Cześć I

Mariusz Rudnicki – [email protected]
PROGRAMOWANIE SYSTEMÓW
CZASU RZECZYWISTEGO CZ.1
Przedmiot PSCR
 Przedmiot PSCR
 Wykład do połowy semestru
 Laboratorium od połowy semestru
 Projekt
 Zaliczenie w formie pisemnej
 Ocena końcowa: średnia ważona z zaliczenia
części wykładowej i projektu (50% + 50%).
2/36
Zagadnienia
 Podstawowe pojęcia
 Architektury systemów czasu
rzeczywistego
 Procesy, wątki
 Szeregowanie wątków
 Synchronizacja wątków
3/36
Zagadnienia cd.
 Komunikacja IPC
 Komunikaty
 Pulsy
 Komunikacja zadań RT z zadaniami non-
RT
 Przerwania
 Programowanie sprzętu
4/36
Podstawowe pojęcia
System czasu rzeczywistego to
taki, w którym wynik przetwarzania nie
zależy tylko i wyłącznie od jego logicznej
poprawności, ale również od czasu, w jakim
został osiągnięty. Jeśli nie są spełnione
ograniczenia czasowe, mówi się, że nastąpił
błąd systemu.
5 /36
Podstawowe pojęcia
Tryb przetwarzania w czasie
rzeczywistym jest takim trybem, w
którym programy przetwarzające dane
napływające z zewnątrz, są zawsze gotowe,
a wynik ich działania jest dostępny nie
później niż po zadanym czasie.
Moment nadejścia kolejnych danych może
być losowy (asynchroniczny) lub ściśle
określony (synchroniczny).
6 /36
Podstawowe pojęcia
System
czasu
rzeczywistego jest
systemem
interaktywnym,
który
utrzymuje ciągły związek z asynchronicznym
środowiskiem, np. środowiskiem, które
zmienia się bez względu na system, w
sposób niezależny od niego.
7 /36
Podstawowe pojęcia
Oprogramowanie
czasu
rzeczywistego
odnosi się do systemu lub trybu działania, w
którym przetwarzanie jest przeprowadzane
na bieżąco, w czasie wystąpienia
zewnętrznego zdarzenia, w celu użycia
rezultatów przetwarzania do kontrolowania
lub monitorowania zewnętrznego procesu.
8 /36
Podstawowe pojęcia
System
czasu
rzeczywistego
odpowiada w sposób przewidywalny (w
określonym czasie) na bodźce zewnętrzne
napływające w sposób nieprzewidywalny.
9 /36
Podstawowe pojęcia
System mikrokomputerowy działa
czasie
rzeczywistym,
jeżeli
w
wypracowane przez ten system decyzje są
realizowane w tempie obsługiwanego
procesu. Inaczej mówiąc, system działa w
czasie rzeczywistym, jeżeli czas reakcji
systemu jest niezauważalny przez proces
(decyzja jest wypracowana we właściwym
czasie).
10 /36
Podstawowe pojęcia
 Klasyfikacja
systemów
czasu
rzeczywistego
 Hard real-time systems
 Soft real-time systems
 Firm real-time systems
11 /36
Podstawowe pojęcia
Hard real-time systems – rygorystyczne
(twarde) gwarantują terminowe wypełnienie
zadań krytycznych.
 ograniczenie opóźnień w systemie;
 przechowywanie danych w pamięci o krótkim
czasie dostępu;
 pamięć
pomocnicza
ograniczona
do
minimum lub jej brak;
 brak pamięci wirtualnej;
 niemożliwa współpraca z systemami z
podziałem czasu.
12 /36
Podstawowe pojęcia
Soft real-time systems – łagodne (miękkie),
mniej rygorystyczne w kwestii terminowości
wykonywanych zadań. Zadania wykonywane są
tak szybko jak to możliwe ale nie muszą
zakończyć
się w określonym czasie.
Przekroczenie czasu powoduje negatywne
skutki, ale nie są one katastrofalne. Łagodne
traktowanie wymagań dotyczących czasu
rzeczywistego umożliwia godzenie ich z
systemami innych rodzajów np. z systemami z
podziałem czasu.
13 /36
Podstawowe pojęcia
Firm real-time systems – solidne, są
kombinacją twardych i miękkich wymagań
czasowych. Często w praktyce definiuje się
krótki czas reakcji, którego spełnienie
wymagane jest „miękko” i dłuższy czas reakcji,
który powinien być spełniony „twardo”.
Fakt przekroczenia terminu dostarczenia
wyniku,
powoduje
jego
całkowitą
nieprzydatność (brak korzyści), nie ma też
żadnej groźby związanej z takim przypadkiem.
14 /36
Podstawowe pojęcia
Pożądane
cechy
Systemu
Rzeczywistego:
 ciągłość działania;
 zależność od otoczenia;
 współbieżność;
 przewidywalność;
 punktualność;
Czasu
15 /36
Podstawowe pojęcia
 ciągłość działania:
 system pracuje nieprzerwanie oczekując na bodźce
zewnętrzne z otoczenia;
 zależność od otoczenia:
 system
musi być rozpatrywany w kontekście
otoczenia, jego działanie uzależnione jest od bodźców
napływających z otoczenia;
 współbieżność:
 otoczenie
systemu zazwyczaj składa się z wielu
współbieżnie działających podsystemów, generujących
bodźce, które muszą być równocześnie obsłużone przez
system SCR – stąd wymagana jest współbieżna struktura
systemu SCR;
16 /36
Podstawowe pojęcia
 przewidywalność:
 pomimo współbieżności, na zewnątrz system
musi zachowywać się deterministycznie (reakcja
na pochodzące z otoczenia przypadkowe bodźce
powinna być zgodna z założonymi wymaganiami);
 punktualność:
 odpowiedzi systemu (reakcje na bodźce z
otoczenia) powinny być obliczane wg
zaprojektowanych algorytmów i dostarczane
do otoczenia w odpowiednich momentach
czasu.
17 /36
Podstawowe pojęcia
 Studium przypadku:
 ograniczenia czasowe są koniecznością, a nie
spełnienie ich prowadzi w najgorszym
przypadku do nieodwracalnych i zazwyczaj
tragicznych skutków;
 w innych sytuacjach czas wykonania jest mniej
krytyczny i dopuszcza się pewne odstępstwa.
18 /36
Podstawowe pojęcia
real-time system ≠ system in real time
 real-time system:
 gwarantuje czas reakcji systemu, co nie jest
tożsame z szybką reakcją systemu;
 system in real time:
 Oznacza pozorne wrażenie realności – szybkie
reakcje na bodźce z otoczenia (np. symulator
lotu).
19 /36
Podstawowe pojęcia
 Programowanie SCR
 programista
patrzy na SCR jako na zbiór
współbieżnych zadań wymieniających informacje z
otoczeniem i pomiędzy sobą;
 w związku z powyższym programowanie SCR
obejmuje następujące dziedziny:
 programowanie wielowątkowe;
 komunikacja
i
synchronizacja
współbieżnych;



w
systemach
współdzielenie zmiennych,
przesyłanie komunikatów,
współdzielenie zasobów,
20 /36
Podstawowe pojęcia
 Programowanie SCR cd.




synchronizacja czasowa zadań,
szeregowanie,
obsługa przerwań,
wydajność, niezawodność, odporność na błędy (wyjątki).
21 /36
Podstawowe pojęcia
 Specyfika programowanie SCR:
 definiowanie spójnych części, realizujących
obsługę zdarzeń pojawiających się w otoczeniu –
zadań (aktywowanych zdarzeniami lub upływem
czasu);
 konieczność
istnienia
mechanizmów
synchronizacji i wymiany informacji pomiędzy
zadaniami;
 konieczność określenia dla zadań priorytetu oraz
możliwość wywłaszczania zadania;
22 /36
Podstawowe pojęcia
 Specyfika programowanie SCR cd.:
 możliwość uzależnienia działania systemu od
czasu i innych zdarzeń zachodzących w otoczeniu;
 możliwość definiowania procedur obsługi dla
nietypowych (np. procesowych) operacji I/O;
 istnienie
mechanizmów
umożliwiających
konstruowanie oprogramowania o podwyższonej
niezawodności (np. obsługa wyjątków).
23 /36
Architektury SCR
 Klasyczna struktura SCR
Wszystkie moduły współdzielą tą samą przestrzeń pamięci, tworząc jeden duży
program.
24 /36
Architektury SCR
 Klasyczna struktura SCR
 zalety:
 pojedyncza przestrzeń adresowa
 łatwa komunikacja pomiędzy zadaniami
 proste współdzielenie zasobów
 wady:
 pojedyncza przestrzeń adresowa
 brak mechanizmów ochrony pamięci
 utrudniony rozwój i testowanie
25 /36
Architektury SCR
 Monolityczna struktura SCR
Jądro zawiera oprócz własnej funkcjonalności, również wszystkie sterowniki, co
powoduje złożoność procesu wytwarzania i debugowania.
Aplikacje są procesami umieszczonymi w chronionej pamięci powodując, że jądro
jest chronione przed wpływem aplikacji użytkownika i aplikacje są chronione na
wzajem.
26 /36
Architektury SCR
 Monolityczna struktura SCR
 zalety:
 aplikacje uruchamiają się w wydzielonej przestrzeni
adresowej
 wykorzystanie mechanizmów ochrony pamięci
 wady:
 sterowniki w przestrzeni adresowej jądra
 utrudniony rozwój i testowanie
27 /36
Architektury SCR
 Architektura mikrojądra
System operacyjny zawiera mikrojądro i zbiór współpracujących
procesów.
Procesy są odseparowane od jądra, więc w przypadku awarii
oprogramowania, nie mają one wpływu na jądro.
28 /36
Architektury SCR
 Architektura mikrojądra – komunikacja IPC
Procesy systemowe i użytkownika komunikują się ze sobą
wykorzystując mechanizmy komunikacji IPC – Inter-Process
Communication. Oprogramowanie systemowe i aplikacyjne
tworzą spójny system.
29 /36
Architektury SCR
 Przykłady procesów:
 Sterowniki dysków;
 Stos sieciowy;
 Sterowniki znakowe;
 Elementy interfejsu graficznego;
 Sterowniki magistral;
 Demony systemowe.
30 /36
Architektury SCR
 Zalety
i
wady
mikrokernelem:
architektury
z
 Zalety:
 elastyczność i niezawodność
 łatwość konfiguracji i rekonfiguracji
 łatwość debugowania
 łatwość wytwarzania oprogramowania
 skalowalność systemu
31 /36
Architektury SCR
 Zalety
i
wady
mikrokernelem:
architektury
z
 Wady - koszty:
 więcej przełączeń kontekstu;
 więcej kopiowanych danych.
32 /36
Architektury SCR
 Architektura dwóch systemów – pod kontrolą
jądra systemu RT pracuje jądro systemu nonRT
RT Core runs the Linux kernel as a idle thread (the lowest priority thread).
33 /36
Architektury SCR
 Koncepcja RT Linuxa:
 odseparowanie zadań RT;
 wyspecyfikowanie i poprawienie modułów Linuxa,
które mogłyby powodować problemy w czasie
realizacji zadań krytycznych;
 dostarczanie zaawansowanych usług i dużej
wydajności, w przypadku średnim, przez system
ogólnego
przeznaczenia
z
gwarancją
terminowości wykonywania zadań krytycznych.
34 /36
Architektury SCR
 RT Linux zadania krytyczne:
 zadania wykonywane w przestrzeni adresowej RT
Core są priorytetowane przez schedulera tego
jądra. Umieszczone są we wspólnej przestrzeni
adresowej, bez ochrony pamięci.
35 /36
Architektury SCR
 RT Linux zadania krytyczne:
 Zalety:
 szybsze przełączanie kontekstu – brak konieczności
zmiany rejestru bazowego jednostki zarządzającej
pamięcią MMU i czyszczenia bufora TLB - Translation
Lookaside Buffer;
 bezpośrednie współdzielenie danych bez konieczności
stosowania
skomplikowanych
mechanizmów
komunikacji międzyprocesowej;
 Wady:
 rozbudowany mechanizm komunikacji zadań RT z
zadaniami non-RT;
 błędy w zadaniach krytycznych mogą powodować awarię
całego systemu;s
36 /36