GRID_УП

Федеральное агентство по образованию

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра автоматизации обработки информации (АОИ)

Ю.Б. Гриценко

СИСТЕМЫ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

Учебное пособие

2009

Рецензенты: канд. техн. наук, доцент кафедры теоретических основ информатики Томского государственного университета Гусев И.С.; д-р техн. наук, профессор кафедры прикладной

информатики Томского государственного университета Сущенко С.П.

Корректор: Осипова Е.А.

Гриценко Ю.Б.

Системы реального времени: Учебное пособие. — Томск: Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2009. —

256 с.

Рассмотрены вопросы организации и построения систем реального времени. Сделан обзор современных автоматизированых информационных систем управления технологическими процессами и операционных систем реального времени, используемых в них. Основное внимание уделено вопросу построения операционной системы реаль-

ного времени QNX (QNX Software Systems Limited).

Предназначено для студентов специальности 230102 — «Автоматизированные системы обработки информации и управление», обучающихся по дистанционной форме.

♥Гриценко Ю.Б., 2009

♥Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2009

3

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие....................................................................................		7
1 Введение в системы реального времени................................		9
1.1 Определения систем реального времени...............................		9
1.2	Области применения и вычислительные
	платформы СРВ.....................................................................	12
1.3	Организация систем реального времени............................	18
1.3.1 Типичное строение систем реального времени............		18
1.3.2 Задачи, решаемые в системах реального времени........		20
1.3.3 Архитектура приложений систем реального
	времени с учетом предсказуемости ...............................	21
1.3.4 Проектирование систем жесткого реального
	времени.............................................................................	22
Вопросы для самопроверки........................................................		28
2 Автоматизированные системы управления
технологическими процессами..............................................		30
2.1	Этапы развития АСУТП.......................................................	30
2.2	Назначение компонентов систем контроля
	и управления..........................................................................	34
2.3	Функциональные возможности SCADA-систем................	39
2.4	Контроллеры..........................................................................	41
2.5	Технологические языки программирования
	контроллеров по стандарту IEC 1131.3...............................	51
Вопросы для самопроверки........................................................		54
3 Организация операционных систем реального
времени.......................................................................................		55
3.1	Функциональные требования ОСРВ...................................	55
3.1.1 Основные понятия, используемые приформировании
	функциональных требований к ОСРВ...........................	55
3.1.2 Диспетчеризация потоков...............................................		58
3.1.3 Уровни приоритетов........................................................		62
3.1.4 Механизмы синхронизации............................................		64
3.1.5 Защита от инверсии приоритетов...................................		64
3.1.6 Временные характеристики ОС......................................		66

	4
3.1.7 Принципиальные отличия ОСРВ от ОС общего
	назначения........................................................................	67
3.2	Архитектуры построения ОСРВ..........................................	69
3.2.1 Монолитные ОС...............................................................		69
3.2.2 Уровневые ОС..................................................................		70
3.2.3 Клиент-серверные ОС (модульная архитектура,
	архитектура на основе микроядра).................................	71
3.2.4 Объектная архитектура на основе
	объектов-микроядер........................................................	73
3.2.5 Обобщенное построение ОСРВ......................................		74
3.3	Разделение ОСРВ по способу разработки..........................	75
Вопросы для самопроверки........................................................		77
4 Стандарты на ОСРВ................................................................		78
4.1	Важность стандартов на ОСРВ............................................	78
4.2	Стандарт SCEPTRE...............................................................	78
4.3	Стандарт POSIX ....................................................................	79
4.4	DO-178B.................................................................................	88
4.5	ARINC-653.............................................................................	89
4.6	OSEK ......................................................................................	89
4.7	Стандарты безопасности......................................................	90
4.8	Вопросы для самопроверки .................................................	93
5 Обзор ОСРВ...............................................................................		94
5.1	Классификация ОСРВ в зависимости
	от происхождения.................................................................	94
5.2	Системы на основе обычных ОС.........................................	94
5.2.1 Linux..................................................................................		94
5.2.2 Windows NT......................................................................		97
5.3	Собственно типы ОСРВ.....................................................	106
5.3.1 LynxOS............................................................................		106
5.3.2 OS-9.................................................................................		119
5.3.3 VxWorks..........................................................................		123
5.3.4 SoftKernel........................................................................		129
5.3.5 CHORUS .........................................................................		131
5.3.6 pSOS ................................................................................		136
5.3.7 ОС2000............................................................................		138
5.3.8 QNX.................................................................................		141
5.4	Специализированные ОСРВ..............................................	144

	5
5.5	Обобщенный обзор функциональности ОСРВ................	144
Вопросы для самопроверки......................................................		149
6 Микроядро ОС QNX Neutrino ..............................................		151
6.1	Введение..............................................................................	151
6.2	Потоки и процессы.............................................................	154
6.2.1 Вызовы по управлению потоками................................		154
6.2.2 Состояния потока...........................................................		157
6.2.3 Планирование потоков..................................................		158
6.2.4 Управление потоками....................................................		163
6.3	Механизмы синхронизации...............................................	166
6.3.1 Перечень механизмов синхронизации.........................		166
6.3.2 Блокировки взаимного исключения (мьютексы)........		167
6.3.3 Условные переменные...................................................		168
6.3.4 Барьеры...........................................................................		170
6.3.5 Ждущие блокировки......................................................		171
6.3.6 Блокировки по чтению/записи......................................		171
6.3.7 Семафоры.......................................................................		172
6.3.8 Синхронизация с помощью алгоритма
	планирования .................................................................	173
6.3.9 Синхронизация с помощью механизма обмена
	сообщениями..................................................................	174
6.3.10 Синхронизация с помощью атомарных операций....		174
6.4	Межзадачное взаимодействие...........................................	175
6.4.1 Формы межзадачного взаимодействия........................		175
6.4.2 Связь междупроцессамипосредствомсообщений.......		176
6.4.3 Примеры связи между процессами посредством
	обмена сообщениями.....................................................	186
6.4.4 Связь между процессами посредством сигналов........		191
6.5	Управление таймером.........................................................	196
6.6	Сетевое взаимодействие.....................................................	204
6.7	Первичная обработка прерываний....................................	207
6.8	Диагностическая версия микроядра..................................	210
Вопросы для самопроверки......................................................		213
7 Администратор процессов и управление ресурсами
в ОС QNX .................................................................................		214
7.1	Управление процессами.....................................................	214
7.2	Обработчики прерываний..................................................	221

	6
7.3	Администраторы ресурсов.................................................	222
7.4	Файловые системы в QNX .................................................	223
7.5	Инсталляционные пакеты и их репозитарии....................	227
7.6	Символьные устройства ввода/вывода.............................	229
7.7	Сетевая подсистема QNX...................................................	231
7.8	Технология Jump Gate ........................................................	238
7.9	Графический интерфейс пользователя
	Photon microGUI..................................................................	240
7.10 Печать в ОС QNX ..............................................................		243
Вопросы для самопроверки......................................................		245
8 Контрольные работы.............................................................		246
8.1	Контрольная работа № 1 ....................................................	246
8.2	Контрольная работа № 2 ....................................................	246
Глоссарий.....................................................................................		254
Список литературы ...................................................................		256

7

ПРЕДИСЛОВИЕ

Вучебном пособии рассказывается о системах реального времени. Приводится определение систем реального времени и их классификация, рассматриваются основные параметры и механизмы, обеспечивающие требования реального времени. Сделан упор на обзор операционных систем реального времени.

Базовыми категориями в освоении данного курса являются понятия и концепции: построения систем реального времени, диспетчеризация потоков, установка уровней приоритетов, механизмы синхронизации и защиты от инверсии приоритетов.

Для изучения дисциплины «Системы реального времени» необходимо иметь навыки программирования на языке высокого уровня Си, освоить курсы «Операционные системы», «Архитектура и организация ЭВМ».

Учебное пособие по курсу «Системы реального времени» представлено в семи разделах.

Впервом разделе вводятся определения систем реального времени, области применения и вычислительные платформы систем реального времени. Также в разделе уделено внимание обзору архитектур операционных систем реального времени и рассмотрено типичное строение системы реального времени.

Второй раздел содержит описание развития автоматизированных систем управления технологическими процессами, назначения их отдельных компонент, а также в нем представлены функциональные возможности SCADA-систем, контроллеров и технологических языков программирования.

Третий раздел включает вопросы организации операционных систем реального времени, их функциональные требования

иархитектуры построения.

Стандарты на создание операционных систем реального времени рассмотрены в четвертом разделе. Раздел содержит описание стандартов SCEPTRE, POSIX, DO-178B, ARINC-653, OSEK и стандарты безопасности.

Пятый раздел содержит классификацию операционных систем реального времени в зависимости от происхождения и обзор

8

основных функциональных возможностей конкретных операционных систем реального времени

Вшестом разделе приведено описание общего представление об ОС QNX, основные характеристики микроядра ОС QNX, описание связей между процессами, вопросы сетевого взаимодействия, механизм планирования процессов и первичной обработки прерываний.

Вседьмом разделе рассматривается работа администратора процессов и управление ресурсами ОС QNX. Вводится понятие администраторов ресурсов, описываются следующие ресурсы — файловые системы, инсталляционные пакеты, символьные устройства ввода/вывода, сетевая подсистема QNX, графический интерфейс пользователя, печать.

9

1 ВВЕДЕНИЕВ СИСТЕМЫ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

1.1 Определения систем реального времени

Понятия «реальное время», «операционные системы реального времени» известны всем, но толкуются они часто поразному, и спектр этих толкований очень широк. Количество иллюзий и мифов в мире реального времени велико. Прежде чем перейти к их рассмотрению, необходимо дать понятие определению «параллельные системы».

Программные системы, которые по своему назначению должны обрабатывать одновременные события или управлять одновременно выполняемыми операциями, инициируемыми внешними по отношению к ним программами или пользователями, являются параллельными по своей природе [1].

К параллельным системам относятся:

–Системы реального времени (СРВ) и встроенные сис-

темы (специального назначения).

–Обычные и распределенные операционные системы (их компоненты распределены по нескольким компьютерам).

–Системы управления базами данных и системы обработки транзакций.

–Распределенные сервисы прикладного уровня. Рассмотрим первый класс параллельных систем — системы

реального времени.

Английский термин «real-time» и соответствующее ему в русском языке понятие «реальное время» является наиболее спорным и сложным термином. Данное понятие применяется в различных научно-технических областях и подразумевает некие действия, продолжительностькоторыхопределяетсявнешнимипроцессами.

Специфическая особенность систем реального времени

заключается в том, что к ним предъявляются строгие временные требования, диктуемые окружением или определяемые их назначением [1].

Вышеприведенное определение не является единственным для понимания смысла данного понятия, приведем еще несколько определений:

10

–Система называется системой реального времени, если правильность ее функционирования зависит не только от логической корректности вычислений, но и от времени, за которое эти вычисления производятся. То есть для событий, происходящих в такой системе, то, КОГДА эти события происходят, так же важно, как логическая корректностьсамихсобытий[2].

–Реальное время (программное обеспечение): Относится

ксистеме или режиму работы, в котором вычисления проводятся в течение времени, определяемого внешним процессом, с целью управления или мониторинга внешнего процесса по результатам этих вычислений (IEEE 610.12-1990).

–Системы реального времени — это системы, которые предсказуемо (в смысле времени реакции) реагируют на непредсказуемые (по времени появления) внешние события [3].

Одной из функций таких систем может быть выполнение определенных действий в ответ на сигналы тревоги, и очень важно, чтобы они отвечали на них с определенной скоростью. В связи с этим существует разделение систем реального времени на два типа:

1.Системы с жесткими временными характеристиками — системы жесткого реального времени.

2.Системы с нежесткими временными характеристиками — системы мягкого реального времени.

Системой жесткого реального времени называется система, где неспособность обеспечить реакцию на какие-либо события в заданное время является отказом и ведет к невозможности решения поставленной задачи. Многие теоретики ставят здесь точку, из чего следует, что время реакции в жестких системах может составлять и секунды, и часы, и недели. Однако большинство практиков считают, что время реакции в системах жесткого реального времени должно быть все-таки минимальным. Большинство систем жесткого реального времени являются системами контроля и управления. Такие СРВ сложны в реализации, так как для них предъявляются особые требования в вопросах безопасности.

Точного определения для мягкого реального времени не существует, поэтому отнесем сюда все СРВ, не попадающие в категорию жестких. Так как система мягкого реального времени