Системы реального времени

1. Системы реального времени

Сидельников
Виктор Викторович,
к.т.н., доцент кафедры АСОИУ
2015

2.

Контакты
Сидельников Виктор Викторович
Крестелев Данила Вадимович
В контакте Группа СРВ,
[email protected]
[email protected]
vk.com/rtsys
Практика («Лабораторные работы»)
QNX – Real-Time OS
http://www.qnx.com/products/evaluation
Othher license keys Academic -> Single user license
Программное обеспечение
QNX® Software Development Platform 6.6.0 – Windows Hosts
QNX SDP 6.6.0 runtime ISO for VMware [or virtual machine]
Литература
Цилюрик О., Горшко Е. Анатомия параллелизма QNX/UNIX
Кертен Р. Введение в QNX Neutrino 2. Руководство для разработчиков
приложений реального времени
0. Системы реального времени
2015 v.0.1
2

3.

1. Характеристики систем реального
времени
“Real-Time System: Any system in which the time at which output is
produced is significant. This is usually because the input corresponds
to some movement in the physical world, and the output has to relate
to the same movement. The lag from input time to output time must be
sufficiently small for acceptable timeliness”
(Oxford Dictionary of Computing)
Система Реального Времени: Любая система, в которой момент
времени вывода информации имеет важное значение. Обычно такая
значимость определяется тем, что источником входной информации
являются физические процессы, протекающие во внешней среде, и
реакция системы должена соотноситься с теми же процессами.
Временная задержка между моментами ввода и вывода должна быть
достаточно мала чтобы обеспечить своевременность реакции системы на
внешнее воздействие
1. Характеристики систем реального времени.
2015 v.0.1
3

4. 1.1. Пример: Система автоматизации климатических испытаний

Функции системы:
• Управление температурой, давлением, влажностью по
заданной программе
• Контроль работоспособности испытательного
оборудования
• Диспетчеризация процесса испытаний
1. . Характеристики систем реального времени.
2015 v.0.1
4

5. Задача управления температурой

Испытательная
камера
Н
Х
ДТ
ДТ
Т
Программа
испытаний
ИНТЕРФЕЙС
ДТ
ВЫВОД ДИСКРЕТНОЙ
ИНФОРМАЦИИ
ДТ
ВВОД АНАЛОГОВОЙ
ИНФОРМАЦИИ
Задача управления температурой
Требуемое изменение температуры
Реальный процесс
t
1 . Характеристики систем реального времени.
2015 v.0.1
5

6. Организация вычислительного процесса

Температура
t
Таймер
Задача управления
температурой
t
.
1
2
3
4
1
2
3
4
t
tp
tr
l
d
p
1 - измерение;
2 - вычисление_программного_значения;
3 - алгоритм_принятия_решения;
4 - вывод_управляющего_воздействия;
1. . Характеристики систем реального времени.
2015 v.0.1
6

7. Характеристики вычислительного процесса

• tp - время выполнения (execution time, processing time)
• tr - время реакции системы (response time)
• d - предельно допустимое время завершения (deadline)
• p - период активизации (period)
• wcet - время выполнения в наихудшем случае (worst case
execution time)
• l - задержка выполнения процедуры обработки события
(latency)
1. . Характеристики систем реального времени.
2015 v.0.1
7

8.

Задача контроля работоспособности
испытательного оборудования
Испаритель
Конденсатор
К
ЭД
1. . Характеристики систем реального времени.
ИНТЕРФЕЙС
ВВОД ДИСКРЕТНОЙ
ИНФОРМАЦИИ
ДД
ВЫВОД ДИСКРЕТНОЙ
ИНФОРМАЦИИ
Компрессор
2015 v.0.1
8

9.

Организация вычислительного
процесса
Давление
Pдоп
ДД
t
1
Задача контроля
работоспособности
2
3
t
l
tp
tr
• 1 - процедура_обработки_события;
• 2 - алгоритм принятия решения;
• 3 - вывод_управляющего_воздействия;
1. . Характеристики систем реального времени.
d
2015 v.0.1
9

10.

Задача диспетчеризации
Управление
температурой
Информационный
фонд
Контроль
работоспособности
1. . Характеристики систем реального времени.
Отображение
информации
Ввод команд
2015 v.0.1
Оператор
10

11.

Организация вычислительного
процесса
Таймер
Отображение
информации
t
1
2
1
2
t
tp
d
p
Ввод команд
t
Интерпретация
1 - обработка_данных;
2 - вывод (экран, печать);
3 - ввод_команды;
4 - интерпретация_запроса;
3
l
4
t
tp
1 . Характеристики систем реального времени.
ds
dh
2015 v.0.1
11

12.

1.2. Многозадачность СРВ
СРВ необходимо одновременно решать несколько задач,
обслуживающих процессы внешней среды
Изменение
температуры
Изменение
состояния
оборудования
Физические процессы в
испытательной
камере
1. . Характеристики систем реального времени.
Управление
температурой
Контроль
работоспособности
Диспетчеризация
Обеспечивающие
задачи
Прикладные задачи СРВ
2015 v.0.1
12

13.

Активизация прикладных задач
Два способа диспетчеризации задач:
– периодическая (циклическая) активизация
- спорадическая (асинхронная) активизация
Таймер
t
Циклическая задача
t
p
Инициативный сигнал
t
Спорадическая задача
t
1. . Характеристики систем реального времени.
2015 v.0.1
13

14.

Активизация прикладных задачи (2)
t1
Управление
температурой
t2
Отображение
информации
Периоды (Т1, Т 2)
Задачи
«не реального
времени»
Циклические задачи
Спорадические задачи
Прерывание
от таймера
Часы
Возврат
Событие
(ДД)
Контроль
работоспособности
компрессора
Возврат
Событие
(клавиатура)
Ввод команд
Возврат
1. . Характеристики систем реального времени.
2015 v.0.1
14

15.

1.3. Аппаратные модули
МОДУЛИ ВВОДА
ДИСКРЕТНОЙ
ИНФОРМАЦИИ
ИНТЕРФЕЙС
Исполнительные
механизмы
Источники
инициативных
сигналов
МОДУЛИ ВЫВОДА
ДИСКРЕТНОЙ
ИНФОРМАЦИИ
МОДУЛИ ВВОДА
АНАЛОГОВОЙ
ИНФОРМАЦИИ
ИНТЕРФЕЙС
Датчики
МОДУЛИ ВЫВОДА
АНАЛОГОВОЙ
ИНФОРМАЦИИ
МОДУЛИ ВВОДА
ИНИЦИАТИВНОГО
СИГНАЛА
1 . Характеристики систем реального времени.
2015 v.0.1
15

16.

1.4. Требования к времени реакции
Q – «Значимость» результатов работы задачи
Управление температурой
Q
Контроль работоспособности
A
ds
dh
Q
t
Ввод команд
C
d
t
d
Отображение информации)
Q
B
Q
t
1. Характеристики систем реального времени.
D
ds
dh
2015 v.0.1
t
16

17.

1.5. Особенности СРВ
1.
СРВ – программно-аппаратный комплекс, активно
взаимодействующий с внешней средой; временной масштаб процессов
обработки информации в СРВ согласуется с временным масштабом
процессов, протекающих во внешней среде.
2.
СРВ - многозадачная система; несколько задач выполняются
одновременно, обслуживая процессы внешней среды. Различают
циклические и спорадические задачи.
3.
Реальное время не означает «быстро», но «своевременно»; каждая
задача должна закончится в пределах заданного для нее времени; в
этом смысле говорят о «предсказуемости» (predictability) поведения
системы
1. . Характеристики систем реального времени.
2015 v.0.1
18

18.

Особенности СРВ (2)
4.
Характеристики задачи реального времени:
– длительность выполнения (execution time),
– период активизации (period),
– допустимое время завершения (deadline),
– время выполнения в наихудшем случае (worst case execution time),
– приоритет (priority),
– время реакции (response time),
– задержка выполнения процедуры обработки события (latency)
5.
Каждая задача реального времени определяется постоянным набором
процедур, повторяющихся в течении времени функционирования
системы (от единиц до сотен и тысяч часов)
1. . Характеристики систем реального времени.
2015 v.0.1
19

19.

Особенности СРВ (3)
6.
По строгости требований на выполнения deadline задачи (системы)
относят к классам «жесткого реального времени» (hard real-time),
«мягкого реального времени» (soft real-time) и «твердого реального
времени» (firm real-time)
7.
Наряду с задачами реального времени в системе решаются задачи
«нереального времени» (non-real-time system), которым (как
правило) определяется более низкий приоритет
8.
Повышенные требования к надежности по сравнению с системами
«нереального времени»
Примечание:
Рассмотренный пример относится к т.н. классу «встроенных систем»
1. . Характеристики систем реального времени.
2015 v.0.1
20

20.

1.6. Предметные области СРВ
Средства разработки
Языки, эмуляторы,
SCADA
Приложение
Монопольные (standalone) приложения,
RTOS - приложения
Операционная система РВ
Аппаратная платформа
Средства взаимодействия
с внешней средой
Средства управления задачами,
драйверы, файловый менеджер,
сетевой менеджер
Встроенные контроллеры,
управляющие ВМ
Датчики, исполнительные
механизмы, устройства связи с
объектом
Внешняя среда
1. Особенности систем реального времени.
2015 v.0.1
22