7. Программное обеспечение плк и пк

7.1. Операционные системы реального времени.

Операционной системой (ОС) – Operating Systems (OS) называется комплекс программ, обеспечивающих управление основными ресурсами вычислительной системы (процессора, оперативной памяти, периферийных устройств). ОС является основной частью системного программного обеспечения.

Основные функции операционных систем:

- ведение файловой системы;

- распределение оперативной памяти;

- динамическая компоновка выполняемых программ;

- обработка прерываний;

- обеспечение многозадачной работы;

- взаимодействие с оператором;

- сетевое взаимодействие и другие функции.

Основные составные части любой ОС:

- монитор,

- загрузчик,

- супервизор,

- планировщик,

- набор системных обслуживающих программ (утилит).

При включении промышленного компьютера ОС загружается в первую очередь и служит далее платформой и средой для дальнейшей работы ПК.

Операционная система реального времени (ОСРВ), используемая в системах контроля и управления, имеет отличия от обычной ОС. По определению, данному Мартином Тиммерманом,

ОСРВ – система, которая предсказуемо реагирует на не предсказуемое(по времени появления) внешние события. Таким образом, система работает в режиме РВ, если её быстродействие адекватно скорости протекания физических процессов в системе контроля или управления.

Различают системы жесткого и мягкого реального времени.

Системой жесткого времени называется система, неспособность которой обеспечить реакцию на внешнее событие в заданное время (минимальное), классифицируется как отказ.

Системой мягкого реального времени называется система, не попадающая в категорию жестких систем. Время реакции такой ОСРВ может быть несколько больше заданного.

Основные требования, предъявляемые к ОСРВ:

- предсказуемость,

- возможность параллельного выполнения нескольких задач (многозадачность),

- возможность обеспечения механизма наследования приоритетов,

- безотказность работы в течение длительного времени.

К ОСРВ относятся следующие операционные системы: QNX, UNIX, RT Linux, Vx-Works, MS DOS, Windows NT, Windows CE.NET, OC-9, OS-2000, OS 5000, OS/2 и др.

Рассмотрим некоторые ОСРВ.

1. Система QNX – 16/32-разрядная ОС, которая построена по технологии FLEET (Fault tolerance -отказоустойчивая, Load-balancing-регулирующая нагрузку, Efficient-эффективная, Extensible-расширяемая, Transparent-прозрачная). Система QNX соответствует требованиям стандарта POSIX (Portable Operating System Interface – интерфейс переносимых ОС.

QNX обеспечивает:

- мультизадачность,

- приоритетную диспетчеризацию,

- быстрое переключение контекстов, то-есть, все необходимые составляющие свойства ОСРВ.

QNX – модульная система, базирующаяся на двух принципах6

1. – архитектуре типа микроядра,

2. – связей между процессами, базирующихся на сообщениях.

QNX состоит из малого ядра, управляемого группой взаимодействующих процессов. Размер ядра – менее 8Кбайт. Ядро предназначено для двух функций:

- передачи сообщений – ядро руководит маршрутизацией всех сообщений между всеми процессами во всей системе;

- диспетчеризации – диспетчер является частью ядра, и вызывается всякий раз, когда процесс изменяет состояние в результате полученного сообщения или прерывания.

Архитектура QNX позволяет пользователю наращивать операционную систему собственными программами, чтобы обеспечить новый сервис. Драйверы устройств являются процессами. Поскольку драйверы запускаются как стандартные процессы, добавление нового драйвера в QNX не влияет на другие части операционной системы (окружение QNX).

2. Операционная система UNIX.

ОС UNIX является многопользовательской, многозадачной системой с разделением времени.

В ОС UNIX традиционно поддерживается схема мультипрограммирования. Система имеет

возможность параллельного выполнения нескольких программ. Так как каждый процесс выполняется в собственной виртуальной памяти, процессы защищены друг от друга.

Диспетчер процессов, обеспечивающий распределение ресурсов между процессами, имеет кольцевой режим планирования (round robin).

В ОС UNIX был внедрен механизм легковесных процессов (light-weight) или нитей управления. Нити – это процессы, исполняющиеся в одной и той же виртуальной памяти процесса.

Механизм нитей позволяет еще больше поднять эффективность работы SPM-систем (Simple Management Protocol – простой протокол управления сетью). Синхронизация выполнения нитей достигается при помощи механизма замков (lock). Многопотоковость помогает решить проблему обеспечения работы в режиме реального времени.

В настоящее время большая часть ОС семейства UNIX являются 64-разрядными.

К важным свойствам ОС UNIX относится ряд черт, позволяющих:

- автоматически переконфигурировать системы после выхода из строя отдельных компонентов,

- дублировать наиболее критичные компоненты систем,

- производить автоматическую перезагрузку системы в случае её краха (LAP – функция).

ОС UNIX широко используется для реализации кластерных решений. Под кластерами понимаются объединение нескольких стандартных вычислительных систем (называемых узлами),

используемых как единое целое для обеспечения доступа пользователей к приложениям, системным ресурсам и данным. Кластерные решения обеспечивают высокий уровень надежности.

В системе UNIX, как в многопользовательской среде, большое внимание уделяется проблеме безопасности. Основные принципы и уровни безопасности для ОС UNIX разрабатываются на основе документа Национального Центра компьютерной безопасности США

(NCSC), известного как «Оранжевая книга». Она определяет иерархию 4-х уровней безопасности, каждый последующий из которых строже предыдущего. Для большинства версий UNIX стандартным является уровень безопасности С2: управляемая защита доступа с требованием возможности ревизии, защиты паролем, строгим тестированием и документированием.

За время существования ОС UNIX для неё было написано огромное количество приложений.

Для разных версий UNIX это количество достигает к настоящему времени более 10 000.

3. Операционная система Linux и ОС RT-Linux.

С программной точки зрения ОС Linux является UNIX- подобной операционной системой.

Значительная часть ПО, вышедшего в свет за последние два десятилетия, для ОС UNIX, может без каких-либо изменений использоваться и в ОС Linux.

ПР вышеприведенной классификации ОС Linux является многопользовательской, много-

задачной, сетевой ОС. ОС Linux поддерживает стандарты открытых систем и протоколы сети

Internet.

Характерные особенности ОС Linux:

• многозначность и многопользовательский режим;

• защищенный режим процессора;

• защита памяти процесса – сбой программы не вызывает «зависания» системы;

• экономная загрузка – Linux считывает с электронного диска только те части программы, которые используются для выполнения в данный момент времени;

• виртуальная память со страничной организацией (то-есть, на диск из памяти вытесняется не весь неактивный процесс, а только требуемая страница; объем памяти до 3Гбайт);

• ОС и все программы работают каждый в своем виртуальном адресном пространстве, и не имеют возможности изменять ход или данные другого процесса;

• сертификация по стандарту POSIX.1;

• наличие бесплатного исходного текста всех программ, включая тексты ядра, драйверов, средств разработки и приложений;

• управление заданиями в стандарте POSIX; совместима на уровне исходных кодов с UNIX SVR4 b BSD 4.4,что предоставляет возможность быстрого переноса программного обеспечения под другие программные (совместимые с UNIX и POSIX) и аппаратные платформы (Alpha и Sparc);

• наличие собственной файловой системы и поддержка ряда распространенных файловых систем;

• прозрачный доступ к разделам DOS (или OC2FAT), поддержке всех форматов CD ROM , сети TCP/IP, включая протоколы: FTP, Telnet, NFS и др.

Стандартное Linux-ядро занимает около 1,5Мбайт, а требуемый объем памяти составляет более 4Мбайт. Дистрибутив ОС Linux занимает несколько сотен Мбайт.

ОС Linux не является ОСРВ. В ней реализован механизм планирования процессов, называемый режимом равноправия, который предназначен для систем с разделением времени (но не ОСРВ). Поэтому для управления процессами в режиме РВ используется ОС RT-LINUX. Это ОС, в которой Linux-ядро является отдельной задачей, выполненной под управлением небольшой управляющей программы-диспетчера, работающей в режиме РВ. В ОС RT-LINUX все прерывания обрабатываются ядром реального времени.

4. ОС Windows NT с RTX.

Это многозадачная ОС фирмы Microsoft. Расширение реального времени RTX (Real Time Extension) для ОС Windows NT корпорации VenturCom позволяет создавать приложения для высокоскоростного управления с детерминированным временем реакции на внешние события.

RTX интегрировано в ядро Windows NT и для обеспечения необходимых функций использует сервис Windows NT. Каждый процесс RTX выполняет как драйвер устройства ядра NT. Такая реализация приводит к быстрому переключению контекста.

RTX добавляет к Windows NT специфическую для РВ функциональность:

- обеспечивается возможность создавать процессы РВ, управляемые собственным планировщиком;

- имеется возможность контроля над работоспособностью и временами реакций системы,

что гарантирует её предсказуемость;

- представляется возможность работы с быстрыми часами и таймером высокого разрешения;

- обеспечивается возможность прямого доступа к памяти и физическим устройствам.

5. ОСРВ Windows CE. NET.

(CE – Consumer Electronic).

32-разрядная, многозадачная ОС (фирмы Microsoft).

Существует несколько версий:

1 - ОС Windows CE 1.0 19996г. 2 - ОСWindows CE 2.0 1997г.

3 - ОС Windows CE 2.1 1998г.

4 - ОС Windows CE 3.0 2000г.

5 - ОС Windows CE 5.0 – объединяет возможности ОСРВ предыдущих версий.

ОС Windows CE обладает всеми необходимыми свойствами компактности, масштабируемости ОС жесткого реального времени, многоплатформности.

1. Windows CE является самой компактной из всех ОС семейства Windows. Минимальная

конфигурация: ядро и основные службы требуют менее 500Кбайт. Полный комплект ОС с графическим интерфейсом, коммуникационными возможностями занимает около 2.5 Мбайт. Большинство компонентов ОС может быть записано в ПЗУ ПЛК, отнимая минимум оперативной памяти.

2. Windows CE состоит из набора компонентов, некоторые из которых являются обязательными, а некоторые – факультативными.

3. Заложенные в Windows CE средства позволяют использовать эту ОС в качестве ОСРВ.

4. Windows CE поддерживает различные вычислительные платформы Microsoft Windows.

5. Высокая надежность Windows CE обеспечивается тем, что она может выполняться как из РОМ, так и из Флэш-памяти.

6. Операционная система MS DOS.

Сохраняет довольно прочные позиции на уровне контроллеров в системах управления за счет:

- стабильности,

- дешевизны,

- нетребовательности к вычислительным ресурсам,

- простотой в эксплуатации.

ОС MS DOS не является ОСРВ. Однако работа в РВ может исполняться в совокупности с модулями, реализующими соответствующие функции. Например, ОС Trace Mode использует исполнительные модули для ПЛК для запуска под MS DOS.