Режим реального времени

Режим реального времени

Махмутов К.М., слушатель РАГС

Режимом реального времени называется такой режим функционирования вычислительной системы, правильность работы в котором определяется не только логической корректностью вычислений, но и временем, требующимся для получения результата вычислений. То есть время получения результата вычислений является критичным параметром, и превышение этого времени эквивалентно логически некорректному функционированию системы.

Различают вычислительные системы реального времени двух типов - системы жесткого реального времени и системы мягкого реального времени.

Системы жесткого реального времени не допускают никаких задержек реакции системы ни при каких условиях, так как:

• 
  результаты могут оказаться бесполезны в случае опоздания,
  
• 
  может произойти катастрофа в случае задержки реакции,
  
• 
  стоимость опоздания может оказаться бесконечно велика.
  

Системы мягкого реального времени характеризуются тем, что задержка реакции не критична, хотя и может привести к увеличению стоимости результатов и снижению производительности системы в целом. При этом допускается некоторый процент полученных с опозданием результатов, но обязательно ограничивается какой-либо другой параметр, например, максимально допустимая частота, минимальное время между двумя такими случаями опоздания или некоторая среднестатистическая величина, образованная от указанных (к примеру, средняя производительность системы). В связи с этим часто используют такое понятие, как качество обслуживания (Quality of Service, QoS). Это величина, верхнее значение которой соответствует работе системы без опозданий, а нижнее – минимально допустимому качеству результата. Примером подобной задачи является воспроизведение цифрового видеопотока: превышение времени обработки в данном случае не фатально и приводит лишь к отдельным нарушениям последовательности воспроизведения в виде выпадения строк или кадров, уменьшая величину QoS. При определенном количестве или частоте выпадений картинка уже не может отображаться правильно, и хотя система не успевает вычислять результат, к примеру, всего лишь в 30% случаев, величина QoS уже равна нулю, так как окончательный результат неудовлетворителен. Другой пример – работа любой компьютерной сети. Если устройства сети не успевают обрабатывать пакеты данных, то это приводит к их повторной передаче. Данные при этом не теряются, но производительность сети снижается. К этой же категории можно отнести всевозможные интерактивные системы, где время реакции на действия пользователя должно быть если не нормированным, то хотя бы предсказуемым и стабильным: сюда относится, в частности, большинство бытовых устройств и компьютерных систем общего назначения.

Основное отличие между системами жесткого и мягкого реального времени можно выразить так: система жесткого реального времени никогда не опоздает с реакцией на событие, система мягкого реального времени - не должна опаздывать с реакцией на событие.

Простейшие системы реального времени основаны на прямом взаимодействии программ с аппаратным обеспечением, но многие задачи настолько сложны, что требуют для своей работы специальных средств управления – операционных систем реального времени.

Операционной системой реального времени (ОСРВ) называется такая система, которая может быть использована для построения систем жесткого реального времени. Существуют два основных требования к операционной системе реального времени:

1. 
   Система должна реагировать на события, успевая обработать их за фиксированное время или к фиксированному моменту времени (далее – "временные рамки"). Возможность системы реального времени отвечать на внешние события в заданные временные рамки называется детерминизмом.
   
2. 
   Система должна обладать способностью к параллельной обработке нескольких событий. Если несколько событий наступают одновременно, система должна успеть обработать все события в соответствующих каждому событию временных рамках, независимо от количества событий, порядка их поступления и соотношения их временных рамок. Для выполнения этого требования система должна обладать естественным параллелизмом. Практически это означает, что система должна поддерживать вытесняющую многозадачность, основанную на приоритетах, а также быть способной использовать несколько процессоров одновременно.
   

Одна из принципиальных особенностей операционных систем реального времени - микроядерная архитектура. Такую архитектуру можно рассмотреть на примере QNX. В отличие от ядра операционных систем общего назначения, зачастую выполняющих практически все функции ОС, микроядро QNX (microkernel) выполняет только две задачи: маршрутизацию сообщений между процессами и передачу управления процессам в зависимости от изменения их состояния (результатом которого является генерация сообщения или прерывание). Микроядро планирует передачу управления только внешним процессам и никогда не передает управление самому себе – оно получает его только в виде вызова функции ядра либо через прямое обращение процесса к ядру, либо через аппаратное прерывание.

Типичная конфигурация ОСРВ включает четыре системных процесса – диспетчер (менеджер) процессов, диспетчер (менеджер) устройств, диспетчер (менеджер) файловой системы и диспетчер (менеджер) сети. Системные процессы ничем не отличаются от пользовательских приложений - они не имеют ни специальных привилегий, ни каких-либо скрытых от пользователя интерфейсов взаимодействия. Такой подход делает систему «прозрачной» - любая программа может быть установлена как приложение или как системный процесс. К системным процессам относятся и драйверы устройств, которые представляют собой программы, выполняющие рутинную работу по обслуживанию конкретных аппаратных устройств. Установка в систему драйвера заключается всего лишь в запуске соответствующего процесса и никоим образом не затрагивает остальных частей ОСРВ.

Еще одной принципиальной особенностью ОСРВ является взаимодействие процессов на основе сообщений. Механизм обмена сообщениями не только передает информацию между процессами, но и служит для синхронизации выполнения нескольких процессов. Ядро расценивает факт передачи или приема сообщения как изменение состояния процесса. Зная состояние и приоритеты процессов, ядро таким образом может планировать передачу управления между ними, распределяя ресурсы процессора наиболее эффективно.

1. 
   Советский энциклопедический словарь. «Советская энциклопедия». Москва, 1980 г.
   
2. 
   С.Никольский. «Особенности национальной автоматизации». «Компьютерра», №24, 2001 г.
   
3. 
   А.Жданов. «Операционные системы реального времени». «PC Week», №8, 1999 г.
   
4. 
   И.Коваленко. «Проект "Neutrino": В поисках Святого Грааля». «Открытые системы», №5, 1997 г.