|
Читайте также: |
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ
(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
В.Е.Секретарёв
М.Н.Машкин
Системы реального времени
Учебное пособие
Утверждено
на заседании редсовета
23 октября 2009 г.
Москва
Издательство МАИ-ПРИНТ
УДК
Секретарёв В.Е., Машкин М.Н. Системы реального времени: Учебное пособие. — М.: Изд–во МАИ–ПРИНТ, 2010. —96 с.
Учебное пособие содержит теоретический материал, а также задания и методические указания на выполнение лабораторных работ по курсу «Системы реального времени» с использованием языка С++ в среде операционной системы QNX.
Предназначено для студентов старших курсов МАИ, обучающихся по специальности "Автоматизированные системы обработки информации и управления".
Выполнение работ ориентировано на применение ЭВМ и требует навыков программирования.
Рецензенты:
кафедра экономики и управления (зав. кафедры д–р эконом.наук,
проф. В.Д.Секерин;
канд. экон. наук, доц. И.А.Меркулина.
ISBN 5– – – © Московский авиационный институт
(государственный технический университет), 2010
Предисловие
Учебное пособие «Системы реального времени» состоит из двух частей:
1. Системы реального времени.
2. Лабораторные работы.
Первая часть состоит из восьми разделов, в которых рассматриваются вопросы особенностей систем реального времени (СРВ). Даётся описание технических средств, применяемых в СРВ летательными аппаратами, их программные интерфейсы. Приводятся данные по операционным системам СРВ, а также средств и методов по управлению процессами и потоками.
Вторая часть содержит взаимосвязанные с первой частью четыре лабораторные работы:
1. Установка ОС QNX.
2. Синхронизация потоков с использованием методов «Присоединение», «Барьер», «Мьютекс» и «Блокировки чтения - записи».
3. Взаимодействие между процессами с помощью сообщений. Модель «клиент/сервер». Таймеры.
4. Работа с последовательным портом (СОМ-порт) передачи данных.
Лабораторные работы содержат 27 оригинальных заданий, имеющих сквозную нумерацию
Первая часть соответствует лекционному курсу и обеспечивают практическое выполнение лабораторных работ второй части.
Основной подход при выполнении лабораторных работ базируется на применении программных средств ОС QNX и языка программирования С++.
СИСТЕМЫ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ
Особенности систем реального времени
Любая современная вычислительная система (ВС) состоит из трех главных взаимосвязанных и взаимодействующих компонентов: аппаратного обеспечения, операционной системы (ОС) и программного обеспечения. Основу программного обеспечения образует, как правило, некоторая операционная система (ОС), представляющая собой совокупность взаимосвязанных программных средств, обеспечивающих управление аппаратными средствами ВС с целью организации высокоэффективного вычислительно процесса. ОС выступает посредником между аппаратными средствами ВС и пользователем ВС, обеспечивая эффективную работу по созданию и эксплуатации специального ПО.
Функции, выполняемые ОС, многообразны. Их конкретный набор определяется используемыми аппаратными средствами, режимом функционирования ВС, режимом доступа пользователей к ВС, спецификой решаемых задач обработки данных. Однако основной набор функций практически одинаков для всех ОС и в первую очередь связан с управлением ресурсами ВС.
Ресурсы ВС можно разбить на первичные – аппаратные ресурсы ВС, и вторичные – логические информационные и программные ресурсы.
Из состава аппаратных ресурсов вытекают функции управления ими: управление основной памятью, управление процессором, управление устройствами. Эти устройства являются первичными потому, что за ними стоят реальные аппаратные средства ВС. Вторичные ресурсы с техническими устройствами связаны косвенно и являются логическими (виртуальными). Примером вторичного ресурса является понятие файла – упорядоченная совокупность записей во внешней памяти. Использование такой логической единицы как файл, во-первых, удобно – файл создается, копируется, уничтожается как единое целое; во – вторых, необходимо, так как файл может превращаться в ресурс. Это происходит в режиме мультипрограммирования, когда одновременно выполняются несколько программ. Если одна программа записывает данные в файл, то для других программ этот файл должен быть недоступен.
Процесс выполнения машинной программы называется программным процессом. Слежение за развитием процессов и их переключение в режиме мультипрограммирования – это важнейшая функция ОС, функция управления процессами.
С точки зрения назначения ОС может быть ориентирована на выполнение заданий пользователей в пакетном или диалоговом режиме. Отдельно можно выделить системы реально времени (СРВ), которые ориентированы на управление реальными устройствами, связанными с ЭВМ каналами передачи данных, в реальном масштабе времени.
Важное значение во многих областях применения ЭВМ имеют операционные системы реального времени (ОС РВ). Каждая ОС РВ предназначена прежде всего для того, чтобы отслеживать и определенным образом реагировать на многочисленные и, в общем случае, разнотипные события, возникающие независимо друг от друга в реальном времени. Такими событиями могут быть генерация очередного прерывания от таймера, поступления данных или сообщения с внешнего устройства или из канала связи, возникновение сигнала прерывания, истечение заданного интервала времени и т.д. Реакция на событие зависит от его типа и алгоритма обработки. Например, при генерации очередного прерывания от таймера ОС РВ может запустить программу опроса некоторых датчиков.
Вычислительная система, работающая в реальном времени, (СРВ) может быть определена как система, которая управляет внешними объектами или осуществляет обработку информации, получая информацию обрабатывая ее, и возвращая результаты в течение определенного временного интервала для того, чтобы воздействовать на функционирование внешних объектов. Причем результаты обработки информации или управляющие воздействия могут вырабатываться быстрее, но никак не медленнее, заданного временного интервала. Иначе можно сказать, что вычислительная система, работающая в реальном времени эта та, в которой правильность вычислений зависит не только от логической правильности вычисления, но также и от времени, в которое результат произведен. Если временные ограничения системы не выполнены, то, как считают, происходит отказ системы”.
Функционирование СРВ должно быть предсказуемо при различных внешних условиях, возникающих в процессе работы. СРВ предназначены решать задачи, в которых важны не только правильность решения, но и сроки, в которые эти решения принимаются. Если задача не успела выполниться к заданному моменту времени, то считается, что она вообще не была выполнена. Такие задачи называются задами жесткого реального времени. Существует также понятие задач мягкого реально времени. К ним можно отнести задачи, которые могут нарушать временные сроки своего завершения, но это является допустимым свойством.
СРВ должны иметь возможность функционировать в течение всего срока службы используемых аппаратных средств. Причем характеристики аппаратных средств могут быть совершенно различными. К ним можно отнести: процессор, его разрядность, быстродействие, систему команд; объем и тип ОЗУ; объем и тип ПЗУ; разрядность ЦАП и АЦП; наличие внешних интерфейсов связи (MIL-STD1553B, ARINC-429, RS-232C, USB и т.д.).
В качестве основной единицы работы ОС РВ можно выделить такое понятие, как задача. Задача – это процесс, развитие которого определяется некоторым алгоритмом, программой, выделенными ресурсами, а также другими процессами.
Как правило, ОС РВ обеспечивает параллельное выполнение многих задач, достаточно малый интервал времени отсчета таймера. В однопроцессорной вычислительной системе параллельное выполнение задач реализуется достаточно частым переключением процессора с одной задачи на другую, т.е. реализуется логическая параллельность работы процессов с разделением времени. Последовательность переключений процессора, интервал занятости его выполнением каждой из задач до переключения на какую-нибудь другую задачу регулируются с помощью приоритетов, назначаемым задачам, и от организации планирования работы процессора ВС. В ходе функционирования ВС приоритет каждой из задач, выполняемых под управлением ОС, может изменяться во времени. Уровень изменения приоритета может зависеть от длительности пребывания задачи в очереди к процессору, длительности использования процессорного времени, количество квантов времени в течение которых процессор решает задачу.
Каждая задача во время своего выполнения принимает ряд состояний, число которых в общем случае может быть достаточно велико. Однако для ОС наиболее важное значение имеют укрупненные состояния задачи (рис. 1.1):
· готовая к выполнению
· выполняемая
· заблокированная.
В дополнении к перечисленным выше состояниям, следует учесть также состояние, в котором задача только создается, и состояние в котором задача завершается или прекращается.
|
| Рис. 1.1 Состояния задачи |
Здесь А1, А2, …, А7 – группы причин, приводящих к изменению состояний задачи.
Группа А1 содержит обычно единственную причину – завершение создания задачи. В группу А2 могут входить такие причины, как освобождение процессора от выполнения более приоритетных задач или наступления момента для выделения данной задаче кванта процессорного времени. Для А3 - причинами могут быть, например, инициирование выполняемой задачей операции ввода – вывода данных, без которой эта задача не может далее выполняться. Или задача может сама приостановить свое выполнение на определенный временной интервал. Для А4 причинами могут быть, например, готовность к выполнению более приоритетной задачи, чем выполняемая, или истечение для выполняемой задачи выделенного ей кванта процессорного времени. В группы А5 и А6 может входить одна и та же причина – наступления события, ожидаемого задачей или выводящего задачу из состояния блокировки. В случае если выполняется задача с более высоким приоритетом, чем задача с закончившимся ожиданием, то последняя перейдет в состояние «готова к выполнению». Иначе, если нет более приоритетной задачи, чем задача с закончившимся ожиданием перейдет в состояние выполнения, прервав при этом менее приоритетные задачи. Группе А7 могут быть отнесены причины соответствующие нормальному завершению или возникновению неисправимой ошибки в задаче.
Дата добавления: 2015-12-08; просмотров: 91 | Нарушение авторских прав