Операционная система реального времени (ОСРВ, ) — тип специализированной операционной системы, основное назначение которой — предоставление необходимого и достаточного набора функций для проектирования, разработки и функционирования систем реального времени на конкретном аппаратном оборудовании.
Спецификация UNIX в редакции 2 даёт следующее определение:
Реальное время в операционных системах — это способность операционной системы обеспечить требуемый уровень сервиса в определённый промежуток времени.С. Золотарев. Операционные системы реального времени для 32-разрядных микропроцессоров
Идеальная ОСРВ имеет предсказуемое поведение при всех сценариях нагрузки, включая одновременные прерывания и выполнение потоковWhat makes a good RTOS , Dedicated Systems Experts NV, June 11, 2001.
Системы жёсткого и мягкого реального времени Операционные системы реального времени иногда делят на два типа — системы жёсткого реального времени и системы мягкого реального времениИ. Б. Бурдонов, А. С. Косачев, В. Н. Пономаренко. Операционные системы реального времени п. 1. Введение: Особенности операционных систем реального времени.
Операционная система, которая может обеспечить требуемое время выполнения задачи реального времени даже в худших случаях, называется операционной системой жёсткого реального времени. Система, которая может обеспечить требуемое время выполнения задачи реального времени в среднем, называется операционной системой мягкого реального времени.
Системы жёсткого реального времени не допускают задержек реакции системы, так как это может привести к потере актуальности результатов, большим финансовым потерям или даже авариям и катастрофам. Ситуация, в которой обработка событий происходит за время, большее предусмотренного, в системе жёсткого реального времени считается фатальной ошибкой. При возникновении такой ситуации операционная система прерывает операцию и блокирует её, чтобы, насколько возможно, не пострадала надёжность и готовность остальной части системы. Примерами систем жёсткого реального времени могут быть бортовые системы управления (на самолёте, космическом аппарате, корабле, и пр.), системы аварийной защиты, регистраторы аварийных событийА. А. Жданов. Операционные системы реального времени .
В системе мягкого реального времени задержка реакции считается восстановимой ошибкой, которая может привести к увеличению стоимости результатов и снижению производительности, но не является фатальной. Примером может служить работа компьютерной сетиЕ. Хухлаев. Операционные системы реального времени и Windows NT . Если система не успела обработать очередной принятый пакет, это приведёт к остановке на передающей стороне и повторной посылке (в зависимости от протокола). Данные при этом не теряются, но производительность сети снижается.
Основное различие систем жёсткого и мягкого реального времени можно охарактеризовать так: система жёсткого реального времени никогда не опоздает с реакцией на событие, система мягкого реального времени не должна опаздывать с реакцией на событие.
Часто операционной системой реального времени считают лишь систему, которая может быть использована для решения задач жёсткого реального времени. Это определение означает наличие у ОСРВ необходимых инструментов, но также означает, что эти инструменты необходимо правильно использовать.
Большинство программного обеспечения ориентировано на «мягкое» реальное время. Для подобных систем характерно: гарантированное время реакции на внешние события (прерывания от оборудования); жёсткая подсистема планирования процессов (высокоприоритетные задачи не должны вытесняться низкоприоритетными, за некоторыми исключениями); повышенные требования к времени реакции на внешние события или реактивности (задержка вызова обработчика прерывания не более десятков микросекунд, задержка при переключении задач не более сотен микросекунд).
Классическим примером задачи, где требуется ОСРВ, является управление роботом, берущим деталь с ленты конвейера. Деталь движется, и робот имеет лишь маленький промежуток времени, когда он может её взять. Если он опоздает, то деталь уже не будет на нужном участке конвейера, и следовательно, работа не будет выполнена, несмотря на то, что робот находится в правильном месте. Если он подготовится раньше, то деталь ещё не успеет подъехать, и он заблокирует ей путь.
Также для операционных систем иногда используется понятие «интерактивного реального времени», в котором определяется минимальный порог реакции на события графического интерфейса, в течение которого оператор — человек — способен спокойно, без нервозности, ожидать реакции системы на данные им указания.
Отличительные черты ОСРВ Таблица сравнения ОСРВ и обычных операционных систем: 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
Архитектуры ОСРВ В своём развитии ОСРВ строились на основе следующих архитектур: Монолитная архитектура. ОС определяется как набор модулей, взаимодействующих между собой внутри ядра системы и предоставляющих прикладному ПО входные интерфейсы для обращений к аппаратуре. Основной недостаток этого принципа построения ОС заключается в плохой предсказуемости её поведения, вызванной сложным взаимодействием модулей между собой. Уровневая (слоевая) архитектура. Прикладное ПО имеет возможность получить доступ к аппаратуре не только через ядро системы и её сервисы, но и напрямую. По сравнению с монолитной такая архитектура обеспечивает значительно большую степень предсказуемости реакций системы, а также позволяет осуществлять быстрый доступ прикладных приложений к аппаратуре. Главным недостатком таких систем является отсутствие многозадачности. Архитектура «клиент-сервер». Основной её принцип заключается в вынесении сервисов ОС в виде серверов на уровень пользователя и выполнении микроядром функций диспетчера сообщений между клиентскими пользовательскими программами и серверами — системными сервисами. Преимущества такой архитектуры: Повышенная надёжность, так как каждый сервис является, по сути, самостоятельным приложением и его легче отладить и отследить ошибки. Улучшенная масштабируемость, поскольку ненужные сервисы могут быть исключены из системы без ущерба к её работоспособности. Повышенная отказоустойчивость, так как «зависший» сервис может быть перезапущен без перезагрузки системы.
+ Архитектуры операционных систем реального времени Монолитная архитектура Уровневая (слоевая) архитектура Архитектура «клиент–сервер»
Особенности ядра
Ядро ОСРВ обеспечивает функционирование промежуточного абстрактного уровня ОС, который скрывает от прикладного ПО специфику технического устройства процессора (нескольких процессоров) и связанного с ним аппаратного обеспеченияD. Kalinsky. .
Основные сервисы Указанный абстрактный уровень предоставляет для прикладного ПО пять основных категорий сервисовА. А. Блискавицкий, С. В. Кабаев. Операционные системы реального времени (обзор) : Управление задачами. Самая главная группа сервисов. Позволяет разработчикам приложений проектировать программные продукты в виде наборов отдельных программных фрагментов, каждый из которых может относиться к своей тематической области, выполнять отдельную функцию и иметь свой собственный квант времени, отведённый ему для работы. Каждый такой фрагмент называется задачей. Сервисы в рассматриваемой группе обладают способностью запускать задачи и присваивать им приоритеты. Основной сервис здесь — планировщик задач. Он осуществляет контроль над выполнением текущих задач, запускает новые в соответствующий период времени и следит за режимом их работы. Динамическое распределение памяти. Многие (но не все) ядра ОСРВ поддерживают эту группу сервисов. Она позволяет задачам заимствовать области оперативной памяти для временного использования в работе приложений. Часто эти области впоследствии переходят от задачи к задаче, и посредством этого осуществляется быстрая передача большого количества данных между ними. Некоторые очень малые по размеру ядра ОСРВ, которые предполагается использовать в аппаратных средах со строгим ограничением на объём используемой памяти, не поддерживают сервисы динамического распределения памяти. Управление таймерами. Так как встроенные системы предъявляют жёсткие требования к временным рамкам выполнения задач, в состав ядра ОСРВ включается группа сервисов, обеспечивающих управление таймерами для отслеживания лимита времени, в течение которого должна выполняться задача. Эти сервисы измеряют и задают различные промежутки времени (от 1 мкс и выше), генерируют прерывания по истечении временных интервалов и создают разовые и циклические будильники. Взаимодействие между задачами и синхронизация. Сервисы данной группы позволяют задачам обмениваться информацией и обеспечивают её сохранность. Они также дают возможность программным фрагментам согласовывать между собой свою работу для повышения эффективности. Если исключить эти сервисы из состава ядра ОСРВ, то задачи начнут обмениваться искажённой информацией и могут стать помехой для работы соседних задач. Контроль устройства ввода-вывода. Сервисы этой группы обеспечивают работу единого программного интерфейса, взаимодействующего со всем множеством драйверов устройств, которые являются типичными для большинства встроенных систем.
В дополнение к сервисам ядра, многие ОСРВ предлагают линейки дополнительных компонентов для организации таких высокоуровневых понятий, как файловая система, сетевое взаимодействие, управление сетью, управление базой данных, графический пользовательский интерфейс и т. д. Хотя многие из этих компонентов намного больше и сложнее, чем само ядро ОСРВ, они, тем не менее, основываются на его сервисах. Каждый из таких компонентов включается во встроенную систему, только если её сервисы необходимы для выполнения встроенного приложения и только для того, чтоб свести расход памяти к минимуму.
Отличия от операционных систем общего назначения Многие операционные системы общего назначения также поддерживают указанные выше сервисы. Однако ключевым отличием сервисов ядра ОСРВ является детерминированный, основанный на строгом контроле времени, характер их работы. В данном случае под детерминированностью понимается то, что для выполнения одного сервиса операционной системы требуется временной интервал заведомо известной продолжительности. Теоретически это время может быть вычислено по математическим формулам, которые должны быть строго алгебраическими и не должны включать никаких временных параметров случайного характера. Любая случайная величина, определяющая время выполнения задачи в ОСРВ, может вызвать нежелательную задержку в работе приложения, тогда следующая задача не уложится в свой квант времени, что послужит причиной для ошибки.
В этом смысле операционные системы общего назначения не являются детерминированными. Их сервисы могут допускать случайные задержки в своей работе, что может привести к замедлению ответной реакции приложения на действия пользователя в заведомо неизвестный момент времени. При проектировании обычных операционных систем разработчики не акцентируют своё внимание на математическом аппарате вычисления времени выполнения конкретной задачи и сервиса. Это не является критичным для подобного рода систем.
Планирование задач
Работа планировщика