS OS-9 OSE PikeOS pSOS Prex QNX КПДА.00002-01 RMX RSX-11 RT-11 RTEMS RTLinux scmRTOS SINTRAN III

Основой любого аппаратно-программного комплекса, в том числе работающего в режиме реального времени, является операционная система (ОС). Операционной системой называют комплекс программ, обеспечивающий управление ресурсами аппаратно-программного комплекса (вычислительной системы) и процессами, использующими эти ресурсы при вычислениях. Ресурсом в данном контексте является любой логический или физический (и в совокупности) компонент вычислительной системы или аппаратно-программного комплекса и предоставляемые им возможности.

Основными ресурсами являются процессор (процессорное время), оперативная память и периферийные устройства.

Управление ресурсами сводится к выполнению следующих задач: упрощение доступа к ресурсам, распределение их между процессами.

Решение первой задачи позволяет "спрятать" аппаратные особенности вычислительной системы, и тем самым предоставить в распоряжение пользователю или программисту виртуальную машину с существенно облегченным управлением. Таким образом, ОС поддерживает следующие интерфейсы: пользовательский (командный язык для управления функционированием системы и набор сервисных услуг); программный (набор услуг, освобождающий программиста от кодирования рутинных операций).Функция распределения ресурсов является одной из наиболее важных задач, решаемых ОС, однако она присуща не всем ОС, а только тем, которые обеспечивают одновременное выполнение нескольких программ (процессов).

Процессом называется последовательность действий, предписанных программой или ее логически законченной частью, а также данные, используемые при вычислениях. Процесс является минимальной единицей работы, для которой выделяются ресурсы.

В настоящее время существует большое разнообразие ОС, которые классифицируются по следующим признакам:

o количество пользователей, одновременно обслуживаемых системой;

o число процессов, которые могут одновременно выполняться под управлением ОС;

o тип доступа пользователя к системе;

o тип аппаратно-программного комплекса.

В соответствии с первым признаком различаются одно- и многопользовательские ОС.

Второй признак делит ОС на одно- и многозадачные.

В соответствии с третьим признаком ОС делятся на:

o системы с пакетной обработкой. В этом случае из программ, подлежащих выполнению, формируется пакет, который предъявляется системе для обработки. В этом случае пользователи непосредственно с ОС не взаимодействуют;

o системы разделения времени, обеспечивающие одновременный интерактивный доступ к вычислительной системе нескольких пользователей через терминалы. При этом ресурсы системы выделяются каждому пользователю "по очереди", в соответствии с той или иной дисциплиной обслуживания;

o системы реального времени, которые должны обеспечивать гарантированное время ответа на внешние события (более подробно см. ниже).

Четвертый признак делит ОС на одно- и многопроцессорные, сетевые и распределенные. Для многопользовательских и многозадачных ОС важным показателем является дисциплина обслуживания. В соответствии с этим различают вытесняющий и согласующий режимы многозадачной работы. При вытесняющей организации выделением задачам процессорного времени занимается только ОС (например, для каждой задачи процессор выделяется по очереди, причем на строго фиксированный промежуток времени, но возможно и приоритетное обслуживание). В случае согласующей организации каждая задача, получив управление, сама определяет, когда ей "отдать" процессор другой задаче. В общем случае согласование эффективнее и надежнее вытеснения, но определяющим фактором при реализации программ становится тот факт, что данная программа не должна монопольно использовать процессорное время.

Система реального времени (СРВ) - это система, правильность функционирования которой зависит не только от логической корректности вычислений, но и от времени, за которое эти вычисления производятся.

Для событий, происходящих в такой системе, важно время, когда эти события происходят, и их логическая корректность. Система работает в реальном времени, если ее быстродействие адекватно скорости протекания физических процессов на объектах контроля или управления (имеются в виду процессы, непосредственно связанные с функциями, выполняемыми конкретной системой реального времени). Система управления должна собрать данные, произвести их обработку по заданным алгоритмам и выдать управляющее воздействие за такой промежуток времени, который обеспечивает успешное выполнение поставленных задач.

1.1 Что такое система реального времени

В последнее время все чаще приходится сталкиваться с задачами, требующими управления сложными процессами или оборудованием при помощи ЭВМ. При этом все события в этих процессах происходят тогда, когда они происходят. Компьютер же может выполнять лишь конечное число операций в конечное время, поэтому возникает вопрос: а успеет ли компьютер с нужной скоростью обсчитать ситуацию и выдать конкретные управляющие действия, которые были бы адекватны именно в определенный момент времени. На мой взгляд, проблемы подобного рода возникли из-за использования очень больших скоростей в современном производстве. Ясно, что сигналы в природе распространяются с конечной скоростью, скорость работы тоже конечна, поэтому мгновенных действий (вызванных неким событием) от компьютера ожидать принципиально невозможно. Ведь каким бы современным (читай - мощным по производительности, т.е. высокой скоростью обработки команд и операций) компьютер бы ни был - ему физически нужны хотя бы доли секунды, чтобы выполнить небольшую простую группу команд, а иногда этого времени слишком много. Таким образом, время реакции системы на некоторое событие строго больше нуля. Реальные задачи допускают некоторого запаздывания действий, и если система имеет время реакции меньше, чем эта допустимая задержка, то ее справедливо называть системой реального времени. Так как в природе разные процессы протекают с разной скоростью, одна и таже система может укладываться в заданные рамки для одного процесса и не укладываться для другого. Таким образом, о системе реального времени имеет смысл говорить применительно к конкретной задаче. Например, чтобы построить зависимость средней температуры воздуха за день от дня недели в качестве системы реального времени сойдет практически любой компьютер с практически любым ПО. Если же мы управляем посадкой самолета, где существенную роль играют миллисекунды, было бы более правильно внимательно выбирать аппаратное и программное обеспечение.

Кроме рассмотренной задачи реагирования на некоторое событие, существуют еще другие классы задач реального времени. Одной из часто встречаемых является задача постоянного наблюдения или управления динамическим процессом, т.е. когда требуется непрерывно обмениваться сигналами с внешним миром. Компьютер - дискретная система, поэтому приходится осуществлять некоторые действия с некоторыми конечными промежутками времени, считая, что в эти малые промежутки времени внешний мир остается неизменным. Если наша система способна обрабатывать информацию и выдавать управляющие сигналы с требуемой частотой, то ее можно назвать системой реального времени. Нетрудно понять, что эту задачу легко свести к предыдущей, используя в качестве события начало очередного интервала времени. Время реакции должно быть меньше времени дискретизации процесса. Таким образом, описанная ранее задача является наиболее важной, когда речь идет о системах реального времени. Следует отметить, что неудовлетворительная по запаздыванию работа системы в некоторых задачах может привести к фатальным последствиям, а в некоторых не произойдет никаких внештатных и нежелательных ситуаций. Например: если система измерения температуры из описанного выше примера случайно опоздает на непозволительное время, то это значит, что мы просто изменили выборку точек съема температуры, и все равно получим правильный результат, если же на секунду случайно задержится автомат захода на посадку в пассажирском самолете при внезапном порыве ветра, самолет может не попасть на полосу и десятки людей погибнут. Таким образом, следует делить системы на системы жесткого и мягкого реального времени.

Компьютер используется, прежде всего, для обеспечения гибкости и для упрощения конструкции системы. В отличие от ПК программный код хранится обычно в ROM , а не на жестком диске. Обычно конечный пользователь не разрабатывает новое программное обеспечение для встроенного устройства. С развитием технологии VLSI встроенные системы стали настолько недорогими, что их можно найти в большинстве современных электронных устройств.

Примеры встроенных систем

Робот, такой как марсоход , показанный на рисунке 1.1 , является встроенной системой. Сотовый телефон, PDA , или портативный мультимедиа плеер, показанные на рисунке 1.2 , являются встроенными устройствами. Даже электрическая зубная щетка, показанная на рисунке 1.2 , является встроенной системой. Небольшой микроконтроллер в зубной щетке обеспечивает программируемое управление скоростью и индикацию состояния заряда батареи. Высококачественные автомобили могут содержать около ста встроенных микроконтроллеров. Типичное домовладение среднего класса имеет около пятидесяти встроенных устройств. Для каждого ПК в мире имеется более сотни встроенных устройств. В общей сложности, встроенные устройства составляют большую часть мирового производства микропроцессоров.

Рис. 1.1.

Как видно в таблице 1.1 , встроенные устройства можно найти в разнообразных продуктах, включая самолеты и военные системы, биомедицинские системы, автомобили, коммуникацию, компьютерные устройства в/в, электронные инструменты, домашняя электроника, промышленное оборудование, офисные машины, персональные устройства, роботы, и интеллектуальные игрушки. Встроенные устройства можно найти повсюду.

Конструкторы встроенных систем часто сталкиваются со сложными проектными задачами. Встроенные системы должны быть надежными. Многие встроенные устройства не могут ломаться, и не могут быть перезагружены. Программное обеспечение невозможно обновить во многих встроенных устройствах. Многие устройства имеют жесткие конструкционные ограничения по производительности и потреблению энергии. Некоторым устройствам необходимо работать от батареи длительный период времени. Кроме того, потребительские устройства обычно очень быстро выходят на рынок с новыми продуктами и имеют жесткую ценовую конкуренцию. Во многих приложениях существуют ограничения реального времени и многие устройства имеют ограниченную память и вычислительную мощность .

Рис. 1.2. Таблица 1.1. Примеры встроенных систем

Авиационные & Военные системы	Автопилоты самолетов, авионика и навигационные системы, системы автоматической посадки, системы наведения, управление двигателем.
Биомедицинские системы	Cистемы компьютерной томографии и ультразвукового исследования, мониторинг пациентов, кардиостимуляторы.
Автомобили	Управление двигателем, антиблокировочные тормозные системы, противобуксовочная тормозная система, управление подушками безопасности, управление системой обогрева и кондиционирования воздуха, навигация GPS, спутниковое радио, системная диагностика.
Коммуникация	Коммуникационные спутники, сетевые маршрутизаторы, коммутаторы, концентраторы.
Потребительская электроника	телевизоры, духовки, посудомоечные машины, плееры DVD, стереосистемы, системы безопасности, управление поливом газонов, термостаты, фотокамеры, радиочасы, автоответчики, декодеры кабельного телевидения, другие устройства.
Устройства в/для компьютера	Клавиатуры, мыши, принтеры, сканеры, дисплеи, модемы, устройства жестких дисков, устройства DVD, графические платы, устройства USB.
Электронные инструменты	Системы сбора данных, осциллографы, вольтметры, генераторы сигналов, логические анализаторы .
Промышленное оборудование	Управление лифтами, системы наблюдения, роботы, станки с ЧПУ, программируемые логические контроллеры, промышленные системы автоматизации и управления.
Офисные машины	факс-аппараты, копиры, телефоны, калькуляторы, кассовые аппараты.
Персональные устройства	сотовые телефоны, переносные плееры MP3, видео-плееры, персональные цифровые помощники (PDA), электронные наручные часы, портативные видеоигры, цифровые камеры, системы GPS.
Роботы	Промышленные роботы , автономные транспортные средства, космические исследовательские роботы (например, роботы- марсоходы )
Игрушки	системы видеоигр, игрушки роботы типа "Aibo", "Furby", и "Elmo".

Операционные системы реального времени

Системы реального времени должны отвечать на внешние параметры ввода и создавать новые результаты вывода за ограниченное время, как показано на рисунке 1.3 . Время ответа должно быть ограничено. Очень длительное время ответа может привести к отказу систем реального времени.

Иллюстративным примером системы реального времени является контроллер автомобильной воздушной подушки безопасности. Когда датчики движения воздушной подушки ( акселерометры ) распознают столкновение, системе необходимо среагировать, раскрывая воздушную подушку в течение 10 мс, или система не сработает нужным образом. На высокой скорости с задержкой более 10 мс водитель уже столкнется с рулевым колесом до того, как раскроется подушка.

Рис. 1.3.

В мягкой системе реального времени приоритет имеют критически важные задачи. Мягкая система реального времени обычно удовлетворяет ограничениям отклика реального времени. Примером типичной мягкой системы реального времени является плеер мультимедиа . Плеер может иногда пропустить видео кадр или аудио сэмпл, и пользователь может это даже не заметить, пока плеер правильно работает большую часть времени.

В жесткой системе реального времени новый результат вывода всегда должен быть вычислен в указанных границах времени, или система не сработает. В качестве примера жесткой системы реального времени рассмотрим систему дистанционного управления рулями (т.е., управляемую компьютером). В системе управления полетом самолета, когда летчик перемещает штурвал управления, рули управления полетом должны в ответ переместиться очень быстро, или самолет потеряет устойчивость и упадет. Чтобы обеспечить безопасность , FAA постоянно проверяет и сертифицирует реакцию в реальном времени управляемых компьютером симуляторов полета и самолеты.

Процедуры обмена страниц виртуальной памяти и сборки мусора, необходимые объектно-ориентированным языкам, могут вызывать проблемы в жестких системах реального времени. Даже кэширование является иногда проблемой, так как может приводить к изменению времени выполнения программы.

Многие встроенные системы являются системами реального времени с несколькими входами и выходами. Несколько событий происходят независимо друг от друга. Программирование упрощается при разделении задач, но это требует от ЦП постоянного переключения между различными задачами. Операционная система , которая поддерживает мультизадачность, обеспечивает разделение времени ЦП между несколькими задачами. ОС обеспечивает также элементы синхронизации, необходимые для координации действий между различными задачами, выполняющимися параллельно.

Операционные системы часто классифицируют по их характеристикам реального времени. Операционная система реального времени должна быть тщательно спроектирована, чтобы поддерживать приложения реального времени. Недавнее исследование приходит к выводу, что 95% приложений реального времени требуют ограниченного времени ответа в диапазоне от 0.5 до 10 мсек. Только 10% отклонение (колебание от 50 микросекунд до 1 мсек) во времени ответа может быть допустимо. Согласно таким требованиям большинство операционных систем общего назначения не являются системами реального времени. Согласно этим критериям встроенная ОС, такая как Windows XP, может рассматриваться в лучшем случае только как мягкая ОС реального времени . Для Windows XP существуют некоторые инструменты сторонних поставщиков, которые улучшают время ответа.

Операционные системы для встроенных систем

Большинство новых устройств имеет сложное программное обеспечение , которое требуется для мультизадачности, синхронизации задач, поддержки широкого диапазона устройств ввода/вывода, планирования и буферизации операций ввода/вывода, управления памятью, поддержки графических дисплеев, файловых систем, сетей, безопасности и управления питанием. Операционная система может предоставить все эти возможности, чтобы помочь разработчикам приложений. Прикладные программисты будут более продуктивными, так как они работают на более высоком уровне абстракции, используя эти средства, предоставляемые операционной системой.

Выпущенная недавно модель сотового телефона содержит более пяти миллионов строк кода. Немногие, если вообще какие-то проекты, будут иметь время и средства, необходимые для разработки всего этого кода полностью самостоятельно. В таких случаях имеет экономический смысл использовать существующую операционную систему. Сокращение времени разработки и снижение расходов вполне оправдают стоимость лицензии операционной системы.

Лицензионные отчисления типичной коммерческой встроенной ОС составляют только несколько долларов на устройство. Некоторые очень простые устройства могут обходиться без ОС, но новые устройства постоянно становятся все более сложными.

В связи с этим большинство встроенных устройств используют встроенную операционную систему. Встроенные операционные системы обычно разрабатываются большей частью на C/C++ и поставляются вместе с компилятором C/C++, ассемблером, и инструментами отладки, чтобы помочь разработчикам в разработке прикладных программ и тестировании устройства. Инструменты разработки встроенных систем должны также поддерживать выполнение программ с помощью кода, хранящегося в энергонезависимой памяти, такой как ROM или память Flash .

Привет, Хабр!
Сегодня я расскажу о такой интересной штуке как операционная система реального времени(ОСРВ). Не уверен, что это будет интересно для бывалых программистов, но, думаю, новичкам понравится.

Что такое ОСРВ?

Если мы посмотрим в Википедию, то увидим аж 4 определения.
Если же говорить вкратце - то ОСРВ - это операционная система, реагирующая на внешние события в определенный промежуток времени. Отсюда мы и можем понять основное предназначение ОСРВ - приборы, в которых необходима быстрая реакция на события (однако ни в коем случае не путайте работу ОСРВ с прерываниями).

Зачем она нам нужна?

На то есть довольно много причин.
Во-первых ОСРВ поддерживает многозадачность, приоритеты процессов семафоры и многое другое.
Во-вторых она очень легкая и почти не требует ресурсов.
В-третьих все вышесказанное мы можем получить практически на любом железе (например, FreeRTOS запускается даже на 8-битных AtMega).
Ну и в-четвертых: просто поиграться и получить удовольствие.

Обзор 3 известных ОСРВ.

Внимание: дальше идет мое личное мнение.

FreeRTOS

Одна из самых популярных ОСРВ на сегодняшний день. Портирована на огромное количество железа. Оффициальный сайт .

Плюсы

1) Бесплатная
2) Портирована на большое количество железа
3) Мощный функционал
4) Есть различные библиотеки: графика, интернет и другое.
5) Хорошая документация.

Минусы

1)Довольно-таки сложный процесс портирования на новое железо.

Вывод: Это действительно профессиональная ОСРВ с хорошей документацией. Будет хороша для новичка, если на его железо уже есть порт.

KeilRTX

До последнего времени эта ОСРВ была коммерческой, но недавно стала открытой. Работает только на архитектуре arm. Оффициальный сайт .

Плюсы

1)Бесплатная
2)Легко портируется на новое железо(в пределах архитектуры arm).
3) Есть различные библиотеки: графика, интернет и другое.

Минусы

1)Работать на в Keil с ней практически нереально
2) Немного урезанный функционал
3) Поддерживается только arm.
4)(на личном опыте) Проигрывает многим ОСРВ по скорости.
Вывод: идеально подойдет для новичка и мелких проектов.

uc/os

Мощная коммерческая ОСРВ. Сайт .

Плюсы

1) Огромное количество функций и библиотек.
2) Поддерживает много железа

Минусы

1)Коммерческая.
2) Сложна в использовании.

Вывод: назвать ее ОСРВ для новичка можно с большой натяжкой.

Другие интересные ОСРВ

RTLinux ОСРВ на основе обычного Линукса.
QNX ОСРВ на основе Unix.

Особенности разработки с использованием ОСРВ

Ну во-первых надо понять следующее: ОСРВ- это не Windows. Его нельзя установить. Эта система просто компилируется с Вашей программой.
При написании программ с ОСРВ не используются функции в обычном их понимании. Вместо функций используются процессы(или таски).Отличие в том что процессы, в отличии от функций, являются бесконечными циклами и никогда не заканчиваются(если только кто-то или он сам его не убъет - то есть выгрузит из памяти).
Если включено несколько процессов, то ОСРВ переключает их, выдавая машинное время и ресурсы по очереди. Вот тут то и возникает понятия приоритета процесса- если двум процессам единовременно нужно машинное время, то ОСРВ даст его тому, у кого приоритет больше.
В ОСРВ есть специальные функции задержки- чтобы время зря не пропадало на время задержки одного процесса выполняется второй.
Теперь поговорим о такой вещи как семафор- эта такая штука, которая управляет доступом процесса к ресурсам приложения. Для каждого ресурса есть маркер - когда процессу нужен ресурс - он его забирает и пользуется данным ресурсом. Если маркера нет, то процессу придется ждать, пока его вернут. Приведу пример: разные процессы отправляют информацию по одному UART. Если бы не было семафора, то они бы отправляли байты по очереди и получилась бы неразбериха. А так первый процесс взял маркер на UART отправил сообщение и отдал второму(и так - до бесконечности).

Дополнительные библиотеки ОСРВ.

Часто ОСРВ предлагают различные библиотеки для работы, например, с графикой, интернетом и т.д. Они действительно удобны и не стоит брезгать их использовать. Однако, помните, что без ОСРВ, для которой они написаны, они работать не будут.
Вот примеры:
Для RTX