Понятие операционной системы реального времени

Существует достаточно большое количество определений понятия системы реального времени, но главные черты могут быть определены как комбинация следующих двух определений:

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

2. Реальное время (программное обеспечение) (IEEE 610.12 – 1990): Относится к системе или режиму работы, в котором вычисления проводятся в течение времени, определяемого внешним процессом, с целью управления или мониторинга внешнего процесса по результатам этих вычислений.

Оба эти выражения подчеркивают главное требование к СРВ – эти системы должны выполнять свои операции вовремя.

Операционная система реального времени (ОСРВ) — тип операционной системы, основное назначение которой — предоставление необходимого и достаточного набора функций для работы систем реального времени на конкретном аппаратном оборудовании.

В настоящее время микрокомпьютерами называют встраиваемые системы управления (например: в бытовую технику или электростанции), характерными особенностями которых являются миниатюрная конструкция, низкое энергопотребление, работа в жёстких условиях и специализированная ОС, как правило, реального времени.

В таблице 1 представлены отличия ОСРВ от ОС общего назначения.

Таблица 1 – Сравнение ОСРВ и ОС общего назначения

ОСРВ должны удовлетворять следующим требованиям:

1. Детерминизм. ОС детерминирована, если она выполняет операции в фиксированное, предопределённое время или в пределах предопределённых интервалов времени. Насколько детерминированно система способна удовлетворять запросы, зависит в первую очередь от скорости, с которой она способна реагировать на прерывания, а также от того, обладает ли система достаточной пропускной способностью для обработки всех запросов за требуемое время. Мерой способности операционной системы к детерминированному функционированию служит длительность максимальной задержки между поступлением в систему прерывания от высокоприоритетного устройства и началом его обработки. В ОС, не являющихся операционными системами реального времени, задержка может составлять от десятков до сотен миллисекунд, в то время как в ОСРВ такая задержка должна иметь верхнюю границу от нескольких микросекунд до миллисекунды.

2. Чувствительность. Чувствительность рассматривает вопрос о том, сколько времени требуется операционной системе для обслуживания прерывания после распознавания. Чувствительность включает в себя следующее:

1) Количество времени, требующееся для начальной обработки прерывания и начала выполнения подпрограммы обработки прерывания (Interrupt Service Routine – ISR). Если выполнения ISR требует переключения процессов, то задержка оказывается большей, чем при ISR, которая может выполняться в пределах контекста текущего процесса.

2) Количество времени, требующееся для выполнения ISR. Обычно это время зависит от используемой аппаратной платформы.

3) Влияние вложенных прерываний. Если ISR может быть прервано поступлением нового прерывания, то обслуживание текущего прерывания будет отложено.

3. Управление со стороны пользователя. Управление со стороны пользователя в ОСРВ обычно значительно шире, чем в обычной ОС. В типичной ОС, не являющейся операционной системой реального времени, пользователь либо не в состоянии управлять функцией планирования ОС, либо может осуществлять только самое общее руководство типа группирования пользователей по нескольким классам приоритетов; однако в ОСРВ важной составляющей является обеспечение возможности тонкой настройки приоритетов задач. Пользователь должен иметь возможность разделять задачи на жесткие и мягкие и определять относительные приоритеты в пределах каждого класса. Кроме того, ОСРВ позволяют пользователю определять и такие характеристики, как использование страничной организации памяти или свопинг процессов, а также определять, какие процессы должны постоянно находиться в основной памяти, какой алгоритм дисковых операций должен использоваться, какие права у процессов из разных групп и многое другое.

4. Надежность. Случайная ошибка в обычной системе может быть в худшем случае обработана просто посредством перезагрузки системы; сбой одного из процессоров в обычной многопроцессорной системе приведёт к снижению уровня обслуживания до замены или починки этого процессора. Но ОСРВ работает, как и следует из её названия, с событиями в реальном времени, и потеря производительность может привести к катастрофическим последствиям – от финансовых потерь до потерь оборудования и человеческих жизней.

5. Восстановление после сбоев. ОСРВ должна быть разработана таким образом, чтобы уметь отреагировать на ошибки разного типа. Восстановление после сбоев – характеристика системы, которая описывает способность системы сохранить максимальную функциональность и не потерять данные при сбое. ОСРВ будет пытаться либо исправить ситуацию полностью, либо минимизировать её влияние на продолжающуюся работу системы. Обычно система информирует пользователя или пользовательский процесс о необходимости корректирующих действий и продолжает работу, возможно, со сниженным уровнем обслуживания. Если необходимо выключение системы, она пытается сохранить согласованность файлов и данных.

Важным аспектом восстановления после сбоев является стабильность системы. Система стабильна, если в случаях, когда невозможно выдержать предельные сроки всех задач, она выдерживает предельные сроки для наиболее критических высокоприоритетных задач (даже если не всегда удаётся выдержать условия работы над некоторыми менее критическими задачами).