Характеристика систем реального времени

Характеристика систем реального времени

СРВ — это система, правильность функционирования которой зависит от логической корректности вычислений, и от времени, за которое эти вычисления производятся. Система работает в реальном времени, если ее быстродействие обработки данных и генерирования управляющих сигналов адекватно скорости протекания физических процессов на объектах контроля или управления. Быстродействие системы реального времени больше, при большей скорости протекания процессов на объекте управления.

Принято различать системы мягкого и жесткого реального времени. В системе жёсткого реального времени обработка событий происходит строго за предусмотренное время, большее считается фатальной ошибкой. Примерами могут быть бортовые системы управления (на самолёте, космическом корабле), системы аварийной защиты.

Системами мягкого реального времени называются системы, не успевающие решать задачу, но это не приводит к отказу системы в целом (все не относящиеся к жестким).

в промышленности, включая системы управления технологическими процессами, системы промышленной автоматизации, SCADA-системы, испытательное и измерительное оборудование, робототехнику.

в медицине (томографию, оборудование для радиотерапии, прикроватное мониторирование).

встроены в периферийных устройствах (лазерные принтеры, сканеры, цифровые камеры, маршрутизаторы, системы для видеоконференций, мобильные телефоны, микроволновые печи, музыкальные центры, кондиционеры, системы безопасности)

на транспорте (в бортовых компьютерах, системах регулирования уличного движения, управлении воздушного движения, аэрокосмической технике, системе бронирования билетов)

в военной технике: системах наведения ракет, противоракетных системах, системах спутникового слежения.

2) Системы реального времени на базе операционных систем реального времени. Архитектура операционных систем реального времени. Планировщик задач. Интервал времени реакции.

В случае использования промышленных компьютеров, а также бортовых систем управления для создания программного обеспечения применяют операционные системы реального времени (ОС РВ). Примерами операционных систем реального времени являются QNX, OS-9, OS Lynx, VxWorks и т.д.(около 100).

Рис. 1.1. Типы архитектур операционных систем

Современные процессоры поддерживают два режима выполнения программного кода:

– «режим ядра» — имеет доступ ко всем ресурсам ЭВМ – ко внешним устройствам, к оперативной памяти по физическим адресам и пр.

– «Режим приложений» — работает в виртуальной среде, сформированный программами режима ядра.

Все компоненты «монолитной» ОС работают в режиме ядра в едином адресном пространстве. Главное достоинство таких ОС – высокая производительность. Недостатки – невозможность внесения изменений в структуру ОС(плохая масштабируемость) и невысокая реакция на внешние события (обработка этого события задерживается до возвращения на уровень приложений).

Особенность «микроядерных» ОС – наличие быстродействующего «микроядра», работающего в режиме ядра, а все остальные компоненты ОС работают в режиме приложений. Хорошая гибкость и масштабируемость ОС, малое время реакции на внешние события. Такие ОС отличаются относительно невысокой производительностью, т.к. при работе происходят частые переключения из режима в режим. В микроядерной архитектуре все услуги для прикладного приложения микроядро обеспечивает, отсылая сообщения соответствующим сервисам (драйверам, серверам) — другим процессам, которые, выполняются не в пространстве ядра (а в пользовательском кольце защиты).

Для примера микроядро QNX всего 8 Кбайт! Дело в том, что ядро управляет только разделением времени между процессами и передачей сообщений. Даже управление процессами и распределение ресурсов для процессов осуществляется отдельным процессом, который так и называется — менеджер процессов.

Планировщик ОС РВ, в отличии от ОС общего назначения(которые по истечении каждого кванта времени просматривает очередь активных процессов и принимает решение, кому передать управление, основываясь на приоритетах процессов), имеют возможность сменить процесс до истечения непрерывного кванта времени ("time slice"), если в этом возникла необходимость. Они не могут используется алгоритм круговой диспетчеризации в чистом виде, из-за того, что в течение непрерывного кванта времени, процессором владеет только один процесс. ОС РВ отличаются богатством различных алгоритмов планирования, цель одна — предоставить инструмент, позволяющий в нужный момент времени исполнять именно тот процесс, который необходим.

Интервал времени реакции – от возникновения запроса на прерывание и до выполнения первой инструкции обработчика определяется целиком свойствами операционной системы и архитектурой компьютера. Интервалы времени реакции для различных ОС РВ приблизительно находится в пределах 5 мкс.

Читайте также:  Контент для взрослых билайн код

Классификация систем реального времени. Средства разработки систем РВ. Понятие систем реального времени. Организация систем РВ. Требования к системам реального времени. Общие характеристики систем РВ.

Классификация реализации систем реального времени

СРВ — распределенные системы управления с большим количеством контролируемых параметров.

Реальное время – это время, которое удовлетворяет информационную систему в обслуживании внешних событий.

Основное применение СРВ находится в следующих областях:

1. Анализ протоколов передачи данных.

Анализатор протокола обеспечивает прием всех данных сети и анализ ошибок передачи данных. Существует программный и аппаратный анализатор протоколов.

2. Операционные СРВ. Система ориентирована на автоматизированные системы, в которых требуется своевременная адекватная реакция на события.

3. Применение в языках программирования. Языки СРВ предназначены для создания СРВ Assembler, C, Ada (спутниковые системы наблюдения).

4. Промышленные СРВ. Протоколы передачи данных АСУ: FieldBus, промышленные Ethernet.

5. SCADA-приложения. Предназначены для визуализации работы автоматизированной системы или автоматизированного объекта.

6. БД реального времени – базы данных, в которых предусмотрены функции с физическими данными, полученными в датчиках. Например, Industrial SQL.

7. SCADA-приложения и БД реального времени могут сформировать комплексные системы реального времени. Системы разрабатываются под ключ.

Классификация систем реального времени

1. По типу применения

2. По характеру работы

По типу применения различают:

СРВ называется специализированной, если она ориентирована на строго определенную задачу. Обычно применяются, где есть риск для человека. 70% — разработка, 30% — установка.

СРВ называется универсальной, если ее можно применять для различных задач автоматически. Человеческий фактор сведен к нулю. 90% — разработка, 10% — установка.

По характеру работы различают:

· Системы жесткого реального времени (hard) (HRT)

· Системы мягкого реального времени (soft) (SRT)

СЖРВ (система жесткого реального времени) – это СРВ, в которой невыполнение одной функции ведет к отказу всей системы. Система может функционировать в случае отказа «не важной» функции.

Система является СМРВ (система мягкого реального времени), если она не является СЖРВ (системой жесткого реального времени).

Среди СЖРВ и СМРВ выделяют следующие системы:

· истинные СРВ – это СЖРВ, в которых время ответа очень мало.

· Устойчивые СРВ – это СМРВ, в которых нет преимущества от смены операций между собой.

Средства разработки систем РВ

Средства разработки СРВ – это инструменты, позволяющие спроектировать СРВ на модельном объекте, отладить ее и перенести на реальный физический объект.

Проблемы проектирования систем

1. Распределенное управление. Сам объект систем автоматизации имеет несколько систем, требующих обеспечить взаимодействие между этими подсистемами. Подсистем может быть несколько, и одна подсистема может иметь несколько устройств управления. 1 устройство – 1 датчик.

2. Обеспечение реального масштаба времени.

Минимальный такт для СРВ – 20 мс. Минимальный цикл для СРВ – 20 мс.

3. Обеспечение заданного времени отклика на запрос.

1. Задача управления временем. Наличие таймеров программных и аппаратных, наличие функций контроля за выполнением операций. Время – это наивысший ресурс.

2. Планирование процесса выполнения задач. Построение очереди исполнения функций в автоматизированной системе. Данная последовательность реализуется в объекте, называемом планировщик.

3. Обеспечение коммуникации узлов в распределенных сетях. Сетевой планировщик задач.

4. Обеспечение логической корректности выполнения задач.

Построение алгоритма системы

Система называется системой реального времени (СРВ), если правильность ее функционирования зависит не только от логической корректности вычислений, но и от времени, за которое эти вычисления выполняются.

Основной задачей СРВ является получение надлежащих результатов за определенный кратчайший срок.

С точки зрения пользователя необходимо контролировать два параметра:

1. Логическая корректность вычислений.

2. Время возникновения событий в системе.

Организация систем реального времени

СРВ состоит из трех подсистем:

Между этими подсистемами существуют интерфейсы:

1-2 – интерфейс приложения,

2-3 – машинный интерфейс.

Контролируемая подсистема диктует требования в реальном масштабе времени и выдает основные характеристики объекта управления.

Читайте также:  Переезд в подмосковье на пмж отзывы 2018

Контролирующая подсистема управляет вычислениями, управляет связью с внешним оборудованием.

Операционная подсистема обеспечивает связь с оператором. Контролирует полную деятельность системы.

Интерфейс приложения реализуется с помощью датчиков и исполнителя элементов.

Машинный интерфейс обеспечивает связь конечных устройств информационной системы с подсистемой визуализации оператора.

Место СРВ в информационных системах

Все существующие информационные системы можно разделить на:

1. человеко-машинные системы

2. автоматизированные и автоматические системы

Классификация по этим типам производится с параметрами надежность и вероятность отказа. В зависимости от установленных критериев определяется сложность к установке и адаптации системы

Существует группа систем обладающая высокой сложностью разработки, но не стоятся к СРВ. К ней можно отнести информационные системы, обеспечивающие накопление информации по требованиям оператора можно отнести СУБД.

При построении СРВ вероятность отказа должна составлять 10-10 за час функционирования. Вероятность отказа при смене режима работы должна составлять 10-4 за год.

Требования к СРВ

1. По времени выполнения задач и функционирования системы

1.1. период функционирования – время, через которое задача запускается вновь

1.2. крайний критический срок выполнения – превышение этого срока – отказ системы

1.3. время выполнения – зависит от количества операций выполняемых задачей

1.4. суммарное время выполнения – зависит от количества ошибок

2. Требование возможности параллельного выполнения нескольких задач

3. Предсказуемость (оператор должен знать что произойдет с системой по истечении какого0либо периода времени)

4. Учет максимального времени отклика на событие, а не среднего времени (учитывается самое наихудшее состояние в системе)

5. Особое требование в условии безопасности системы – защита системы от постороннего вмешательства в алгоритм системы. Вопросы безопасности должны решаться на информационном м организационном уровнях.

6. Возможность безотказной работы в течение длительного периода времени. Описывает регламент по работе системы м обслуживанию системы. Проведение регламентных работ производится не позднее 16-ти часов работы.

Контролирующая подсистема должна обеспечивать распределение ресурсов таких как память, доступ к сети, устройство длительного хранения информации.

Любая контролирующая подсистема, кроме обеспечения интерфейса операционной системы (ОС), должна обеспечивать контроль записи на внешние устройства.

Общие характеристики СРВ

СРВ – большая сложная система, которую разрабатывают больше года и в процессе функционирования дорабатывают.

1. СРВ – распределенные системы управления с большим количеством контролируемых параметров.

2. СРВ должна обеспечивать взаимодействие с окружающим миром в Ом числе жесткое взаимодействие с оборудованием и четким контролем операций.

3. Выполнение задач зависит от времени последовательности и времени исполнения

4. Сложность тестирования (для тестирования создают специальные группы, котрые не должны учувствовать в разработке системы, это для того чтобы обеспечить максимальный эффект при анализе недостатков системы).

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 корректность самих событий.

Говорят, что система работает в реальном времени, если ее быстродействие адекватно скорости протекания физических процессов на объектах контроля или управления. Так как окружающий нас мир весьма многообразен, здесь уместно добавить, что имеются в виду именно те процессы, которые непосредственно связаны с функциями, выполняемыми конкретной системой реального времени. То есть система управления должна собрать данные, произвести их обработку в соответствии с заданными алгоритмами и выдать управляющие воздействия за такой промежуток времени, который обеспечивает успешное решение поставленных перед системой задач.

Целью данной работы является описание программирования реального времени.

Предмет работы — это системы реального времени, в качестве объекта выступают методы программирования систем реального времени.

Система реального времени (СРВ) — это система, которая должна реагировать на события во внешней по отношению к системе среде или воздействовать на среду в рамках требуемых временных ограничений. Оксфордский словарь английского языка говорит об СРВ как о системе, для которой важно время получения результата. Другими словами, обработка информации системой должна производиться за определённый конечный период времени, чтобы поддерживать постоянное и своевременное взаимодействие со средой [1]. Естественно, что масштаб времени контролирующей системы и контролируемой ей среды должен совпадать [2].

Читайте также:  Перевод текста пдф с английского на русский

Под реальным временем понимается количественная характеристика, которая может быть измерена реальными физическими часами, в отличие от логического времени, определяющего лишь качественную характеристику, выражаемую относительным порядком следования событий. Говорят, что система работает в режиме реального времени, если для описания работы этой системы требуются количественные временные характеристики [2].

Характеристики систем реального времени

Процессы (задачи) систем реального времени могут иметь следующие характеристики и связанные с ними ограничения [3]:

1) дедлайн (англ. deadline) — критический срок обслуживания, предельный срок завершения какой-либо работы;

2) латентность (англ. latency) — время отклика (время задержки) системы на внешние события;

3) джиттер (англ. jitter) — разброс значений времени отклика. Можно различить джиттер запуска (англ. release jitter) — период времени от готовности к исполнению до начала собственно исполнения задачи и джиттер вывода (англ. output jitter) — задержка по окончании выполнения задачи. Джиттер может возникать под влиянием других, одновременно исполняемых задач.

В моделях систем реального времени могут фигурировать и другие параметры, например, период и количество итераций (для периодических процессов), нагрузка (англ. load) — количество команд процессора в худшем случае [3].

В зависимости от допустимых нарушений временных ограничений системы реального времени можно поделить на системы жёсткого реального времени (англ. hard real-time), для которых нарушения равнозначны отказу системы, и системы мягкого реального времени (англ. soft real-time), нарушения характеристик которых приводят лишь к снижению качества работы системы [1]. Также можно рассматривать твёрдые системы реального времени (англ. firm real-time), в которых допускается небольшое нарушение дедлайнов, но большее нарушение может привести к катастрофическому отказу системы [4-5].

События реального времени могут относиться к одной из трёх категорий [1]:

· Асинхронные события — полностью непредсказуемые события. Например, вызов абонента телефонной станции.

· Синхронные события -предсказуемые события, случающиеся с определённой регулярностью. Например, вывод аудио и видео.

· Изохронные события — регулярные события (разновидность асинхронных), случающиеся в течение интервала времени. Например, в мультимедийном приложении данные аудиопотока должны прийти за время прихода соответствующей части потока видео.

Применение систем реального времени

С развитием технологий системы реального времени нашли применения в самых различных областях. Особенно широко СРВ применяются в промышленности, включая системы управления технологическими процессами, системы промышленной автоматики, SCADA-системы, испытательное и измерительное оборудование, робототехнику. Применения в медицине включают в себя томографию, оборудование для радиотерапии, прикроватный мониторинг. СРВ встроены в периферийные устройства компьютеров, телекоммуникационное оборудование и бытовую технику, такую как лазерные принтеры, сканеры, цифровые камеры, кабельные модемы, маршрутизаторы, системы для видеоконференций и интернет-телефонии, мобильные телефоны, микроволновые печи, музыкальные центры, кондиционеры, системы безопасности. На транспорте СРВ применяются в бортовых компьютерах, системах регулирования уличного движения, управлении воздушного движения, аэрокосмической технике, системе бронирования билетов и т. п. СРВ находят применения и в военной технике: системах наведения ракет, противоракетных системах, системах спутникового слежения [8].

Примеры систем, работающих в режиме реального времени:

1. АСУ ТП химического реактора;

2. бортовая система управления космического аппарата;

3. АСНИ в области ядерной физики;

4. система обработки аудио- и видеопотоков при трансляции в прямом эфире;

5. интерактивная компьютерная игра.

При создании систем реального времени приходится решать проблемы привязки внутрисистемных событий к моментам времени, своевременного захвата и освобождения системных ресурсов, синхронизации вычислительных процессов, буферизации потоков данных и т. п. Системы реального времени обычно используют специализированное оборудование (например, таймеры) и программное обеспечение (например, операционные системы реального времени).

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector