(Real Time Operating Systems - RTOS) относятся к программным средствам и предназна­чены для обслуживания цифровых систем в тех случаях, когда:

● система должна обеспечить не только результат обработки поступившей ин­формации, но и длительность времени получения результата. От ОСРВ требу­ется наряду с получением необходимого результата реализовать заданные временные параметры: интервалы времени между событиями и откликами или заданную частоту приема внешних данных и выдачи результатов;

● система способна выполнять несколько задач одновременно. Типичная муль­тизадачная операционная система выделяет каждой задаче (программе) оди­наковый интервал времени, создавая у пользователя впечатление, что все программы выполняются одновременно. Операционная система реального времени представляет собой частный случай мультизадачной операционной системы, оптимизированной для реализации процессов управления. Она бы­стро реагирует на внешние события и позволяет имитировать работу не­скольких процессоров, каждый из которых контролирует одно устройство. По­этому для управления сложной системой с помощью одного процессора це­лесообразно использовать ОСРВ, которая способна координировать выпол­нение различных задач. Примером ОСРВ может служить система управления лифтами.

Принцип работы ОСРВ

При поступлении запроса производится проверка на входные данные для решения задачи. При их наличии задача начинает вы­полняться. ЕСЛИ необходимые входные данные отсутствуют, то ОСРВ переходит к следующей задаче (при наличии запроса на ее выполнение). Для получения входных данных и запуска соответствующей задачи используются прерывания. Запуск задачи обычно производится путем ее пересылки из очереди ожидающих задач в очередь задач, предназначенных для выполнения.

Каждая задача имеет входную очередь сообщений, которые она может обра­батывать только в течение отведенного интервала времени или при запросе на прерывание. Если ответ занимает слишком много времени, то задача поме­щается обратно в очередь выполняемых команд, и управление передается следу­ющей задаче.

Системные ресурсы (дисковые накопители, таймеры, устройства ввода–выво­да и др.) обычно доступны только для определенных задач. Это позволяет орга­низовать очередь запросов к ресурсам таким образом, чтобы предотвратить од­новременный доступ к одному ресурсу нескольким задачам.

Требования к ОСРВ.

Современные ОС PB должны удовлетворять следующим требованиям:

● малое время отклика (получение результата);

● реализация многозадачного режима с гибким механизмом приоритетов;

● малый объем памяти (достаточный для размещения в резидентной памяти прикладной системы);

● наличие сервисных функций и средств поддержки для разработки приклад­ных программ и ряд других.

В настоящее время для разработки микроконтроллерных систем используется ОСРВ, имеющие различные характеристики и прошедшие апробацию в таких об­ластях применения, как системы автоматизации производства, контрольно–изме­рительные системы, телекоммуникационная аппаратура, авиационно–космиче­ская и военная техника, транспорт, системы обеспечения безопасности и др.

Типы ОСРВ

Можно выделить два типа ОСРВ:

● системы жесткого реального времени, которые занимают небольшой объем памяти и имеют минимальные время отклика, но обладают весьма ограничен­ными сервисными средствами. Они реализуются по модульному принципу, что позволяет использовать только те средства, которые необходимы в дан­ном приложении. В результате для конкретного применения достигается существенное сокращение объема необходимой памяти и времени отклика;

● системы мягкого реального времени, которые требуют большего объема па­мяти, имеют более длительное время отклика, но зато удовлетворяют широ­кому спектру требований пользователя по режиму обслуживания задач, уров­ню предоставляемого сервиса. Средства интерфейса систем мягкого реаль­ного времени позволяют использовать высокоэффективные отладчики или интегрированные среды разработки.

Система мягкого реального времени.

Этот вид систем рассмотрим на при­мере системы OS–9 фирмы Microwave Systems . В качестве инструментально­го компьютера OS –9 использует IBM – PC , работающие в среде Windows , или рабо­чие станции Sun, HP, IBM RS /6000 с операционными системами типа UNIX . Характерные особенности OS –9:

● модульность, которая обеспечивает возможность конфигурации целевой ОСРВ в соответствии с классом решаемых задач. Исключая неиспользуемые модули, можно сократить объем памяти и снизить стоимость системы;

● гибкость структуры, обеспечивающая реконфигурацию системы и расширение ее функциональных возможностей. Функциональные компоненты OS–9:

● ядро реального времени (OS –9 kernel);

● общие средства ввода/вывода (I / O man);

● файловые менеджеры;

● средства разработки программ.

Функциональные компоненты OS –9 выполнены в виде автономных модулей, которые могут удаляться или добавляться с помощью простых команд, не требу­ющих повторной компиляции или перекомпоновки. Комбинируя модули, можно создавать целевые операционные системы с различными функциональными воз­можностями.

Рассмотрим Перечисленные выше функциональные компоненты.

Ядро реального времени

Система содержит два вида ядер:

● ядро Atomic , реализующее минимальное количество сервисных функций (ди­станционную загрузку, связь с локальной сетью, управление ведомыми микро­контроллерами). Ядро применяется в системах, встраиваемых в различную аппаратуру, имеет малый объем (24 Кбайт) и обеспечивает минимальное вре­мя отклика (3 мкс при тактовой частоте 25 МГц);

● ядро Standard , обеспечивающее выполнение широкого набора функций сер­виса и разработки прикладных программ, для реализации которых требуется больший объем памяти (до 512К байт ПЗУ и 38К байт ОЗУ). Путем изменения функциональных модулей ядра можно реализовать системы различной слож­ности и назначения: от встраиваемых в аппаратуру контроллеров с резидент­ным программным обеспечением и простейшими средствами ввода/вывода до сложно функциональных систем класса рабочих станций с развитой сете­вой поддержкой и обеспечением разнообразных функций сервиса, включая мультимедиа.

Система OS –9 предоставляет пользователю возможность выбора ядра в зави­симости от функционального назначения системы. Общие средства ввода/вывода. Физический интерфейс OS –9 с разно­образными внешними устройствами обеспечивается большим набором драйве­ров, созданных как фирмой Microwave Systems , так и многочисленными разработ­чиками аппаратуры, использующей эту операционную систему для конкретных приложений. Файловые менеджеры. К ним относятся модули, управляющие логичес­кими потоками данных. Каждый из модулей имеет определенное функциональное назначение и спецификацию. Файловые менеджеры можно разделить на три группы:

● стандартные менеджеры, предназначенные для выполнения таких базовых функций обмена с внешними устройствами как организация очереди поступа­ющих команд, управление байтовым и блочным последовательным обменом и обменом с прямым доступом к памяти;

● сетевые и коммуникационные менеджеры, обеспечивающие работу OS –9 с различными сетями и обмен данными по каналам связи с наиболее распро­страненными стандартами протоколов обмена;

● менеджеры графического интерфейса и работы с мультимедиа–приложениями. Средства разработки программ. В составе OS –9 имеется пакет про­грамм (BSP) для поддержки плат развития, который обеспечивает совместную работу OS–9 с целым рядом SBC (Single Board Computer - одноплатный компью­тер). Совместное использование BSP и OS–9 позволяет сконфигурировать целе­вую систему для конкретного приложения.

Система OS–9 содержит средства поддержки программирования: компилято­ры Ultra C/C++, текстовый редактор ЕМ ACS , три вида (в том числе символьных) отладчиков, набор утилит для организации контроля и сборки программных продуктов. Помимо этого имеется большой набор (совместимых с OS –9) средств поддержки программирования, которые разработаны другими фирмами. FasTra к. Среда FasTrak постав­ляется совместно с OS–9 и предоставляет пользователю наиболее полный комп­лект средств программирования и отладки. Часть программных средств FasTrak инсталлируется на инструментальном компьютере, а часть - на целевой системе пользователя. Среда FasTrak интегрирует все средства, необходимые для под­держки проектирования/отладки целевых систем. Версия среды FasTrak для ра­боты на инструментальном компьютере IBM – PC содержит:

● текстовый редактор, располагающий средствами перекодировки клавиатуры, что позволяет вести редактирование в удобном для пользователя формате;

● компиляторы Ultra C/C++;

● отладчики, обеспечивающие два режима отладки: пользовательский - для создания прикладных программ, и системный - для обслуживания прерыва­ний, системных вызовов и обращения к ядру реального времени;

● средства интерфейса с логическими анализаторами фирмы.

Среда FasTrak обладает широкими функциональными возможностями, что де­лает ее эффективным средством создания программного обеспечения для раз­личных микроконтроллерных систем.

Фирма Microware Systems поставляет ряд системных пакетов, ориентирован­ных на различные сферы приложения:

● Wireless OS –9 - для разработки устройств беспроводной связи: сотовых те­лефонов, пейджеров, портативных цифровых ассистентов (PDA);

● Internet OS –9 - для разработки устройств с доступом к сети Internet ;

● Digital Audio / Video Interactive Decoder (DAVID) OS –9 - для разработки распре­деленных систем цифрового интерактивного телевидения.

Система жесткого реального времени

Особенности этого вида систем рассмотрим на примере системы VxWorks фирмы WindRiver Systems , предназна­ченной для работы с семействами микропроцессоров многих производителей. Система VxWorks инсталлируется на отлаживаемой целевой системе и работает совместно с интегрированной средой разработки Tornado , функционирующей на инструментальном компьютере. В качестве инструментального компьютера исполь­зуются IBM – PC , работающие в среде Windows , или рабочие станции SUN, HP и др. Краткое описание системы VxWorks. Нижним уровнем иерархической организации системы служит микроядро реального времени, выполняющее базо­вые функции планирования задач и управления их связью и синхронизацией. Ми­нимальный набор модулей ядра занимает 20–40К байт памяти. Все остальные функции - управление памятью, вводом/выводом, сетевым обменом и другие, реализуются дополнительными модулями. Для поддержки графических приложе­ний VxWorks располагает графическим интерфейсом VX–Windows.

При ограничен­ном объеме памяти целевой системы можно воспользоваться графической биб­лиотекой RTGL, которая содержит базовые графические примитивы, наборы шрифтов и цветов, драйверы типовых устройств ввода и графических контролле­ров. В состав VxWorks входят также различные средства поддержки разнообраз­ных сетевых протоколов. Трассировку заданных событий и их накопление в бу­ферной памяти для последующего анализа выполняют в реальном времени спе­циальные средства отладки, а трассировку системных событий - динамический анализатор WindView . Анализатор WindView работает аналогично логическому анализатору, отображая на экране временные диаграммы переключения задач, записи в очередь сообщений и другие процессы. Монитор данных Stethoscope позволяет анализировать динамическое изменение пользовательских и систем­ных переменных, включая в себя также профилировщик процедур. В составе VxWorks имеется:

● пакет программ для поддержки плат развития;

● симулятор VxSim , позволяющий моделировать на инструментальном компью­тере многозадачную среду VxWorks и интерфейс с целевой системой, а также разрабатывать и отлаживать программное обеспечение без подключения це­левой системы.

Для комплексной отладки целевых систем VxWorks обеспечивает интерфейс со схемными эмуляторами и эмуляторами ПЗУ. Интегрированная среда разработки Tornado . В состав Tornado вхо­дит система VxWorks 5.3, включающая ядро реального времени и системные биб­лиотеки, средства программирования, высокоуровневый отладчик и ряд других средств системы. Дополнительные средства среды Tornado обеспечивают управ­ление процессом отладки, визуализацию состояния целевой системы, другие сервисные функции. Открытая архитектура среды Tomado позволяет пользовате­лю подключать собственные специализированные инструментальные средства и расширять возможности стандартных средств.

Операционная система реального времени VxWorks вместе с интегрированной средой Tornado является мощным средством реализации целевых систем, рабо­тающих в условиях жестких ограничений на объем используемой памяти и время отклика на внешние события.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Федеральное агентство по образованию

Кафедра автоматизированных систем управления

Системы реального времени

Введение

1. Операционные системы реального времени

1.1 Типы ОСРВ

1.2 Структура ОСРВ

1.3 Процессы, потоки, задачи

1.4 Планирование, приоритеты

1.5 Память

1.6 Прерывания

1.7 Часы и таймеры

2. Стандарты операционных систем реального времени

2.1 Стандарт POSIX

2.2 Стандарт DO-178B

2.3 Стандарт ARINC-653

2.4 Стандарт OSEK

2.5 Стандарты безопасности

3. Краткие характеристики распространённых операционных систем реального времени

3.2 QNX Neutrino RTOS

3.5 RTX (расширение реального времени для Windows NT)

3.6 INtime (расширение реального времени для Windows NT)

3.8 MicroWare OS-9

3.11 Nucleus RTOS

Заключение

Библиографический список

Введение

Концепции, лежащие в основе большинства существующих в наши дни операционных систем реального времени, уходят своими корнями в конец 70-х начало 80-х годов прошлого столетия.

Операционные системы реального времени и встраиваемые системы работают в «стесненных» условиях, когда объем памяти и мощность процессора ограничены. Они должны обеспечивать работоспособность служб для пользователей и окружающего мира, с которым они взаимодействуют, в строгих временных рамках.

Системы реального времени отличаются очень скромными возможностями пользовательского интерфейса, поскольку передаваемая в эксплуатацию система представляет собой "черный ящик". Очень важной частью и основной особенностью операционной системы реального времени является управление ресурсами компьютера таким образом, чтобы определенная операция выполнялась в течение абсолютно одинакового периода времени каждый раз, когда она должна осуществляться и которые нельзя превышать.

В сложной машине более быстрое перемещение детали, чем это необходимо, лишь по той причине, что это позволяют ресурсы системы, может привести к катастрофическим результатам, так же, как и невозможность осуществления перемещения этой детали вследствие занятости системы.

Обычно при проектировании системы реального времени состав выполняемых ею программ (задач) известен заранее. Известны и многие их параметры, которые необходимо учитывать при распределении ресурсов (например, объем памяти, приоритет, средняя длительность выполнения, открываемые файлы, используемые устройства и проч.). Поэтому для них заранее заводят дескрипторы задач с тем, чтобы впоследствии не тратить драгоценное время на организацию дескриптора и поиски для него необходимых ресурсов.

Для подлинной реализации режима реального времени необходима организация мультипрограммирования. Мультипрограммирование является основным средством повышения производительности вычислительной системы, а для решения задач реального времени производительность становится важнейшим фактором.

Лучшие характеристики по производительности для систем реального времени обеспечиваются однотерминальными операционными системами реального времени.

1. Операционные системы реального времени

Операционная система реального времени -- это тип операционной системы.

Есть много определений термина. Самые распространённые из них:

*Операционная система, в которой успешность работы любой программы зависит не только от её логической правильности, но и от времени, за которое она получила этот результат. Если система не может удовлетворить временным ограничениям, должен быть зафиксирован сбой в её работе;

*Стандарт POSIX 1003.1 даёт определение: «Реальное время в операционных системах -- это способность операционной системы обеспечить требуемый уровень сервиса в определённый промежуток времени»;

*Операционная система, реагирующая в предсказуемое время на непредсказуемое появление внешних событий;

*Интерактивные системы постоянной готовности. В категорию ОСРВ их относят, исходя из маркетинговых соображений, и если интерактивную программу называют «работающей в реальном времени», то это лишь означает, что запросы от пользователя обрабатываются с задержкой, незаметной для человека.

Операционные системы реального времени (ОСРВ) предназначены для обеспечения интерфейса к ресурсам критических по времени систем реального времени. Основной задачей в таких системах является своевременность выполнения обработки данных.

В качестве основного требования к ОСРВ выдвигается требование обеспечения предсказуемости или детерминированности поведения системы в наихудших внешних условиях, что резко отличается от требований к производительности и быстродействию универсальных ОС. Хорошая ОСРВ имеет предсказуемое поведение при всех сценариях системной загрузки (одновременные прерывания и выполнение потоков).

Существует некое различие между системами реального времени и встроенными системами. От встроенной системы не всегда требуется, чтобы она имела предсказуемое поведение, и в таком случае она не является системой реального времени. Однако даже беглый взгляд на возможные встроенные системы позволяет утверждать, что большинство встроенных систем нуждается в предсказуемом поведении, по крайней мере, для некоторой функциональности, и таким образом, эти системы можно отнести к системам реального времени.

Мартин Тиммерман (директор компании «Real-Time Consult и Real-Time User"s Support International (RTUSI)», обеспечивающей аппаратно-программную поддержку и занимающейся разработкой проектов систем реального времени) сформулировал следующие необходимые требования для ОСРВ:

*операционная система должна быть многозадачной и допускающей вытеснение;

*операционная система должна обладать понятием приоритета для потоков;

*операционная система должна поддерживать предсказуемые механизмы синхронизации;

*операционная система должна обеспечивать механизм наследования приоритетов;

*поведение операционной системы должно быть известным и предсказуемым (задержки обработки прерываний, задержки переключения задач, задержки драйверов и т.д.).

Это значит, что во всех сценариях рабочей нагрузки системы должно быть определено максимальное время отклика.

1.1 Типы ОСРВ

Принято различать системы мягкого (soft) и жесткого (hard) реального времени.

В системах жесткого реального времени неспособность обеспечить реакцию на какие-либо события в заданное время ведет к отказам и невозможности выполнения поставленной задачи. В большинстве русскоязычной литературы такие системы называют системами с детерминированным временем. При практическом применении время реакции должно быть минимальным.

Системами мягкого реального времени называются системы, не попадающие под определение "жесткие", т.к. в литературе четкого определения для них пока нет. Системы мягкого реального времени могут не успевать решать задачу, но это не приводит к отказу системы в целом.

В системах реального времени необходимо введение некоторого директивного срока (в англоязычной литературе - deadline), до истечения которого задача должна обязательно (для систем мягкого реального времени - желательно) выполниться. Этот директивный срок используется планировщиком задач как для назначения приоритета задачи при ее запуске, так и при выборе задачи на выполнение.

1.2 Структура ОСРВ

В течение последних 25-30 лет структура операционных систем (ОС) эволюционировала от монолитной к многослойной структуре ОС и далее к архитектуре клиент-сервер.

При монолитной структуре ОС состоит из набора модулей, и изменения одного модуля влияют на другие модули. Чем больше модулей, тем больше хаоса при эксплуатации такой системы. Кроме того, невозможно распределить ОС в многопроцессорной системе.

В многослойной структуре изменения одного слоя влияют на соседние слои, кроме того, обращение через слой невозможно.

Для систем реального времени должно быть обеспечено прямое обращение к каждому слою ОС, а иногда напрямую к аппаратуре.

Основной идеей клиент-серверной технологии в ОС является сведение базиса ОС к минимуму (планировщик и примитивы синхронизации). Вся остальная функциональность выносится на другой уровень и реализуется через потоки или задачи. Совокупность таких серверных задач отвечает за системные вызовы. Приложения являются клиентами, которые запрашивают сервисы через системные вызовы.

Клиент-серверная технология позволяет создавать масштабируемые ОС и упрощает распределение в многопроцессорной системе. При эксплуатации системы замена одного модуля не вызывает эффекта “снежного кома”, кроме того, сбой модуля не всегда влечет за собой отказ системы в целом. Появилась возможность динамической загрузки и отгрузки модулей. Главной проблемой в этой модели является защита памяти, поскольку серверные процессы должны быть защищены. При каждом запросе сервиса система должна переключаться с контекста приложения на контекст сервера. При поддержке защиты памяти время переключения с одного процесса на другой увеличивается.

Как правило, большинство современных ОСРВ построено на основе микроядра (kernel или nucleus), которое обеспечивает планирование и диспетчеризацию задач, а также осуществляет их взаимодействие. Несмотря на сведение к минимуму в ядре абстракций ОС, микроядро все же должно иметь представление об абстракции процесса. Все остальные концептуальные абстракции операционных систем вынесены за пределы ядра, вызываются по запросу и выполняются как приложения.

1.3 Процессы, потоки, задачи

Концепция многозадачности (псевдопараллелизм) является существенной для системы реального времени с одним процессором, приложения которой должны быть способны обрабатывать многочисленные внешние события, происходящие практически одновременно.

Концепция процесса, пришедшая из мира UNIX, плохо реализуется в многозадачной системе, поскольку процесс имеет тяжелый контекст. Возникает понятие потока (thread), который понимается как подпроцесс, или легковесный процесс (light-weight process). Потоки существуют в одном контексте процесса, поэтому переключение между потоками происходит очень быстро, а вопросы безопасности не принимаются во внимание. Потоки являются легковесными, потому что их регистровый контекст меньше, т.е. их управляющие блоки намного компактнее. Уменьшаются накладные расходы, вызванные сохранением и восстановлением управляющих блоков прерываемых потоков. Объем управляющих блоков зависит от конфигурации памяти. Если потоки выполняются в разных адресных пространствах, система должна поддерживать отображение памяти для каждого набора потоков.

Итак, в системах реального времени процесс распадается на задачи или потоки. В любом случае каждый процесс рассматривается как приложение. Между этими приложениями не должно быть слишком много взаимодействий, и в большинстве случаев они имеют различную природу - жесткого реального времени, мягкого реального времени, не реального времени.

1.4 Планирование, приоритеты

Главной проблемой в ОСРВ является планирование задач (scheduling), которое обеспечивало бы предсказуемое поведение системы при всех обстоятельствах. В связи с проблемами планирования в ОСРВ изучаются и развиваются два подхода - статические алгоритмы планирования (RMS - Rate Monotonic Scheduling) и динамические алгоритмы планирования (EDF - Earliest Deadline First).

RMS используется для формального доказательства условий предсказуемости системы. Для реализации этой теории необходимо планирование на основе приоритетов, прерывающих обслуживание (preemptive priority scheduling). В теории RMS приоритет заранее назначается каждому процессу. Процессы должны удовлетворять следующим условиям:

*процесс должен быть завершен за время его периода;

*процессы не зависят друг от друга;

*каждому процессу требуется одинаковое процессорное время на каждом интервале;

*у непериодических процессов нет жестких сроков;

*прерывание процесса происходит за ограниченное время.

Процессы выполняются в соответствии с приоритетами. При планировании RMS предпочтение отдается задачам с самыми короткими периодами выполнения.

В EDF приоритет присваивается динамически, и наибольший приоритет выставляется процессу, у которого осталось наименьшее время выполнения. При больших загрузках системы у EDF имеются преимущества перед RMS.

Во всех системах реального времени требуется политика планирования, управляемая дедлайнами (deadline-driven scheduling). Однако этот подход находится в стадии разработки.

Обычно в ОСРВ используется планирование с приоритетами, прерывающими обслуживание, которое основано на RMS. Приоритетное прерывание обслуживания (preemption) является неотъемлемой составляющей ОСРВ, т.к. в системе реального времени должны существовать гарантии того, что событие с высоким приоритетом будет обработано перед событием более низкого приоритета. Все это ведет к тому, что ОСРВ нуждается не только в механизме планирования на основе приоритетов, прерывающих обслуживание, но также и в соответствующем механизме управления прерываниями. Более того, ОСРВ должна быть способна запрещать прерывания, когда необходимо выполнить критический код, который нельзя прерывать. Длительность обработки прерываний должна быть сведена к минимуму.

ОСРВ должна обладать развитой системой приоритетов. Во-первых, это требуется потому, что система сама может рассматриваться как набор серверных приложений, подразделяющихся на потоки, и несколько высоких уровней приоритетов должно быть выделено системным процессам и потокам. Во-вторых, в сложных приложениях необходимо все потоки реального времени помещать на разные приоритетные уровни, а потоки не реального времени помещать на один уровень (ниже, чем любые потоки реального времени). При этом потоки не реального времени можно обрабатывать в режиме циклического планирования (RRS - round-robin scheduling), при котором каждому процессу предоставляется квант времени процессора, а когда квант заканчивается, контекст процесса сохраняется, и он ставится в конец очереди. Во многих ОСРВ для планирования задач на одном уровне используется RRS. Приоритетный уровень 0 обычно используется для холостого режима.

При планировании на основе приоритетов необходимо решить две обязательные проблемы:

*обеспечить выполнение процесса с наивысшим приоритетом,

*не допустить инверсии приоритетов, когда задачи с высокими приоритетами ожидают ресурсы, захваченные задачами с более низкими приоритетами.

Для борьбы с инверсией приоритетов в ОСРВ часто используется механизм наследования приоритетов, однако при этом приходится отказываться от планирования на основе RMS, поскольку приоритеты становятся динамическими.

1.5 Память

Как уже упоминалось выше, задержка на переключение контекста потока напрямую зависит от конфигурации памяти, т.е. от модели защиты памяти. В ОСРВ наиболее распространенны четыре модели защиты памяти:

*Модель без защиты - системное и пользовательское адресные пространства не защищены друг от друга, используется два сегмента памяти: для кода и для данных, при этом от системы не требуется никакого управления памятью, не требуется MMU (memory management unit - специальное аппаратное устройство для поддержки управления виртуальной памятью);

*Модель защиты система/пользователь - системное адресное пространство защищено от адресного пространства пользователя, системные и пользовательские процессы выполняются в общем виртуальном адресном пространстве, при этом требуется MMU. Защита обеспечивается страничным механизмом защиты. Различаются системные и пользовательские страницы. Пользовательские приложения никак не защищены друг от друга. Процессор находится в режиме супервизора, если текущий сегмент имеет уровень 0, 1 или 2. Если уровень сегмента - 3, то процессор находится в пользовательском режиме. В этой модели необходимы четыре сегмента - два сегмента на уровне 0 (для кода и данных) и два сегмента на уровне 3. Механизм страничной защиты не добавляет накладных расходов, т.к. защита проверяется одновременно с преобразованием адреса, которое выполняет MMU; при этом ОС не нуждается в управлении памятью.

*Модель защиты пользователь/пользователь - к модели система/пользователь добавляется защита между пользовательскими процессами, требуется MMU. Как и в предыдущей модели, используется механизм страничной защиты. Все страницы помечаются как привилегированные, за исключением страниц текущего процесса, которые помечаются как пользовательские. Таким образом, выполняющийся поток не может обратиться за пределы своего адресного пространства. ОС отвечает за обновление флага привилегированности для конкретной страницы в таблице страниц при переключении процесса. Как и в предыдущей модели используются четыре сегмента.

*Модель защиты виртуальной памяти - каждый процесс выполняется в своей собственной виртуальной памяти, требуется MMU. У каждого процесса имеются свои собственные сегменты и, следовательно, своя таблица описателей. ОС несет ответственность за поддержку таблиц описателей. Адресуемое пространство может превышать размеры физической памяти, если используется страничная организация памяти совместно с подкачкой. Однако в системах реального времени подкачка обычно не применяется из-за ее непредсказуемости. Для решения этой проблемы доступная память разбивается на фиксированное число логических адресных пространств равного размера. Число одновременно выполняющихся процессов в системе становится ограниченным.

Фундаментальное требование к памяти в системе реального времени заключается в том, что время доступа к ней должно быть ограничено (или, другими словами, предсказуемо). Прямым следствием становится запрет на использование для процессов реального времени техники вызова страниц по запросу (подкачка с диска). Поэтому системы, обеспечивающие механизм виртуальной памяти, должны уметь блокировать процесс в оперативной памяти, не допуская подкачки. Итак, подкачка недопустима в ОСРВ, потому что непредсказуема.

Если поддерживается страничная организация памяти (paging), соответствующее отображение страниц в физические адреса должно быть частью контекста процесса. Иначе опять появляется непредсказуемость, неприемлемая для ОСРВ.

Для процессов, не являющихся процессами жесткого реального времени, возможно использование механизма динамического распределения памяти, однако при этом ОСРВ должна поддерживать обработку таймаута на запрос памяти, т.е. ограничение на предсказуемое время ожидания.

В обычных ОС при использовании механизма сегментации памяти для борьбы с фрагментацией применяется процедура уплотнения после сборки мусора. Однако такой подход неприменим в среде реального времени, т.к. во время уплотнения перемещаемые задачи не могут выполняться, что ведет к непредсказуемости системы. В этом состоит основная проблема применимости объектно-ориентированного подхода к системам реального времени. До тех пор, пока проблема уплотнения не будет решена, C++ и JAVA останутся не самым лучшим выбором для систем жесткого реального времени.

В системах жесткого реального времени обычно применяется статическое распределение памяти. В системах мягкого реального времени возможно динамическое распределение памяти, без виртуальной памяти и без уплотнения.

1.6 Прерывания

При описании управления прерываниями обычно различают две процедуры, а именно:

*программа обработки прерывания (ISR - interrupt servicing routine) - программа низкого уровня в ядре с ограниченными системными вызовами,

*поток обработки прерывания (IST - interrupt servicing thread) - поток уровня приложения, который управляет прерыванием, с доступом ко всем системным вызовам.

Обычно ISR реализуются производителем аппаратуры, а драйверы устройств выполняют управление прерываниями с помощью IST. Потоки обработки прерываний действуют как любые другие потоки и используют ту же самую систему приоритетов. Это означает, что проектировщик системы может придать IST более низкий приоритет, чем приоритет потока приложения.

1.7 Часы и таймеры

В ОСРВ используются различные службы времени. Операционная система отслеживает текущее время, в определенное время запускает задачи и потоки и приостанавливает их на определенные интервалы. В службах времени ОСРВ используются часы реального времени. Обычно используются высокоточные аппаратные часы. Для отсчета временных интервалов на основе часов реального времени создаются таймеры.

Для каждого процесса и потока определяются часы процессорного времени. На базе этих часов создаются таймеры, которые измеряют перерасход времени процессом или потоком, позволяя динамически выявлять программные ошибки или ошибки вычисления максимально возможного времени выполнения.

В высоконадежных, критичных ко времени системах важно выявление ситуаций, при которых задача превышает максимально возможное время своего выполнения, т.к. при этом работа системы может выйти за рамки допустимого времени отклика. Часы времени выполнения позволяют выявить возникновение перерасхода времени и активизировать соответствующие действия по обработке ошибок.

Большинство ОСРВ оперируют относительным временем. Что-то происходит “до” и “после” некоторого другого события. В системе, полностью управляемой событиями, необходим часовой механизм (ticker), т.к. там нет квантования времени (time slicing). Однако, если нужны временные метки для некоторых событий или необходим системный вызов типа “ждать одну секунду”, то нужен тактовый генератор и/или таймер.

Синхронизация в ОСРВ осуществляется с помощью механизма блокирования (или ожидания) до наступления некоторого события. Абсолютное время не используется.

Реализации в ОСРВ других концептуальных абстракций подобны их реализациям в традиционных ОС.

2. Стандарты операционных систем реального времени

2.1 Стандарт POSIX

Большие различия в спецификациях ОСРВ и огромное количество существующих микроконтроллеров выдвигают на передний план проблему стандартизации в области систем реального времени.

Наиболее ранним и распространенным стандартом ОСРВ является стандарт POSIX (IEEE Portable Operating System Interface for Computer Environments, IEEE 1003.1). Первоначальный вариант стандарта POSIX появился в 1990 г. и был предназначен для UNIX-систем, первые версии которых появились в 70-х годах прошлого века. Спецификации POSIX определяют стандартный механизм взаимодействия прикладной программы и операционной системы и в настоящее время включают набор более чем из 30 стандартов. Для ОСРВ наиболее важны семь из них (1003.1a, 1003.1b, 1003.1c, 1003.1d, 1003.1j, 1003.21, 1003.2h), но широкую поддержку в коммерческих ОС получили только три первых.

Несмотря на явно устаревшие положения стандарта POSIX и большую востребованность обновлений стандартизации для ОСРВ, заметного продвижения в этом направлении не наблюдается.

Стандарт POSIX был создан как стандартный интерфейс сервисов операционных систем. Этот стандарт дает возможность создавать переносимые приложения. Впоследствии этот стандарт был расширен особенностями режима реального времени.

Спецификации POSIX задают стандартный механизм взаимодействия приложения и ОС. Необходимо отметить, что стандарт POSIX тесно связан с ОС Unix, тем не менее, разработчики многих ОСРВ стараются выдержать соответствие этому стандарту.

Соответствие стандарту POSIX для ОС и аппаратной платформы должно быть сертифицировано с помощью прогона на них тестовых наборов. Однако, если ОС не является Unix-подобной, выдержать это требование становится непростой задачей. Тестовые наборы существуют только для POSIX 1003.1a. Поскольку структура POSIX является совокупностью необязательных возможностей, поставщики ОС могут реализовать только часть стандартного интерфейса, и при этом говорить о POSIX-комплиантности своей системы.

Несмотря на то, что стандарт POSIX вырос из Unix"а, он затрагивает основополагающие абстракции операционных систем, а расширения реального времени применимы ко всем ОСРВ.

К настоящему времени стандарт POSIX рассматривается как семейство родственных стандартов: IEEE Std 1003.n (где n - это номер).

2.2 Стандарт DO-178B

Стандарт DO-178B, создан Радиотехнической комиссией по аэронавтике (RTCA, Radio Technical Commission for Aeronautics) для разработки программного обеспечения (ПО) бортовых авиационных систем.

Первая его версия была принята в 1982 г., вторая (DO-178A) - в 1985-м, текущая DO-178B - в 1992 г. Готовится принятие новой версии, DO-178C. Стандартом предусмотрено пять уровней серьезности отказа, и для каждого из них определен набор требований к программному обеспечению, которые должны гарантировать работоспособность всей системы в целом при возникновении отказов данного уровня серьезности

Данный стандарт определяет следующие уровни сертификации:

*А (катастрофический),

*В (опасный),

*С (существенный),

*D (несущественный)

*Е (не влияющий).

До тех пор пока все жесткие требования этого стандарта не будут выполнены, вычислительные системы, влияющие на безопасность, никогда не поднимутся в воздух.

2.3 Стандарт ARINC-653

Стандарт ARINC-653 (Avionics Application Software Standard Interface) разработан компанией ARINC в 1997 г. Этот стандарт определяет универсальный программный интерфейс APEX (Application/Executive) между ОС авиационного компьютера и прикладным ПО.

Требования к интерфейсу между прикладным ПО и сервисами операционной системы определяются таким образом, чтобы разрешить прикладному ПО контролировать диспетчеризацию, связь и состояние внутренних обрабатываемых элементов. В 2003 г. принята новая редакция этого стандарта. ARINC-653 в качестве одного из основных требований для ОСРВ в авиации вводит архитектуру изолированных (partitioning) виртуальных машин.

2.4 Стандарт OSEK.

Стандарт OSEK/VDX является комбинацией стандартов, которые изначально разрабатывались в двух отдельных консорциумах, впоследствии слившихся. OSEK берет свое название от немецкого акронима консорциума, в состав которого входили ведущие немецкие производители автомобилей - BMW, Bosch, Daimler Benz (теперь Daimler Chrysler), Opel, Siemens и Volkswagen, а также университет в Карлсруэ (Германия). Проект VDX (Vehicle Distributed eXecutive) развивался совместными усилиями французских компаний PSA и Renault. Команды OSEK и VDX слились в 1994г.

Первоначально проект OSEK/VDX предназначался для разработки стандарта открытой архитектуры ОС и стандарта API для систем, применяющихся в автомобильной промышленности. Однако разработанный стандарт получился более абстрактным и не ограничивается использованием только в автомобильной индустрии.

Стандарт OSEK/VDX состоит из трех частей - стандарт для операционной системы (OS), коммуникационный стандарт (COM) и стандарт для сетевого менеджера (NM). В дополнение к этим стандартам определяется некий реализационный язык (OIL). Первым компонентом стандарта OSEK является стандарт для ОС, поэтому часто стандарт OSEK ошибочно воспринимается как стандарт ОСРВ. Хотя ОС и есть большая порция данного стандарта, мощность его состоит в интеграции всех его компонент.

2.5 Стандарты безопасности

В связи со стандартами для ОСРВ стоит отметить широко известный стандарт критериев оценки пригодности компьютерных систем (Trusted Computer System Evaluation Criteria - TCSEC). Этот стандарт разработан Министерством обороны США и известен также под названием "Оранжевая книга" (Orange Book - из-за цвета обложки).

В ряде других стран были разработаны аналогичные критерии, на основе которых был создан международный стандарт “Общие критерии оценки безопасности информационных технологий” (далее просто - Общие критерии) (Common Criteria for IT Security Evaluation, ISO/IEC 15408).

В "Оранжевой книге" перечислены семь уровней защиты:

*А1 - верифицированная разработка. Этот уровень требует, чтобы защиту секретной и другой критичной информации средствами управления безопасностью гарантировали методы формальной верификации.

*В3 - домены безопасности. Этот уровень предназначен для защиты систем от опытных программистов.

*В2 - структурированная защита. В систему с этим уровнем защиты нельзя допустить проникновение хакеров.

*В1 - мандатный контроль доступа. Защиту этого уровня, возможно, удастся преодолеть опытному хакеру, но никак не рядовым пользователям.

*С2 - дискреционный контроль доступа. Уровень С2 обеспечивает защиту процедур входа, позволяет производить контроль за событиями, имеющими отношение к безопасности, а также изолировать ресурсы.

*С1 - избирательная защита. Этот уровень дает пользователям возможность защитить личные данные или информацию о проекте, установив средства управления доступом.

*D - минимальная защита. Этот нижний уровень защиты оставлен для систем, которые проходили тестирование, но не смогли удовлетворить требованиям более высокого класса.

3. Краткие характеристики наиболее распространённых операционных систем реального времени

3.1 VxWorks

Операционные системы реального времени семейства VxWorks корпорации «WindRiver Systems» предназначены для разработки программного обеспечения (ПО) встраиваемых компьютеров, работающих в системах жесткого реального времени.

Операционная система VxWorks имеет архитектуру клиент-сервер и построена в соответствии с технологией микроядра, т.е. на самом нижнем непрерываемом уровне ядра (WIND Microkernel) обрабатываются только планирование задач и управление их взаимодействием/синхронизацией. Вся остальная функциональность операционного ядра - управление памятью, вводом/выводом и пр. - обеспечивается на более высоком уровне и реализуется через процессы. Это обеспечивает быстродействие и детерминированность ядра, а также масштабируемость системы.

VxWorks может быть скомпонована как для небольших встраиваемых систем с жесткими ограничениями для памяти, так и для сложных систем с развитой функциональностью.

Хотя система VxWorks является конфигурируемой, т.е. отдельные модули можно загружать статически или динамически, нельзя сказать, что в ней используется подход, основанный на компонентах. Все модули построены над базовым ядром и спроектированы таким образом, что не могут использоваться в других средах.

3.2 QNX Neutrino RTOS

Операционная система QNX Neutrino Real-time Operating System (RTOS) корпорации «QNX Software Systems» является микроядерной операционной системой, которая обеспечивает многозадачный режим с приоритетами.

QNX Neutrino RTOS имеет клиент-серверную архитектуру. В среде QNX Neutrino каждый драйвер, приложение, протокол и файловая система выполняются вне ядра, в защищенном адресном пространстве. В случае сбоя любого компонента он может автоматически перезапуститься без влияния на другие компоненты или ядро. Хотя система QNX является конфигурируемой, т.е. отдельные модули можно загружать статически или динамически, нельзя сказать, что она использует подход, основанный на компонентах. Все модули полагаются на базовое ядро и спроектированы таким образом, что не могут использоваться в других средах.

QNX Neutrino RTOS состоит из ядра, планировщика процессов (process manager) и расширенных сервисов на уровне пользователя. Как истинная микроядерная операционная система, QNX Neutrino RTOS реализует в ядре ОС только наиболее фундаментальные сервисы, такие как передача сообщений, сигналы, таймеры, планирование потоков, объекты синхронизации. Все другие сервисы ОС, драйверы и приложения выполняются как отдельные процессы, которые взаимодействуют через синхронную передачу сообщений.

QNX Neutrino RTOS имеет малые времена обработки прерываний, быстрое переключение контекстов. Инверсия приоритетов преодолевается с помощью распределенного наследования приоритетов. Упрощенное моделирование активностей реального времени проводится через синхронную передачу сообщений. Вложенные прерывания и фиксированная верхняя граница времени обработки прерывания гарантируют, что высокоприоритетные прерывания обрабатываются быстро с предсказуемым временем.

3.3 RTEMS

RTEMS (Real-Time Executive for Multiprocessor Systems) - это некоммерческая операционная система реального времени для глубоко встраиваемых систем.

Разработчик системы компания «OAR» (On-Line Applications Research Corporation, США). Система была создана по заказу министерства обороны США для использования в системах управления ракетными комплексами. Система разрабатывается для многопроцессорных систем на основе открытого исходного кода в противовес аналогичным системам с закрытым кодом. Система рассчитана на платформы MS-Windows и Unix (GNU/Linux, FreeBSD, Solaris, MacOS X).

Ядро RTEMS обеспечивает базовую функциональность систем реального времени. В эти возможности входят

*мультизадачная обработка;

*работа в гомогенных и гетерогенных системах;

*планирование, управляемое событиями, на основе приоритетов;

*планирование с монотонной скоростью;

*взаимодействие задач и синхронизация;

*приоритетное наследование;

*управление ответным прерыванием;

*распределение динамической памяти;

*конфигурирование системы для уполномоченных пользователей;

*переносимость на многие целевые платформы.

Привязка ОСРВ к аппаратуре производится с помощью специальной библиотеки подпрограмм BSP (board support package) и специализированных подпрограмм для различных архитектур.

RTEMS не поддерживает динамическую загрузку приложений и модулей, поэтому сферой ее применения являются встраиваемые системы, в которых не предполагается частая модификация программного обеспечения.

ОСРВ RTEMS обеспечивает достаточно слабую поддержку файловых систем, что ограничивает область ее возможного применения в сфере систем централизованного сбора и хранения данных стандартными высокоуровневыми средствами.

3.4 ChorusOS

Операционная система ChorusOS - это масштабируемая встраиваемая ОС, широко применяемая в телекоммуникационной индустрии. В настоящее время этот бренд развивается и распространяется корпорацией «Sun Microsystems».

Для компоновки и развертывания ОС ChorusOS на конкретных телекоммуникационных платформах Sun Microsystems предлагает использовать среду разработки Sun Embedded Workshop. Корпорация Sun Microsystems представляет ОС ChorusOS как встраиваемую основу для Sun"овской сети, управляемой сервисами (Sun"s Service-Driven Network). В сочетании с широким набором сервисов, полной интеграцией ПО и аппаратуры, удобным администрированием и поддержкой Java-технологии, которая посвящена нуждам телекоммуникации, ОС ChorusOS дает возможность эффективно развертывать новые возможности и приложения, поддерживая надежность и функциональность современных сетей.

ОС ChorusOS поддерживает на одной аппаратной платформе широкий набор телекоммуникационных протоколов, унаследованных приложений, приложений режима реального времени и Java-технологии.

ОС ChorusOS моделирует три сорта приложений:

*POSIX-процессы составляют большинство приложений ChorusOS, эти приложения имеют доступ к POSIX API, нескольким POSIX-подобным расширенным API и небольшому числу ограниченных системных вызовов микроядра;

*Акторы ChorusOS - эти приложения выполняются над микроядром и ограничиваются API микроядра, акторы включают драйверы, события подсистем и протокольные стеки;

*Унаследованные приложения ChorusOS поддерживаются для совместимости с приложениями, разработанными для более ранних версий ChorusOS.

Архитектура ОС ChorusOS является многослойной, основанной на компонентах (component-based). Микроядро содержит минимальный набор компонентов, необходимых для функционирования ОС. Размер резидентной часть ядра составляет 10Kb.

Понятие “актор” в ChorusOS определяется как единица загрузки для приложения. Оно также служит единицей инкапсуляции для того, чтобы сопоставить все системные ресурсы, используемые приложением, и потоки, выполняющиеся внутри актора. Примерами таких ресурсов являются потоки, регионы памяти и конечные точки взаимодействия.

ОС ChorusOS 5.0 лежит в основе операционной среды Solaris и поддерживает следующие целевые платформы:

*UltraSPARC II (CP1500 и CP20x0);

*Intel x86, Pentium;

*Motorola PowerPC 750 и семейство процессоров 74x0 (mpc7xx);

*Motorola PowerQUICC I (mpc8xx) и PowerQUICC II (mpc8260) (микроконтроллеры).

3.5 RTX (расширение реального времени для Windows NT)

Windows NT проектировалась и, в основном, используется как универсальная ОС. Однако на рынке систем реального времени четко прослеживается тенденция использовать Windows NT и ее расширения в специализированных системах. На это существует несколько причин:

*Windows NT проектировалась согласно современным технологиям построения ОС,

*программный интерфейс приложений (API) для Win32 стал де-факто стандартом для программистов,

*графический пользовательский интерфейс (GUI) стал настолько популярным, что другие ОС стараются обеспечить похожий интерфейс,

*доступно большое количество драйверов устройств,

*доступны многие мощные интегрированные среды разработки.

Сама по себе Windows NT не подходит для применения в системах реального времени, поскольку в ней слишком мало приоритетных уровней, отсутствует механизм наследования приоритетов. Для минимизации времени обработки прерываний (ISR) в Windows NT введена концепция отложенного вызова процедуры (DPC - deferred procedure call), приоритет которой выше, чем приоритет пользовательских и системных потоков, в то время как все DPC имеют одинаковый приоритет. Это приводит к тому, что все DPC ставятся в очередь FIFO, и DPC с высокоуровневым прерыванием сможет выполниться только после того, как все другие DPC, стоящие в очереди перед ней, будут выполнены. Такие ситуации ведут к непредсказуемым временам отклика, что несовместимо с требованиями к ОСРВ. Управление памятью в Windows NT основано на механизме виртуальной памяти. Это тянет за собой защиту памяти, трансляцию адресов и подкачку, которая неприемлема в ОСРВ.

Расширение реального времени RTX (Real-Time Extension) для ОС Windows NT (разработано корпорацией «VenturСom») позволяет создавать приложения для высокоскоростного управления с детерминированным временем реакции на внешние события.

RTX глубоко интегрировано в ядро Windows NT и для обеспечения необходимых функций использует сервис Windows NT и API WIN32. Ядро реального времени (nucleus) интегрировано в ядро NT (kernel). Каждый процесс RTX выполняется как драйвер устройства ядра NT, при этом процессы не защищены друг от друга. Такая реализация приводит к быстрому переключению контекста, но небезопасна с точки зрения конфиденциальности.

3.6 INtime (расширение реального времени для Windows NT)

Система INtime является расширением реального времени Windows, которое было разработано корпорацией «Radisys Corporation», а в настоящее время поддерживается корпорацией TenAsys.

INtime комбинирует возможности ОСРВ жесткого реального времени со стандартными ОС Windows, включая Windows XP, Windows XP Embedded, Windows 2000, Windows NT и Windows NT Embedded, не требуя дополнительной аппаратуры. INtime специально разработана под архитектуру процессора x86.

INtime, в отличие от RTX, слабо связана с NT. Архитектура INtime основана на механизме аппаратного обслуживания задач (hardware tasking), которое обеспечивается процессором Intel. Получается, что два ядра выполняются на одной аппаратуре. Поскольку они разделяют одну аппаратуру, потребовались некоторые модификации NT HAL. Такой подход позволяет защитить и отделить среду выполнения и область памяти от Windows. Внутри INtime каждый процесс приложения имеет свое собственное адресное пространство. Кроме того, ядро и приложения выполняются на разных приоритетных уровнях, что позволяет защитить их друг от друга.

INtime показывает предсказуемое поведение, однако ее сложная архитектура не позволяет достичь системе хорошей производительности. Из-за сегментационных ограничений INtime подходит не для всех систем реального времени.

3.7 LynxOS

Операционная система LynxOS RTOS (LynuxWorks, Inc.) является операционной системой жесткого реального времени, которая предназначена для специализированной и телекоммуникационной аппаратуры. Эта ОС является полностью детерминированной и обладает POSIX-, UNIX- и Linux-совместимостью. Областями применения ОС LynxOS являются также сложные системы безопасности.

Последняя выпущенная версия этого бренда ОС LynxOS-178 2.0 характеризуется производителем как коммерческая операционная система, обеспечивающая высокий уровень надежности и оперативности, необходимый для встраиваемых приложений с особыми требованиями к безопасности. В LynxOS-178 2.0 реализована поддержка интерфейса APEX (Application/EXecutive - интерфейс приложения/управляющей программы) спецификации ARINC-653. Это означает, что данная операционная система отвечает самым строгим требованиям к безопасности и надежности электронных систем для военной и гражданской авиации. Система LynxOS-178 2.0 полностью соответствует положениям уровня А спецификации DO-178B.

ОСРВ LynxOS-178 2.0 соответствует требованиям стандартов POSIX и ARINC-653, а также DO-178B, что означает гарантию переносимости прикладного кода встраиваемых систем, многократного использования созданных программ, а также соответствие самым строгим нормативам операционных систем с повышенными требованиями к безопасности. Использование LynxOS-178 2.0 позволяет применять любые ранее сертифицированные программы и разработки.

3.8 MicroWare OS-9

Операционная система реального времени OS-9 корпорации «Microware System» является многозадачной, многопользовательской операционной системой для встраиваемых приложений, работающих в режиме реального времени. Эта система предназначена для работы в таких системах, как мобильные телекоммуникационные устройства, встраиваемые терминалы доступа в Интернет, интерактивные цифровые телевизионные приставки.

OS-9 работает на таких процессорах, как Motorola 68K, ARM/StrongARM, Intel IXP1200 Network Processor, MIPS, PowerPC, Hitachi SuperH, x86 or Intel Pentium, Intel IXC1100 XScale.

Ядро OS-9 является масштабируемым, полностью вытесняемым, поддерживает функционирование до 65535 процессов, предоставляет 65535 уровней приоритета и обеспечивает работу до 255 пользователей. Ядро OS-9 содержит более 90 системных вызовов, которые дают возможность управлять динамическим режимом диспетчеризации, распределением памяти, межпроцессорной коммуникацией и т.д. - вплоть до управления встраиваемым в ядро ОС режимом экономичного потребления питания.

Корпорация Microware одной из первых лицензировала Java для встраиваемых приложений и является лидером по предложению разнообразных средств и приложений в рамках OS-9 для различных классов устройств.

В качестве интегрированной кросс-среды разработки приложений для OS-9 корпорация Microware разработала среду Hawk, которая функционирует на платформе MS Windows NT.

3.9 OSE RTOS

Операционная система реального времени OSE RTOS, разработанная в корпорации «ENEA», имеет ядро с приоритетным планированием. Это ядро сильно оптимизировано для обеспечения высокой производительности и достаточно компактно для использования во встраиваемых системах. OSE имеет архитектуру, управляемую сообщениями, с простыми системными вызовами. Передача сообщений в OSE служит концептуальным шлюзом в распределенных многопроцессорных встраиваемых системах. Задачи посылают сообщения друг другу напрямую через ОС без поддержки очередей, почтовых ящиков или других промежуточных механизмов. OSE RTOS поддерживает подкачку, дублирование, динамическое обновление кода и многие коммуникационные протоколы.

Архитектура OSE RTOS основана на многослойной модели.

Единицей выполнения в OSE RTOS является процесс. Процессы могут быть сгруппированы в блок, который может иметь собственный пул памяти. В ядре OSE RTOS адресное пространство принадлежит сегменту, который может включать один или больше блоков. Отображение блоков в сегменты и отображение пулов в регионы дает возможность достичь полной защиты памяти и изоляции программы. Блоки и пулы могут размещаться в одном или нескольких сегментах.

В OSE RTOS разделение процессов понимаются как динамические и статические: статические процессы создаются ядром, когда система стартует, и существуют на всем протяжении существования системы, динамические процессы создаются и уничтожаются во время выполнения.

3.10 Windows CE

ОСРВ Windows CE является модульной с небольшим ядром и необязательными модулями, которые выполняются как независимые процессы. Планирование в Windows CE осуществляется на основе приоритетов. Поддерживается защита ядра и процессов друг от друга. Кроме того, возможен режим работы, когда отсутствует защита между процессами и ядром. Следует отметить, что прерывания обрабатываются как потоки и имеют уровни приоритетов потоков. Windows CE поддерживает также нити (fiber), являющиеся потоками, которыми ядро не управляет. Каждая нить выполняется в контексте потока, который ее создал; их можно использовать для создания планировщика внутри потока. Такие нити используются в экзотических или унаследованных приложениях, но они непригодны в системах реального времени.

Windows CE имеет ограничение на физическую память - 512MB. Microsoft ввел это ограничение для того, чтобы Windows CE могла выполняться на большом диапазоне встраиваемых процессоров без проблем совместимости, поскольку некоторые из этих процессоров способны управлять физической памятью в 512MB. Windows CE реализует страничное управление виртуальной памятью. Размер страницы зависит от платформы, но, по возможности, используется размер в 4KB. Есть возможность запретить страничную организацию, что важно для систем реального времени. В этом режиме модуль перед выполнением целиком загружается в память. Тогда страничная подкачка (paging) не повлияет на выполнение приложения.

В отличие от других ОСРВ Windows CE поддерживает обобщенные функции ожидания для различных типов объектов (мьютексов, семафоров, событий, процессов и потоков). Преимущество таких функций состоит в том, что можно ожидать многие объекты сразу, пока один из них не подаст сигнал. Критические секции можно использовать только внутри одного процесса. Вычислительные семафоры и мьютексы могут быть использованы как внутри одного процесса, так и между процессами. В Windows CE используется наследование приоритетов, чтобы избежать проблемы инверсии приоритетов.

3.11 Nucleus RTOS

Операционная система Nucleus, разработанная корпорацией «Accelerated Technology», предназначена для встраиваемых приложений.

Nucleus является кросс-системой, т.е. программный продукт создается на одной программно-аппаратной платформе, а выполняется на другой.

ОСРВ Nucleus поставляется вместе с открытым кодом.

Ядро ОСРВ Nucleus, Nucleus PLUS, обеспечивает многозадачную обработку, является переносимым и масштабируемым. Ядро реализовано как библиотека функций на языке C.

Nucleus PLUS предоставляет такие возможности, как управление взаимодействием задач (почтовые ящики, очереди, конвейеры, семафоры, события, сигналы), а также управление памятью, таймерами, прерываниями. Планирование задач осуществляется на основе приоритетов, а также по алгоритму FIFO.

При выполнении системного вызова выполнение задачи может приостанавливаться на неопределенное время, на заданный интервал, или не приостанавливаться. Все объекты в системе могут создаваться и удаляться динамически.

Заключение

В течение многих лет приложения на базе операционной системы реального времени использовались во встроенных системах специального назначения, а с недавнего времени они стали применяться повсюду, от бортовых систем управления летательных аппаратов, до бытовых приборов.

Важнейшим свойством систем реального времени является предсказуемость временных реакций системы на внешние события. Только исходя из этого свойства можно говорить о состоятельности и обоснованности решений, заложенных в конкретной операционной системе реального времени.

Системы реального времени должны отвечать на внешние параметры ввода и создавать новые результаты вывода за ограниченное время. Время ответа должно быть ограничено. Очень длительное время ответа может привести к отказу систем реального времени.

Не вызывает сомнений, что большинство традиционных операционных систем реального времени разрабатывались с прицелом на единственный центральный процессор, установленный на единственной плате. В наши дни все чаще требуется поддержка многопроцессорных систем.

Очевидно, что операционные системы с монолитной архитектурой, вследствие их направленности на конкретные процессорные платформы и характера взаимодействия с ядром, вряд ли могут быть использованы в качестве относительно универсальных операционных систем реального времени для систем высокой готовности.

Современные операционные системы реального времени базируются на новых архитектурных подходах, дополняются средствами разработки прикладных систем, которые позволяют создавать их в сокращённые сроки с наилучшими характеристиками, кроме того, созданные на основе микроядра обладают рядом преимуществ по сравнению с монолитной архитектурой, а в комбинации с объектно-ориентированным подходом, позволяют системе стать аппаратно-независимой и обеспечивать быструю реакцию на внешние события.

И именно в свете временной предсказуемости ОСРВ должна быть тщательно спроектирована, чтобы поддерживать приложения реального времени.

Библиографический список

1. Бурдонов И.Б., Косачёв А.С., Пономаренко В.Н. Операционные системы реального времени. Препринт: Института системного программирования РАН. Иркутск, 2006.

2. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Сетевые операционные системы: Учебник для вузов. 2-е изд.- СПБ.: Питер, 2008. - 669 с.: ил.

3. www.ru.wikipedia.org

4. www.intuit.ru

Подобные документы

Основные характеристики систем реального времени, типы архитектур. Система приоритетов процессов (задач) и алгоритмы диспетчеризации. Понятие отказоустойчивости, причины сбоев. Отказоустойчивость в существующих системах реального времени (QNX Neutrino).

контрольная работа , добавлен 09.03.2013


Классификация систем реального времени. Ядра и операционные системы реального времени. Задачи, процессы, потоки. Преимущества и недостатки потоков. Свойства, планирование, синхронизация задач. Связанные задачи. Синхронизация с внешними событиями.

реферат , добавлен 28.12.2007


Характеристики, основы применения, архитектура жестких и операционных систем реального времени. Последовательное программирование задач реального времени. Структура и языки параллельного программирования, мультипрограммирования и многозадачности.

курсовая работа , добавлен 17.12.2015


Операционные системы пакетной обработки, разделения времени, реального времени. Особенности алгоритмов управления ресурсами. Поддержка многопользовательского режима. Вытесняющая и невытесняющая многозадачность. Операционные системы и глобальные сети.

реферат , добавлен 11.12.2011


Обзор требований проблемной области. Особенности управления задачами. Исполнительные системы реального времени. Программирование на уровне микропроцессоров. Модели и методы предметной области. Реализация прототипа системы реального времени.

курсовая работа , добавлен 15.02.2005


Планирование задач в операционной системе реального времени. Основные виды планирования применительно к задачам реального времени. Выбор приемлемого алгоритма планирования при проектировании RTS. Статическое прогнозирование с использованием таблиц.

контрольная работа , добавлен 28.05.2014


Рассмотрение основных принципов и методов проектирования систем реального времени. Описание конструктивных и функциональных особенностей объекта управления, построение диаграммы задач. Выбор аппаратной архитектуры, модели процессов-потоков, интерфейса.

курсовая работа , добавлен 19.01.2015


Общая характеристика задач фиксации времени выполнения программ: выполнение процессов реального времени, профилирование. Программируемый интервальный таймер как весьма сложная система. Анализ основных функций, возвращающих стандартное время Windows.

курсовая работа , добавлен 18.05.2014


Понятие и функции операционной системы. Основная особенность операционных систем реального времени. Работа с электронными таблицами. Фильтрация записей в таблице MS Excel. Установка пользовательского автофильтра в оборотную ведомость движения товаров.

контрольная работа , добавлен 21.11.2013


Сущность и принцип работы операционной системы, правила и преимущества ее использования. Возможности различных операционных систем, их сильные и слабые стороны. Сравнительная характеристика систем Unix и Windows NT, их потенциал и выполняемые задачи.

Отличительные черты ОСРВ от ОС общего назначения

ОС общего назначения, особенно многопользовательские, такие как UNIX , ориентированы на оптимальное распределение ресурсов компьютера между пользователями и задачами. В операционных системах реального времени подобная задача отходит на второй план - все отступает перед главной задачей - успеть среагировать на события, происходящие на объекте.Другое отличие - применение операционной системы реального времени всегда связано с аппаратурой, с объектом, с событиями, происходящими на объекте. Операционная система реального времени ориентирована на обработку внешних событий. Операционная система реального времени может быть похожа по пользовательскому интерфейсу на ОС общего назначения, однако устроена она совершенно иначе.Кроме того, применение операционных системах реального времени всегда конкретно. Если ОС общего назначения обычно воспринимается пользователями (не разработчиками) как уже готовый набор приложений, то операционная система реального времени служит только инструментом для создания конкретного аппаратно-программного комплекса реального времени. И поэтому наиболее широкий класс пользователей операционных системах реального времени - разработчики комплексов реального времени, люди проектирующие системы управления и сбора данных. Проектируя и разрабатывая конкретную систему реального времени, программист всегда знает точно, какие события могут произойти на объекте, знает критические сроки обслуживания каждого из этих событий.Система РВ должна успеть отреагировать на событие, произошедшее на объекте, в течение времени, критического для этого события. Величина критического времени для каждого события определяется объектом и самим событием, и может быть разной, но время реакции системы должно быть предсказано (вычислено) при создании системы. Отсутствие реакции в предсказанное время считается ошибкой для систем реального времени.Система должна успевать реагировать на одновременно происходящие события. Даже если два или больше внешних событий происходят одновременно, система должна успеть среагировать на каждое из них в течение интервалов времени, критического для этих событий.

	ОС реального времени	ОС общего назначения
Основная задача	Успеть среагировать на события, происходящие на оборудовании	Оптимально распределить ресурсы компьютера между пользователями и задачами
На что ориентирована	Обработка внешних событий	Обработка действий пользователя
Как позиционируется	Инструмент для создания конкретного аппаратно-программного комплекса реального времени	Воспринимается пользователем как набор приложений, готовых к использованию
Кому предназначена	Квалифицированный разработчик	Пользователь средней квалификации

Системы жёсткого и мягкого реального времени

Различают 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.

Примеры систем жесткого реального времени - бортовые системы управления, системы аварийной защиты, регистраторы аварийных событий.

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.Пример - работа сети. Если система не успела обработать очередной принятый пакет, это приведет к таймауту на передающей стороне и повторной посылке (в зависимости от протокола, конечно). Данные при этом не теряются, но производительность сети снижается.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

Ядро операционной системы

Ядро́ - центральная часть операционной системы (ОС), обеспечивающая приложениям координированный доступ к ресурсам компьютера, память, внешнее аппаратное обеспечение, внешнее устройство ввода и вывода информации, переводя команды языка приложений на язык двоичных кодов, которые понимает компьютер.Как основополагающий элемент ОС, ядро представляет собой наиболее низкий уровень абстракции для доступа приложений к ресурсам системы, необходимым для их работы. Как правило, ядро предоставляет такой доступ исполняемым процессам соответствующих приложений за счёт использования механизмов межпроцессного взаимодействия и обращения приложений к системным вызовам ОС.

Монолитное ядро

Монолитное ядро предоставляет богатый набор абстракций оборудования. Все части монолитного ядра работают в одном адресном пространстве. Это такая схема операционной системы, при которой все компоненты её ядра являются составными частями одной программы, используют общие структуры данных и взаимодействуют друг с другом путём непосредственного вызова процедур. Монолитное ядро - старейший способ организации операционных систем. Примером систем с монолитным ядром является большинство UNIX-систем.

Достоинства : Скорость работы, упрощённая разработка модулей.

Недостатки : Поскольку всё ядро работает в одном адресном пространстве, сбой в одном из компонентов может нарушить работоспособность всей системы.

Некоторые старые монолитные ядра, в особенности систем класса UNIX/Linux, требовали перекомпиляции при любом изменении состава оборудования. Большинство современных ядер позволяют во время работы подгружать модули, выполняющие часть функций ядра. В этом случае компоненты операционной системы являются не самостоятельными модулями, а составными частями одной большой программы, называемой монолитным ядром (monolithic kernel), которое представляет собой набор процедур, каждая из которых может вызвать каждую. Все процедуры работают в привилегированном режиме.

Микроядро

Микроядро предоставляет только элементарные функции управления процессами и минимальный набор абстракций для работы с оборудованием. Большая часть работы осуществляется с помощью специальных пользовательских процессов, называемых сервисами. Решающим критерием «микроядерности» является размещение всех или почти всех драйверов и модулей в сервисных процессах.

Достоинства : Устойчивость к сбоям оборудования, ошибкам в компонентах системы. Основное достоинство микроядерной архитектуры - высокая степень модульности ядра операционной системы. Это существенно упрощает добавление в него новых компонентов. В микроядерной операционной системе можно, не прерывая её работы, загружать и выгружать новые драйверы, файловые системы и т. д. Существенно упрощается процесс отладки компонентов ядра, так как новая версия драйвера может загружаться без перезапуска всей операционной системы. Компоненты ядра операционной системы ничем принципиально не отличаются от пользовательских программ, поэтому для их отладки можно применять обычные средства. Микроядерная архитектура повышает надежность системы, поскольку ошибка на уровне непривилегированной программы менее опасна, чем отказ на уровне режима ядра.

Недостатки : Передача данных между процессами требует накладных расходов.

Среда исполнения

Требования, предъявляемые к среде исполнения систем реального времени, следующие:

• небольшая память системы - для возможности ее встраивания;
• система должна быть полностью резидентна в памяти, чтобы избежать замещения страниц памяти или подкачки;
• система должна быть многозадачной - для обеспечения максимально эффективного использования всех ресурсов системы;
• ядро с приоритетом на обслуживание прерывания. Приоритет на прерывание означает, что готовый к запуску процесс, обладающий некоторым приоритетом, обязательно имеет преимущество в очереди по отношению к процессу с более низким приоритетом, быстро заменяет последний и поступает на выполнение. Ядро заканчивает любую сервисную работу, как только поступает задача с высшим приоритетом. Это гарантирует предсказуемость системы;
• диспетчер с приоритетом - дает возможность разработчику прикладной программы присвоить каждому загрузочному модулю приоритет, неподвластный системе. Присвоение приоритетов используется для определения очередности запуска программ, готовых к исполнению. Альтернативным такому типу диспетчеризации является диспетчеризация типа "карусель", при которой каждой готовой к продолжению программе дается равный шанс запуска. При использовании этого метода нет контроля за тем, какая программа и когда будет выполняться. В среде реального времени это недопустимо. Диспетчеризация, в основу которой положен принцип присвоения приоритета, и наличие ядра с приоритетом на прерывание позволяют разработчику прикладной программы полностью контролировать систему. Если наступает событие с высшим приоритетом, система прекращает обработку задачи с низшим приоритетом и отвечает на вновь поступивший запрос.

Сочетание описанных выше свойств создает мощную и эффективную среду исполнения в реальном времени.

Кроме свойств среды исполнения, необходимо рассмотреть также сервис, предоставляемый ядром ОС реального времени. Основой любой среды исполнения в реальном времени является ядро или диспетчер. Ядро управляет аппаратными средствами целевого компьютера: центральным процессором, памятью и устройствами ввода/вывода; контролирует работу всех других систем и программных средств прикладного характера. В системе реального времени диспетчер занимает место между аппаратными средствами целевого компьютера и прикладным программным обеспечением. Он обеспечивает специальный сервис, необходимый для работы приложений реального времени. Предоставляемый ядром сервис дает прикладным программам доступ к таким ресурсам системы, как, например, память или устройства ввода/вывода.

Ядро может обеспечивать сервис различных типов:

• Межзадачный обмен. Часто необходимо обеспечить передачу данных между программами внутри одной и той же системы Кроме того, во многих приложениях возникает необходимость взаимодействия с другими системами через сеть. Внутренняя связь может быть осуществлена через систему передачи сообщений. Внешнюю связь можно организовать либо через датаграмму (наилучший способ доставки), либо по линиям связи (гарантированная доставка). Выбор того или иного способа зависит от протокола связи.
• Разделение данных. В прикладных программах, работающих в реальном времени, наиболее длительным является сбор данных. Данные часто необходимы для работы других программ или нужны системе для выполнения каких-либо своих функций. Во многих системах предусмотрен доступ к общим разделам памяти. Широко распространена организация очереди данных. Применяется много типов очередей, каждый из которых обладает собственными достоинствами.
• Обработка запросов внешних устройств. Каждая прикладная программа в реальном времени связана с внешним устройством определенного типа. Ядро должно обеспечивать службы ввода/вывода, позволяющие прикладным программам осуществлять чтение с этих устройств и запись на них. Для приложений реального времени обычным является наличие специфического для данного приложения внешнего устройства. Ядро должно предоставлять сервис, облегчающий работу с драйверами устройств. Например, давать возможность записи на языках высокого уровня - таких, как Си или Паскаль.
• Обработка особых ситуаций. Особая ситуация представляет собой событие, возникающее во время выполнения программы. Она может быть синхронной, если ее возникновение предсказуемо, как, например, деление на нуль. А может быть и асинхронной, если возникает непредсказуемо, как, например, падение напряжения. Предоставление возможности обрабатывать события такого типа позволяет прикладным программам реального времени быстро и предсказуемо отвечать на внутренние и внешние события. Существуют два метода обработки особых ситуаций - использование значений состояния для обнаружения ошибочных условий и использование обработчика особых ситуаций для прерывания ошибочных условий и их корректировки.

Обзор архитектур ОСРВ

За свою историю архитектура операционных систем претерпела значительное развитие. Один из первых принципов построения, монолитные ОС (рисунок 1), заключался в представлении ОС как набора модулей, взаимодействующих между собой различным образом внутри ядра системы и предоставляющих прикладным программам входные интерфейсы для обращений к аппаратуре.

уровневые ОС (рисунок 2).Примером такой ОС является хорошо известная система MS-DOS. В системах этого класса прикладные приложения могли получить доступ к аппаратуре не только посредством ядра системы или ее резидентных сервисов, но и непосредственно. По такому принципу строились ОСРВ в течение многих лет. По сравнению с монолитными ОС такая архитектура обеспечивает значительно большую степень предсказуемости реакций системы, а также позволяет осуществлять быстрый доступ прикладных приложений к аппаратуре. Недостатком

таких систем является отсутствие в них многозадачности. В рамках такой архитектуры проблема обработки асинхронных событий сводилась к буферизации сообщений, а затем последовательному опросу буферов и обработке. При этом соблюдение критических сроков обслуживания обеспечивалось высоким быстродействием вычислительного комплекса по сравнению со скоростью протекания внешних процессов.

Рисунок 2. Архитектура уровневой ОС

Одной из наиболее эффективных архитектур для построения операционных систем реального времени считается архитектура клиент – сервер. Общая схема ОС работающей по этой технологии представлена на рисунке 3. Основным принципом такой архитектуры является вынесение сервисов ОС в виде серверов на уровень пользователя, а микроядро выполняет функции диспетчера сообщений между клиентскими пользовательскими программами и серверами – системными сервисами. Такая архитектура дает массу плюсов с точки зрения требований к ОСРВ и встраиваемым системам. Среди этих преимуществ можно отметить:

1. Повышается надежность ОС, т.к. каждый сервис является, по сути, самостоятельным приложением и его легче отладить и отследить ошибки.

2. Такая система лучше масштабируется, поскольку ненужные сервисы могут быть исключены из системы без ущерба к ее работоспособности.

3. Повышается отказоустойчивость системы, т.к. «зависший» сервис может быть перезапущен без

перезагрузки системы.

Рисунок 3. Построение ОС с использованием архитектуры клиент-сервер

К сожалению на сегодняшний день не так много ОС реализуется по принципу клиент-сервер. Среди известных ОСРВ реализующих архитектуру микроядра можно отметить OS9 и QNX.

Список использованной литературы:

1) http://ru.wikipedia.org/wiki/Операционная_система_реального_времени

2) http://www.asutp.ru/?p=600591

3) http://www.mka.ru/?p=40774

4) http://www.4stud.info/rtos/lecture1.html

5)http://www.ozon.ru/context/detail/id/3092042/

Представлен обзор сравнительных характеристик ОС РВ, присутствующих на российском рынке, применительно к использованию в авиационных системах управления.

Благодаря развитию вычислительной техники в последнее время стало возможным возложить на один модуль задачи, выполняемые ранее несколькими процессорными модулями, при этом улучшив массогабаритные характеристики системы управления и снизив ее стоимость. Такая тенденция в авиационной технике привела к появлению концепции интегрированной модульной авионики — ИМА (Integrated Modular Avionics, IMA).

Проблема интеграции функций управления в единый модуль состоит в том, что необходимо разделять ставшие теперь общими ресурсы (процессорное время, память, каналы обмена) между различными задачами, при этом обеспечивая такой же уровень надежности и независимости функций, как и был ранее. Ключевую роль в решении данной проблемы играет операционная система реального времени.

В настоящее время на мировом рынке присутствует несколько коммерческих ОСРВ для ответственных применений (табл. 1). В данной статье приведен обзор ОСРВ, доступных на российском рынке, на основе информации из открытых источников и личного опыта авторов.

Документы, регламентирующие требования к ОСРВ

• Стандарт DO-178 (Software Consideration in Airborne Systems and Equipment Certification) определяет требования к процессу разработки программного обеспечения и тщательности его проверки в зависимости от его уровня критичности. Уровень критичности ПО определяется на основе анализа серьезности последствий отказа в ПО. Всего предусмотрено пять уровней критичности ПО (от A до E).
• MILS (Multiple Independent Levels of Secutiry) представляет собой специальный подход к проектированию ОС, препятствующий распространению ошибок прикладного программного обеспечения во время выполнения, а также упрощающий верификацию программ за счет модульности ПО. Все приложения помещаются в так называемые разделы (partitions). Разделы имеют выделенные ресурсы (область памяти, процессорное время в течение каждого цикла системы, доступ к каналам обмена и пр). Доступ к выделенным ресурсам гарантируется ОС, работающей в режиме супервизора. Таким образом, на одном процессорном модуле под управлением одной ОС может работать прикладное ПО разного уровня критичности — если сбой произойдет в менее критичном (и, соответственно, менее проверенном) ПО, это никак не повлияет на работу других разделов, так как попытки «узурпировать» чужие ресурсы будут пресечены операционной системой. Идеи MILS перекликаются с идеями ИМА и DO-178B .
• Стандарт ARINC-653 (Avionics Application Software Standard Interface) специфицирует интерфейс прикладного программного обеспечения APEX, поддерживающий концепцию разделов в духе MILS. Данный интерфейс включает функции управления разделами, процессами, разделением времени, коммуникациями между разделами и внутри раздела, мониторинг состояния системы. Надо отметить, что стандарт ARINC-653 описывает общепризнанный подход к реализации идей MILS для ИМА, хотя могут быть и другие реализации. Авиационная ОСРВ, соответствующая ARINC-653 , имеет преимущества, так как данный стандарт хорошо известен и понятен международным сертифицирующим органам, поэтому на систему, построенную по этому стандарту, проще получить сертификат соответствия DO-178B .
• Стандарт Reusable Software Components. В соответствии с DO-178B программное обеспечение той или иной системы авиационного применения проходит процедуру сертификации полностью, даже если оно использует модули (компоненты), которые уже были сертифицированы ранее в составе другой системы. Одной из последних инициатив FAA (Федеральное агентство по сертификации гражданской авиации, США) является определение критериев возможности многократного использования ПО без повторной сертификации. Компоненты, которые можно повторно не сертифицировать, называются RSC (Reusable Software Components). Чтобы получить сертификат на RSC, нужно затратить больше усилий, но затем RSC дает серьезную экономию.

Российские документы, определяющие требования к ПО (и в том числе к ОСРВ):

• ГОСТ Р ИСО/МЭК 51904—2002 («ПО встроенных систем. Общие требования к разработке и документированию») — аналог DO-178B для военной авиации;
• КТ-178А («Квалификационные требования часть 178А») — аналог DO-178B для гражданской авиации;
• ГОСТ Р ИСО/МЭК 12207—99 («Информационная технология. Процессы жизненного цикла программных средств»).

Сравнение ОС РВ проводилось по 13 параметрам, которые учитывают технические критерии, удобство разработки и экономические параметры.

Временные параметры ОС

Одним из основных требований к ОС РВ является минимальное время задержки обработки того или иного события. На практике это означает, что должны быть малы следующие параметры:

• время отклика на прерывание — время между фактическим возникновением прерывания и началом обработки первой инструкции обработчика прерывания;
• время переключения потока управления — время переключения между двумя потоками в одном процессе;
• время переключения контекста процесса (только для ОС, поддерживающих модель процессов) — время переключения между двумя потоками управления, принадлежащими двум различным процессам.

К сожалению, объективно сравнить указанные параметры различных ОС РВ не просто, потому что данные параметры зависят не только от качества ОС, но и от возможностей используемой аппаратной платформы. В идеале, все сравниваемые ОС должны быть установлены на одну и ту же аппаратную платформу, после чего должны быть сделаны соответствующие измерения. Но даже эти измерения не дадут объективного результата, потому что различные ОС могут быть в большей или меньшей степени адаптированы к конкретной аппаратуре.

Для сравнения временных параметров в данной статье использованы фрагментированные данные, найденные в Сети, которые зачастую получены при тестировании ОС на различном оборудовании, при этом не всегда понятен состав и характер тестов.

Достаточно объективными данными можно считать результаты, полученные экспертами журнала Dedicated System, проводившими тестирование и практическое сравнение QNX RTOS 6.1, VxWorks AE 1.1 и Windows CE.NET на x86 платформе. Хотя на сегодняшний момент эти данные устарели, авторам данной статьи не удалось найти более свежего материала. В табл. 2 приведены выборочные данные о сравнении производительности QNX Neutrino 6.1, VxWorks AE 1.1. В отчете Dedicated Systems предпочтение с точки зрения быстродействия было отдано QNX, причем отношение баллов было установлено как 9:5 (QNX:VxWorks), потому как в процессе тестирования в VxWorks были обнаружены две ошибки, за исправлением которых пришлось обращаться в службу поддержки.

В табл. 3 приведены данные о характеристиках LynxOS. Состав использовавшихся тестов не указан. В качестве данных о характеристиках LynxOS интересна четвертая колонка (тестирование на x86-платформе). По сравнению с VxWorks и QNX, ОС РВ LynxOS показывает огромную задержку при реакции на прерывание (более чем в 5 раз). Время переключения контекста (имеется в виду время переключения между двумя потоками в одном процессе) одинаковое с QNX и меньше примерно в 1,5 раза, чем у VxWorks.

Стабильность временных параметров

Помимо временных характеристик для ОС РВ важна также стабильность этих характеристик. Именно этот критерий во многом определяет «жесткость» ОС РВ, т.е. предсказуемость времени обработки данных, момента выдачи результатов и т.д.

Исходя из данных журнала Dedicated System, QNX опережает по этому критерию VxWorks как по разбросу характеристик в серии однотипных тестов (отношение максимума времени к среднему значению существенно меньше), так и с ростом нагрузки (время переключения потока при увеличении числа потоков 2…128 ед. у QNX выросло только в 1,65 раза, тогда как у VxWorks — в 2,24 раза).

По данным, полученным в компании РТСофт, известно, что LynxOS имеет приблизительно те же характеристики, что VxWorks.

Управление доступом к ресурсам

Оценим качество разграничения доступа, предлагаемое той или иной ОС РВ, к критическим ресурсам вычислительной системы, таким как память и процессорное время.

Первый вопрос, на который нужно найти ответ — поддерживает ли ОС модель процессов. Процесс — это логический объект, который владеет одним или несколькими потоками, ассоциированными с ними ресурсами и контекстом — содержимым регистров и счетчиков в каждый отдельный момент времени.

Задача процессов состоит:

• в разграничении доступа к оперативной памяти между различными программами в процессе исполнения;
• в разграничении областей видимости глобальных переменных в момент компиляции (критично, если прикладное ПО написано на языке Си, который не поддерживает такое разграничение).

Сегментирование также обеспечивает разделение адресных пространств (в этом смысле возможности сегментирования и процессов дублируют друг друга). Кроме того, сегментирование обеспечивает каждому сегменту, содержащему один или несколько процессов (или потоков, если ОС не поддерживает модель процессов), гарантированный бюджет времени. Таким образом, если высокоприоритетный поток зациклится и нарушит работу своего сегмента, все остальные сегменты будут получать процессорное время в соответствии с установками, определенными на стадии проектирования, и продолжать нормально функционировать.

LynxOS и QNX поддерживают как модель процессов, так и сегментирование. ОС VxWorks имеет механизм сегментирования, но не поддерживает процессную модель. В целом, это допустимо, так как сегментирование обеспечивает разделение адресных пространств. Но отсутствие процессов несет некоторые неудобства. Обычно деление на сегменты выполняется исходя из целевого предназначения ПО и его критичности. Например, некоторый сегмент может содержать ПО управления пилотажно-навигационным комплексом, имеющее высокий уровень критичности. Но данное ПО также представляет собой достаточно сложный комплекс, который логично было бы разделить на независимые (по памяти) модули. ОС VxWorks такую возможность не предоставляет, то есть сегмент будет состоять из потоков с общей памятью, что усложняет организацию параллельной разработки и, в конечном счете, снижает надежность ПО.

Поддержка мультипроцессорных и распределенных систем

Стоимость многопроцессорных модулей в последнее время существенно снизилась, и потому они стали все чаще применяться во встроенных системах. Разумеется, ОС РВ должна обеспечивать поддержку таких плат.

Другое перспективное направление в построении САУ — это распределенные системы, где модули разнесены в пространстве, а коммуникация между ними происходит через некоторую сетевую среду. Опять же применяемая ОС РВ должна иметь удобные и надежные средства для организации взаимодействия модулей: поддержка различных сетевых протоколов, средства обеспечения сетевой прозрачности.

ОС РВ QNX предлагает поддержку многопроцессорных плат. Для VxWorks такая поддержка пока только анонсирована. Авиационной версии LynxOS с поддержкой многопроцессорных плат пока тоже не существует.

В отношении поддержки сетевых протоколов нужно отметить, что ОС РВ LynxOS, VxWorks и QNX обладают примерно равными (и широкими) возможностями. Дополнительным плюсом ОС РВ QNX является ее специальная архитектура сетевой подсистемы, обеспечивающая сетевую «прозрачность» прикладных программ: любой процесс может вызвать другой процесс на удаленном модуле так же, как и процесс на локальном модуле.

Поддержка файловых систем

Возможность хранения информации в виде файлов является удобной и традиционной. И наоборот, отсутствие такой возможности создает трудности при хранении редко изменяемых данных и создании распределенных систем.

В табл. 4 показана поддержка файловых систем каждой из рассматриваемых ОС.

QNX обладает наиболее широкой поддержкой файловых систем. Кроме того, ее файловая система на флэш является отказоустойчивой.

Качество документации

Качество документации ОС РВ LynxOS, VxWorks, QNX достаточно высокое. Однако есть и нарекания по поводу документации:

• QNX — отличное описание архитектуры и принципов построения, но недостаточное описание интерфейса прикладного программирования (дано описание не всем параметрам, есть несоответствия);
• VxWorks — нет объяснения принципов работы и недостаточное описание сложного процесса конфигурирования ОС.

Тем не менее, компании работают над качеством материала. Документация на текущую версию QNX (6.3.2) существенно расширена, налицо переработка некоторых частей.

Качество технической поддержки

По качеству официальной технической поддержки несомненный лидер — это LynxOS. Компания LynuxWorks обещает дать ответ на любой технический вопрос в течение 4 часов с момента опубликования запроса. LynxOS распространяется на территории России компанией РТСофт, имеющей большой штат сотрудников, способных оказать квалифицированную помощь. Недостатком LynxOS является то, что ОС пока что не очень распространена в России, соответственно, нет сформировавшегося сообщества пользователей, и даже нет русскоязычного форума.

Компания QSS (производитель QNX) также предлагает хорошее качество технической поддержки, но быстрота ответа не гарантируется. В отличие от LynxOS ОС РВ QNX имеет хорошо организованное сообщество пользователей как за рубежом, так и в России. Ответы на большинство вопросов можно найти на этих форумах. QNX в нашей стране распространяется компанией «СВД Встраиваемые Системы», сотрудники которой способны оказать грамотную техподдержку и выполнить работы по адаптации ОС на специфичные процессорные платы. Кроме того, компания имеет прямые контакты с QSS и может получить консультации по сложным вопросам у разработчика ОС РВ QNX.

Компания WindRiver, разработчик VxWorks, традиционно придерживается закрытой технической политики, то есть информацию о принципах работы ОС получить достаточно тяжело. Русскоязычного форума у данной ОС также нет. ОС РВ VxWorks у нас в стране распространяется компанией «АВД Системс», которая в основном занимается продажами готовых программно-аппаратных решений зарубежного производства.

Открытость исходных кодов

Открытая ОС РВ имеет по крайней мере три преимущества:

• разработчики прикладного ПО могут разобраться в сложных проблемах без привлечения службы технической поддержки;
• проще сертифицировать (на отсутствие закладок и т.д.);
• динамичнее развитие, так как в компанию-разработчик ОС РВ зачастую приходят не только запросы на исправления ошибок, но и предложения по устранению ошибок, улучшению системы. Сообщества разработчиков открытых ОС РВ, как правило, растут гораздо быстрее, лучше организованы. Появляются независимые эксперты, помогающие решать задачи службы технической поддержки и участвующие в развитии, отладке и тестировании системы.

С сентября 2007 года компания QSS открыла исходные коды ядра QNX (включая пакет сегментирования Adaptive Partitioning, пакет высокой готовности High Availability). Немногим позже были открыты исходные коды сетевой подсистемы. В настоящее время на официальном сайте доступна для скачивания бета-версия 6.4.0.

Надо отметить, что на сегодняшний день не все модули QNX открыты (например, нет кодов для графической и файловой систем), и лицензия налагает ограничение на использование «исходников»: только для некоммерческого применения. Тем не менее, пользователь QNX получает указанные выше преимущества бесплатно.

Исходные коды LynxOS и VxWorks доступны в продаже. Цена на такой продукт договорная.

Инструментальные средства

Наличие хороших инструментальных средств во многом определяет качество и скорость разработки прикладных программ под ту или иную ОС. Надо отметить, что LynxOS, VxWorks и QNX в настоящее время предоставляют хорошего качества инструментальные средства, которые включают интегрированную среду разработки (ИСР) и отладки прикладного ПО, средства профилирования программ (для обнаружения «узких мест» по производительности, памяти и пр.). Эргономика ИСР для данных ОС РВ в целом не уступает развитым средствам разработки для обычных ОС (например, MS Windows).

Переносимость прикладного ПО

Переносимость прикладного ПО обеспечивает возможность его использования под другие ОС (в том числе, не ОС РВ). Переносимость дает определенную независимость разработчику прикладного ПО от ОС РВ: в случае необходимости можно с невысокими издержками перейти на другую ОС.

Возможность написания переносимого ПО определяется в текущий момент соответствием стандарту POSIX. Все рассматриваемые ОС РВ поддерживают стандарт POSIX 1003.1. Преимущество есть у LynxOS — данная ОС обладает бинарной совместимостью с ОС Linux. То есть приложения Linux могут быть запущены под LynxOS без перекомпилирования. И, наоборот, приложения LynxOS могут быть запущены в Linux (версии 2.4.x c библиотекой языка Си glibs версии 2.2.2).

Остальные ОС РВ для запуска Linux-приложений требуют их перекомпиляции. В этом случае зачастую процесс переноса даже POSIX-совместимых приложений может стать достаточно трудоемким из-за разницы в реализации библиотек и компиляторов.

Поддержка процессорных архитектур

Отечественные разработчики систем управления для авиации в сегодняшний период перехода от внутрифирменных ОС к коммерческим зачастую оказываются в ситуации, когда нужно подобрать и адаптировать ОСРВ к уже существующей процессорной плате. В этом случае одним из ключевых аргументов при выборе ОС является поддержка архитектуры процессора, используемого на плате.

Соответствие авиационным стандартам

В зарубежной практике ПО для систем авионики должно иметь сертификат соответствия стандарту DO-178B . Если ПО разных уровней критичности выполняется на одном процессорном модуле, то применяемая ОСРВ должна поддерживать концепцию разделов. (Иначе доказать нераспространение ошибки практически невозможно). Как уже говорилось, лучше, если интерфейс программирования ОСРВ соответствует стандарту ARINC-653 , так как стандарт хорошо известен зарубежным сертификационным органам.

LynxOS в части соответствия стандартам является лидером. Она поддерживает ARINC-653 , существует достаточно много примеров систем, сертифицированных по DO-178B , построенных на ее основе. Ключевым моментом является то, что компания LynuxWorks предлагает набор RSC (правда, авторам статьи ничего не известно о цене).

VxWorks соответствует стандарту ARINC-653 , и системы, построенные на ее основе, могут быть сертифицированы по DO-178B (существует большое количество примеров).

QNX не соответствует ARINC-653 , и пока не существует систем на их основе, сертифицированных по DO-178B .

Надо отметить, что QNX-системы принципиально могут использоваться для построения ИМА, потому что QNX поддерживает свой метод обеспечения концепции разделов, который является весьма хорошей альтернативой ARINC-653 и, кроме того, позволяет экономить процессорное время.

В части аналогичных российских стандартов для военной авиации (ГОСТ Р ИСО/МЭК 51904—2002) нет еще ни одного примера сертифицированной системы, хотя принципиально на основе любой из рассматриваемых ОС можно такую систему разработать. Для ОС РВ QNX в настоящее время ведется работа по подготовке основных модулей ОС к сертификации.

Развитость системы подготовки специалистов

Быстрота и качество обучения персонала, работающего с ОС РВ и различными инструментариями по разработке и отладке ПО, напрямую связано со скоростью разработки ПО и его качеством. Ведущие компании в области встроенного и системного ПО, такие как WindRiver, LynuxWorks, QSS, проводят широкомасштабную программу курсов и тренингов по изучению использования продуктов компании, в том числе и ОС РВ.

Результаты сравнения

ОСРВ QNX Neutrino является наиболее совершенной ОС с технической точки зрения, располагает хорошим набором инструментальных средств, имеет относительно невысокую цену. Микроядерная архитектура обеспечивает высокую надежность и модульность разрабатываемых систем. Дополнительным плюсом является открытость исходных кодов. Но есть и «ложка дегтя»: в настоящее время QNX практически нигде не используется в авиации, и по этому параметру данная ОС проигрывает конкурентам (LynxOS и VxWorks). Дополнительный минус QNX: несоответствие стандарту ARINC-653 .

Надо отметить, что принципиально QNX Neutrino имеет все необходимые механизмы для работы в системах авионики. Кроме того, надежность и высокая готовность систем на базе QNX доказана в других отраслях, в которых цена ошибки даже выше, чем в авиации (управление ядерным реактором).

Работа по подготовке к сертификации QNX Neutrino по требованиям отечественных авиационных стандартов в настоящее время ведется компанией SWD Software.

ОСРВ LynxOS-178 , напротив, имеет все необходимые сертификаты за рубежом, хотя по многим другим критериям выглядит менее предпочтительно, чем QNX Neutrino. Отметим, что для применения в российской авиационной промышленности ОСРВ LynxOS-178 также должна быть сертифицирована по отечественным ГОСТ.

ОС VxWorks имеет давнюю историю применения в ответственных приложениях за рубежом. Тем не менее, наш анализ показывает, что она выглядит менее предпочтительно двух первых ОС по многим критериям. Кроме того, авторитет VxWorks подрывает стратегия закрытой разработки.

Представлен обзор сравнительных характеристик ОС РВ, присутствующих на российском рынке, применительно к использованию в авиационных системах управления.

05.05.2008, ПН, 23:56, Мск

Благодаря развитию вычислительной техники в последнее время стало возможным возложить на один модуль задачи, выполняемые ранее несколькими процессорными модулями, при этом улучшив массогабаритные характеристики системы управления и снизив ее стоимость. Такая тенденция в авиационной технике привела к появлению концепции интегрированной модульной авионики - ИМА (Integrated Modular Avionics,IMA).

Проблема интеграции функций управления в единый модуль состоит в том, что необходимо разделять ставшие теперь общими ресурсы (процессорное время, память, каналы обмена) между различными задачами, при этом обеспечивая такой же уровень надежности и независимости функций, как и был ранее. Ключевую роль в решении данной проблемы играет операционная система реального времени.

В настоящее время на мировом рынке присутствует несколько коммерческих ОСРВ для ответственных применений (табл. 1). В данной статье приведен обзор ОСРВ, доступных на российском рынке, на основе информации из открытых источников и личного опыта авторов.

Документы, регламентирующие требования к ОСРВ

Стандарт DO-178 (Software Consideration in Airborne Systems and Equipment Certification) определяет требования к процессу разработки программного обеспечения и тщательности его проверки в зависимости от его уровня критичности. Уровень критичности ПО определяется на основе анализа серьезности последствий отказа в ПО. Всего предусмотрено пять уровней критичности ПО (от A до E).

MILS (Multiple Independent Levels of Secutiry) представляет собой специальный подход к проектированию ОС, препятствующий распространению ошибок прикладного программного обеспечения во время выполнения, а также упрощающий верификацию программ за счет модульности ПО. Все приложения помещаются в так называемые разделы (partitions). Разделы имеют выделенные ресурсы (область памяти, процессорное время в течение каждого цикла системы, доступ к каналам обмена и пр). Доступ к выделенным ресурсам гарантируется ОС, работающей в режиме супервизора. Таким образом, на одном процессорном модуле под управлением одной ОС может работать прикладное ПО разного уровня критичности - если сбой произойдет в менее критичном (и, соответственно, менее проверенном) ПО, это никак не повлияет на работу других разделов, так как попытки «узурпировать» чужие ресурсы будут пресечены операционной системой. Идеи MILS перекликаются с идеями ИМА и DO-178B.

Ошибка 404. Не удаётся найти страницу.

Возможно, это случилось по одной из этих причин:

– ошибка при наборе адреса страницы (URL)
– переход по «битой» (неработающей, неправильной) ссылке
– запрашиваемой страницы никогда не было на сайте или она была удалена

Вы можете:

– вернуться назад при помощи кнопки браузера Назад (Back)
– проверить правильность написания адреса страницы (URL)
– воспользоваться картой сайта или перейти на главную страницу

Стандарт ARINC-653 (Avionics Application Software Standard Interface) специфицирует интерфейс прикладного программного обеспечения APEX, поддерживающий концепцию разделов в духе MILS. Данный интерфейс включает функции управления разделами, процессами, разделением времени, коммуникациями между разделами и внутри раздела, мониторинг состояния системы. Надо отметить, что стандарт ARINC-653 описывает общепризнанный подход к реализации идей MILS для ИМА, хотя могут быть и другие реализации. Авиационная ОСРВ, соответствующая ARINC-653, имеет преимущества, так как данный стандарт хорошо известен и понятен международным сертифицирующим органам, поэтому на систему, построенную по этому стандарту, проще получить сертификат соответствия DO-178B.

Стандарт Reusable Software Components. В соответствии с DO-178B программное обеспечение той или иной системы авиационного применения проходит процедуру сертификации полностью, даже если оно использует модули (компоненты), которые уже были сертифицированы ранее в составе другой системы. Одной из последних инициатив FAA (Федеральное агентство по сертификации гражданской авиации, США) является определение критериев возможности многократного использования ПО без повторной сертификации. Компоненты, которые можно повторно не сертифицировать, называются RSC (Reusable Software Components). Чтобы получить сертификат на RSC, нужно затратить больше усилий, но затем RSC дает серьезную экономию.

Российские документы, определяющие требования к ПО (и в том числе к ОСРВ):

• ГОСТ Р ИСО/МЭК 51904-2002 ("ПО встроенных систем. Общие требования к разработке и документированию") - аналог DO-178B для военной авиации;
• КТ-178А ("Квалификационные требования часть 178А") - аналог DO-178B для гражданской авиации;
• ГОСТ Р ИСО/МЭК 12207-99 ("Информационная технология. Процессы жизненного цикла программных средств").

Сравнение ОС РВ проводилось по 13 параметрам, которые учитывают технические критерии, удобство разработки и экономические параметры.

Временные параметры ОС

Одним из основных требований к ОС РВ является минимальное время задержки обработки того или иного события. На практике это означает, что должны быть малы следующие параметры:

• время отклика на прерывание - время между фактическим возникновением прерывания и началом обработки первой инструкции обработчика прерывания;
• время переключения потока управления - время переключения между двумя потоками в одном процессе;
• время переключения контекста процесса (только для ОС, поддерживающих модель процессов) - время переключения между двумя потоками управления, принадлежащими двум различным процессам.

К сожалению, объективно сравнить указанные параметры различных ОС РВ не просто, потому что данные параметры зависят не только от качества ОС, но и от возможностей используемой аппаратной платформы. В идеале, все сравниваемые ОС должны быть установлены на одну и ту же аппаратную платформу, после чего должны быть сделаны соответствующие измерения. Но даже эти измерения не дадут объективного результата, потому что различные ОС могут быть в большей или меньшей степени адаптированы к конкретной аппаратуре.

Для сравнения временных параметров в данной статье использованы фрагментированные данные, найденные в Сети, которые зачастую получены при тестировании ОС на различном оборудовании, при этом не всегда понятен состав и характер тестов.

Достаточно объективными данными можно считать результаты, полученные экспертами журнала Dedicated System, проводившими тестирование и практическое сравнение QNX RTOS 6.1, VxWorks AE 1.1 и Windows CE.NET на x86 платформе. Хотя на сегодняшний момент эти данные устарели, авторам данной статьи не удалось найти более свежего материала. В табл. 2 приведены выборочные данные о сравнении производительности QNX Neutrino 6.1, VxWorks AE 1.1. В отчете Dedicated Systems предпочтение с точки зрения быстродействия было отдано QNX, причем отношение баллов было установлено как 9:5 (QNX:VxWorks), потому как в процессе тестирования в VxWorks были обнаружены две ошибки, за исправлением которых пришлось обращаться в службу поддержки.

В табл. 3 приведены данные о характеристиках LynxOS. Состав использовавшихся тестов не указан. В качестве данных о характеристиках LynxOS интересна четвертая колонка (тестирование на x86-платформе). По сравнению с VxWorks и QNX, ОС РВ LynxOS показывает огромную задержку при реакции на прерывание (более чем в 5 раз). Время переключение контекста (имеется в виду время переключения между двумя потоками в одном процессе) одинаковое с QNX и меньше примерно в 1,5 раза, чем у VxWorks.

Стабильность временных параметров

Помимо временных характеристик для ОС РВ важна также стабильность этих характеристик. Именно этот критерий во многом определяет «жесткость» ОС РВ, т.е. предсказуемость времени обработки данных, момента выдачи результатов и т.д.

Исходя из данных журнала Dedicated System, QNX опережает по этому критерию VxWorks как по разбросу характеристик в серии однотипных тестов (отношение максимума времени к среднему значению существенно меньше), так и с ростом нагрузки (время переключения потока при увеличении числа потоков 2...128 ед. у QNX выросло только в 1,65 раза, тогда как у VxWorks - в 2,24 раза).

По данным, полученным в компании РТСофт, известно, что LynxOS имеет приблизительно те же характеристики, что VxWorks.

Управление доступом к ресурсам

Оценим качество разграничения доступа, предлагаемое той или иной ОС РВ, к критическим ресурсам вычислительной системы, таким как память и процессорное время.

Первый вопрос, на который нужно найти ответ - поддерживает ли ОС модель процессов. Процесс - это логический объект, который владеет одним или несколькими потоками, ассоциированными с ними ресурсами и контекстом - содержимым регистров и счетчиков в каждый отдельный момент времени.

Задача процессов состоит:

• в разграничении доступа к оперативной памяти между различными программами в процессе исполнения;
• в разграничении областей видимости глобальных переменных в момент компиляции (критично, если прикладное ПО написано на языке Си, который не поддерживает такое разграничение).

Сегментирование также обеспечивает разделение адресных пространств (в этом смысле возможности сегментирования и процессов дублируют друг друга). Кроме того, сегментирование обеспечивает каждому сегменту, содержащему один или несколько процессов (или потоков, если ОС не поддерживает модель процессов), гарантированный бюджет времени. Таким образом, если высокоприоритетный поток зациклится и нарушит работу своего сегмента, все остальные сегменты будут получать процессорное время в соответствии с установками, определенными на стадии проектирования, и продолжать нормально функционировать.

LynxOS и QNX поддерживают как модель процессов, так и сегментирование. ОС VxWorks имеет механизм сегментирования, но не поддерживает процессную модель. В целом, это допустимо, так как сегментирование обеспечивает разделение адресных пространств. Но отсутствие процессов несет некоторые неудобства. Обычно деление на сегменты выполняется исходя из целевого предназначения ПО и его критичности. Например, некоторый сегмент может содержать ПО управления пилотажно-навигационным комплексом, имеющее высокий уровень критичности. Но данное ПО также представляет собой достаточно сложный комплекс, который логично было бы разделить на независимые (по памяти) модули. ОС VxWorks такую возможность не предоставляет, то есть сегмент будет состоять из потоков с общей памятью, что усложняет организацию параллельной разработки и, в конечном счете, снижает надежность ПО.

Поддержка мультипроцессорных и распределенных систем

Стоимость многопроцессорных модулей в последнее время существенно снизилась, и потому они стали все чаще применяться во встроенных системах. Разумеется, ОС РВ должна обеспечивать поддержку таких плат.

Другое перспективное направление в построении САУ - это распределенные системы, где модули разнесены в пространстве, а коммуникация между ними происходит через некоторую сетевую среду. Опять же применяемая ОС РВ должна иметь удобные и надежные средства для организации взаимодействия модулей: поддержка различных сетевых протоколов, средства обеспечения сетевой прозрачности.

ОС РВ QNX предлагает поддержку многопроцессорных плат. Для VxWorks такая поддержка пока только анонсирована. Авиационной версии LynxOS с поддержкой многопроцессорных плат пока тоже не существует.

В отношении поддержки сетевых протоколов нужно отметить, что ОС РВ LynxOS, VxWorks и QNX обладают примерно равными (и широкими) возможностями. Дополнительным плюсом ОС РВ QNX является ее специальная архитектура сетевой подсистемы, обеспечивающая сетевую «прозрачность» прикладных программ: любой процесс может вызвать другой процесс на удаленном модуле так же, как и процесс на локальном модуле.

Поддержка файловых систем

Возможность хранения информации в виде файлов является удобной и традиционной. И наоборот, отсутствие такой возможности создает трудности при хранении редко изменяемых данных и создании распределенных систем.

В табл. 4 показана поддержка файловых систем каждой из рассматриваемых ОС.

QNX обладает наиболее широкой поддержкой файловых систем. Кроме того, ее файловая система на флэш является отказоустойчивой.

Качество документации

Качество документации ОС РВ LynxOS, VxWorks, QNX достаточно высокое. Однако есть и нарекания по поводу документации:

• QNX - отличное описание архитектуры и принципов построения, но недостаточное описание интерфейса прикладного программирования (дано описание не всем параметрам, есть несоответствия);
• VxWorks - нет объяснения принципов работы и недостаточное описание сложного процесса конфигурирования ОС.

Тем не менее, компании работают над качеством материала. Документация на текущую версию QNX (6.3.2) существенно расширена, налицо переработка некоторых частей.

Качество технической поддержки

По качеству официальной технической поддержки несомненный лидер - это LynxOS. Компания LynuxWorks обещает дать ответ на любой технический вопрос в течение 4 часов с момента опубликования запроса. LynxOS распространяется на территории России компанией РТСофт, имеющей большой штат сотрудников, способных оказать квалифицированную помощь. Недостатком LynxOS является то, что ОС пока что не очень распространена в России, соответственно, нет сформировавшегося сообщества пользователей, и даже нет русскоязычного форума.

Компания QSS (производитель QNX) также предлагает хорошее качество технической поддержки, но быстрота ответа не гарантируется. В отличие от LynxOS ОС РВ QNX имеет хорошо организованное сообщество пользователей как за рубежом, так и в России. Ответы на большинство вопросов можно найти на этих форумах. QNX в нашей стране распространяется компанией «СВД Встраиваемые Системы», сотрудники которой способны оказать грамотную техподдержку и выполнить работы по адаптации ОС на специфичные процессорные платы. Кроме того, компания имеет прямые контакты с QSS и может получить консультации по сложным вопросам у разработчика ОС РВ QNX.

Компания WindRiver, разработчик VxWorks, традиционно придерживается закрытой технической политики, то есть информацию о принципах работы ОС получить достаточно тяжело. Русскоязычного форума у данной ОС также нет. ОС РВ VxWorks у нас в стране распространяется компанией «АВД Системс», которая в основном занимается продажами готовых программно-аппаратных решений зарубежного производства.

Открытость исходных кодов

Открытая ОС РВ имеет по крайней мере три преимущества:

• разработчики прикладного ПО могут разобраться в сложных проблемах без привлечения службы технической поддержки;
• проще сертифицировать (на отсутствие закладок и т.д.);
• динамичнее развитие, так как в компанию-разработчик ОС РВ зачастую приходят не только запросы на исправления ошибок, но и предложения по устранению ошибок, улучшению системы. Сообщества разработчиков открытых ОС РВ, как правило, растут гораздо быстрее, лучше организованы. Появляются независимые эксперты, помогающие решать задачи службы технической поддержки и участвующие в развитии, отладке и тестировании системы.

С сентября 2007 года компания QSS открыла исходные коды ядра QNX (включая пакет сегментирования Adaptive Partitioning, пакет высокой готовности High Availability). Немногим позже были открыты исходные коды сетевой подсистемы. В настоящее время на официальном сайте доступна для скачивания бета-версия 6.4.0.

Надо отметить, что на сегодняшний день не все модули QNX открыты (например, нет кодов для графической и файловой систем), и лицензия налагает ограничение на использование «исходников»: только для некоммерческого применения. Тем не менее, пользователь QNX получает указанные выше преимущества бесплатно.

Исходные коды LynxOS и VxWorks доступны в продаже. Цена на такой продукт договорная.

Инструментальные средства

Наличие хороших инструментальных средств во многом определяет качество и скорость разработки прикладных программ под ту или иную ОС. Надо отметить, что LynxOS, VxWorks и QNX в настоящее время предоставляют хорошего качества инструментальные средства, которые включают интегрированную среду разработки (ИСР) и отладки прикладного ПО, средства профилирования программ (для обнаружения «узких мест» по производительности, памяти и пр.). Эргономика ИСР для данных ОС РВ в целом не уступает развитым средствам разработки для обычных ОС (например, MS Windows).

Переносимость прикладного ПО

Переносимость прикладного ПО обеспечивает возможность его использования под другие ОС (в том числе, не ОС РВ). Переносимость дает определенную независимость разработчику прикладного ПО от ОС РВ: в случае необходимости можно с невысокими издержками перейти на другую ОС.

Возможность написания переносимого ПО определяется в текущий момент соответствием стандарту POSIX. Все рассматриваемые ОС РВ поддерживают стандарт POSIX 1003.1. Преимущество есть у LynxOS - данная ОС обладает бинарной совместимостью с ОС Linux. То есть приложения Linux могут быть запущены под LynxOS без перекомпилирования. И, наоборот, приложения LynxOS могут быть запущены в Linux (версии 2.4.x c библиотекой языка Си glibs версии 2.2.2).

Остальные ОС РВ для запуска Linux-приложений требуют их перекомпиляции. В этом случае зачастую процесс переноса даже POSIX-совместимых приложений может стать достаточно трудоемким из-за разницы в реализации библиотек и компиляторов.

Поддержка процессорных архитектур

Отечественные разработчики систем управления для авиации в сегодняшний период перехода от внутрифирменных ОС к коммерческим зачастую оказываются в ситуации, когда нужно подобрать и адаптировать ОСРВ к уже существующей процессорной плате. В этом случае одним из ключевых аргументов при выборе ОС является поддержка архитектуры процессора, используемого на плате.

Соответствие авиационным стандартам

В зарубежной практике ПО для систем авионики должно иметь сертификат соответствия стандарту DO-178B. Если ПО разных уровней критичности выполняется на одном процессорном модуле, то применяемая ОСРВ должна поддерживать концепцию разделов. (Иначе доказать нераспространение ошибки практически невозможно). Как уже говорилось, лучше, если интерфейс программирования ОСРВ соответствует стандарту ARINC-653, так как стандарт хорошо известен зарубежным сертификационным органам.

LynxOS в части соответствия стандартам является лидером. Она поддерживает ARINC-653, существует достаточно примеров систем, сертифицированных по DO-178B, построенных на ее основе. Ключевым моментом является то, что компания LynuxWorks предлагает набор RSC (правда, авторам статьи ничего не известно о цене).

VxWorks соответствует стандарту ARINC-653, и системы, построенные на ее основе, могут быть сертифицированы по DO-178B (существует большое число примеров).

QNX не соответствует ARINC-653, и пока не существует систем на их основе, сертифицированных по DO-178B.

Надо отметить, что QNX-системы принципиально могут использоваться для построения ИМА, потому что QNX поддерживает свой метод обеспечения концепции разделов, который является весьма хорошей альтернативой ARINC-653 и, кроме того, позволяет экономить процессорное время.

В части аналогичных российских стандартов для военной авиации (ГОСТ Р ИСО/МЭК 51904-2002) нет еще ни одного примера сертифицированной системы, хотя принципиально на основе любой из рассматриваемых ОС можно такую систему разработать. Для ОС РВ QNX в настоящее время ведется работа по подготовке основных модулей ОС к сертификации.

Развитость системы подготовки специалистов

Быстрота и качество обучения персонала, работающего с ОС РВ и различными инструментариями по разработке и отладке ПО напрямую связано со скоростью разработки ПО и его качеством. Ведущие компании в области встроенного и системного ПО, такие как WindRiver, LynuxWorks, QSS, проводят широкомасштабную программу курсов и тренингов по изучению использования продуктов компании, в том числе и ОС РВ.

Результаты сравнения

ОСРВ QNX Neutrino является наиболее совершенной ОС с технической точки зрения, располагает хорошим набором инструментальных средств, имеет относительно невысокую цену. Микроядерная архитектура обеспечивает высокую надежность и модульность разрабатываемых систем. Дополнительным плюсом является открытость исходных кодов. Но есть и «ложка дегтя»: в настоящее время QNX практически нигде не используется в авиации, и по этому параметру данная ОС проигрывает конкурентам (LynxOS и VxWorks). Дополнительный минус QNX: несоответствие стандарту ARINC-653.

Надо отметить, что принципиально QNX Neutrino имеет все необходимые механизмы для работы в системах авионики. Кроме того, надежность и высокая готовность систем на базе QNX доказана в других отраслях, в которых цена ошибки даже выше, чем в авиации (управление ядерным реактором).

Работа по подготовке к сертификации QNX Neutrino по требованиям отечественных авиационных стандартов в настоящее время ведется компанией SWD Software.

ОСРВ LynxOS-178, напротив, имеет все необходимые сертификаты за рубежом, хотя по многим другим критериям выглядит менее предпочтительно, чем QNX Neutrino. Отметим, что для применения в российской авиационной промышленности ОСРВ LynxOS-178 также должна быть сертифицирована по отечественным ГОСТ.

ОС VxWorks имеет давнюю историю применения в ответственных приложениях за рубежом. Тем не менее, наш анализ показывает, что она выглядит менее предпочтительно двух первых ОС по многим критериям. Кроме того, авторитет VxWorks подрывает стратегия закрытой разработки.

Экспертная группа / R&D.CNews

Распечатать