WPROWADZENIE DO SYSTEMÓW
OPERACYJNYCH CZASU RZECZYWISTEGO
Opracowano na podstawie  Systemy czasu rzeczywistego QNX6 Neutrino  J. Ułasiewicz
1. WST
P
�� System czasu rzeczywistego RTS (ang. Real Time System) to taki system,
którego wynik przetwarzania zależy nie tylko od jego logicznej poprawności,
ale także od chwili, w której taki wynik się pojawi.
�� Systemy czasu rzeczywistego są stosowane wszędzie tam, gdzie konieczna jest
bieżąca reakcja na sygnały płynące z zewnętrznego świata.
1
�� W ostatnim okresie obserwujemy istotny wzrost znaczenia takich systemów.
Powodem tego zjawiska jest istotny spadek kosztów i wzrost możliwości
sterowników mikroprocesorowych, które są instalowane w nowych
urządzeniach. O ile zasoby sprzętowe wcześniejszych sterowników były zbyt
skromne, aby pomieścić system operacyjny, obecnie stało się to możliwe, a
nawet ze względu na komplikację układów interfejsowych konieczne.
�� Różnorodne sterowniki są obecne w licznych urządzeniach powszechnego
użytku, takich jak sprzęt audiowizualny, samochody, telefony, sterują
instalacjami przemysłowymi, robotami, samolotami, centralami telefonicznymi.
�� Mówimy, że sterowniki takie są wbudowane w urządzenia, którymi sterują, stąd
pojęcie systemów wbudowanych (ang. embedded).
2
�� Systemy wbudowane są zwykle systemami czasu rzeczywistego.
�� Składają się one ze sprzętu i oprogramowania.
�� Fundamentem, na którym jest budowane takie oprogramowanie, jest system
operacyjny czasu rzeczywistego RTOS (ang. Real Time Operating System).
�� Kroki, które powinny być wykonane, aby potrzebny system komputerowy mógł
być zrealizowany:
�� specyfikacja wymagań,
�� wybór platformy sprzętowej i systemu operacyjnego,
�� posadowienie systemu operacyjnego na wybranej platformie sprzętowej,
3
�� wytworzenie oprogramowania aplikacyjnego,
�� testowanie,
�� weryfikacja.
�� O ile sprzętowa część systemu wbudowanego jest konstruowana z
powtarzalnych komponentów (na rynku dostępna jest znaczna liczba
różnorodnych sterowników), to oprogramowanie jest silnie
zindywidualizowane.
4
�� W praktyce dla każdego zastosowania oprogramowanie aplikacyjne jest
tworzone od nowa. Dlatego wytworzenie oprogramowania i jego testowanie
oraz weryfikacja stanowią najbardziej kosztowny i czasochłonny etap
przedsięwzięcia inwestycyjnego.
�� Oprogramowanie takie, poza nielicznymi wyjątkami, jest tworzone w
środowisku pewnego systemu operacyjnego czasu rzeczywistego. Współczesne
aplikacje czasu rzeczywistego są często aplikacjami złożonymi z wielu
procesów intensywnie komunikujących się ze sobą i z otoczeniem, nierzadko
rozproszonych i poddanych ograniczeniom czasowym.
5
�� Tworząc taką aplikację, w ogólnym przypadku należy rozwiązać następujące
zagadnienia:
- zapewnić spełnienie wymaganych ograniczeń czasowych.
- rozwiązać kwestię komunikacji i synchronizacji lokalnych procesów i
wątków.
- rozwiązać problem komunikacji pomiędzy węzłami systemu rozproszonego.
�� Trafny wybór systemu operacyjnego decyduje często o wiarygodności całego
systemu, możliwości spełnienia wymagań czasowych, łatwości tworzenia
przyszłej aplikacji i jej przenośności.
�� Obecnie jest dostępnych wiele systemów operacyjnych czasu rzeczywistego.
6
�� Wymienić tutaj można zarówno systemy komercyjne (np. Solaris, LynxOS,
VxWorks, Windows CE, QNX Neutrino), jak i systemy open source (np. RT
Linux czy eCOS). Systemy te różnią się znacznie właściwościami.
7
�� Najważniejsze kryteria, względem których porównuje się RTOS, to:
�� łatwość instalacji i konfiguracji,
�� dostępne platformy sprzętowe,
�� wiarygodność,
�� właściwości czasowe,
�� wsparcie architektur rozproszonych,
�� jakość dokumentacji,
�� zgodność ze standardami,
�� dostępność kodu z
ródłowego,
�� dostępność wsparcia technicznego,
�� cena.
8
�� Znaczenie poszczególnych kryteriów zależy od konkretnych uwarunkowań. Jest
oczywiste, że inne kryteria będą istotne w przypadku urządzenia wbudowanego
w kuchenkę mikrofalową, a inne w przypadku sondy kosmicznej. Poszczególne
kryteria trudno też wyrazić ilościowo, sprowadzić do wspólnego mianownika i
wyodrębnić najlepszy RTOS.
�� Niezależna organizacja Dedicated Systems, zajmująca się ewaluacją
oprogramowania, przeprowadziła porównanie ważniejszych systemów czasu
rzeczywistego, w tym systemu QNX Neutrino v6.l, VxWorks AE1.1 i Windows
CE.NET. Z uzyskanych rezultatów wynika, że system QNX6 Neutrino góruje
pod wieloma względami nad konkurentami. Jeżeli nawet do takich testów
podejść z rezerwą, to i tak nie da się zaprzeczyć, że system QNX6 jest obecnie
9
jednym z najbardziej zaawansowanych technologicznie systemów operacyjnych
czasu rzeczywistego.
�� W tym miejscu należy podkreślić istotną rolę standardów. Jeżeli aplikacja
dostosowana jest do pewnego otwartego, szeroko uznanego standardu, to są
większe szanse, że przetrwa ona zmianę platformy sprzętowej i programowej.
Może też łatwiej współpracować z innymi aplikacjami.
�� W dziedzinie systemów czasu rzeczywistego najszerzej stosowanym
standardem jest POSIX 1003.1. Pełną lub częściową zgodność z tym
standardem deklarują takie systemy jak Solaris, LynxOs, VxWorks, Irix, a także
RTLinux czy eCOS.
10
�� System QNX6 Neutrino wykazuje prawie pełną zgodność ze standardem POSIX
1003.1. Tak więc aplikacja napisana dla QNX6 Neutrino ma szansę działać (po
mniejszych lub większych modyfikacjach) także na innych platformach. Fakt
ten jest dodatkowym argumentem przemawiającym za tym, że warto
zainwestować w naukę programowania aplikacji czasu rzeczywistego w
systemie QNX6 Neutrino.
�� System QNX6 Neutrino jest spadkobiercą długiej linii rozwojowej. Jego historia
jest dokładniej opisana w podrozdziale 2.5. Pierwsza wersja systemu QNX
powstała w roku 1982 dla procesora Intel 8088.
11
�� QNX zaprojektowano od podstaw jako system wielozadaniowy, rozproszony i
spełniający wymagania czasu rzeczywistego. Zyskał on sobie opinię systemu
niezawodnego i mającego niewielkie zapotrzebowanie na zasoby. Pod koniec lat
80. powstał QNX w wersji 4. W porównaniu do wersji poprzedniej,
wprowadzono znaczące zmiany. Dostosowano system do standardu POSIX
1003.1. Rozwijano też konsekwentnie technologię systemu rozproszonego. W
roku 2001 pojawiła się pierwsza edycja nowej wersji systemu oznaczona jako
QNX6 z nowym mikrojądrem Neutrino.
12
�� System od podstaw zaprojektowano jako wieloplatformowy. Wspierane
procesory to Intel x86, MIPS, PowerPC, SH-4, ARM, StrongARM i xScale.
System spełnia wymagania stawiane współcześnie systemom czasu
rzeczywistego i jest zgodny ze standardem POSIX 1003, a także zapewnia
wsparcie dla maszyn wieloprocesorowych oraz zawiera wiele mechanizmów
tolerowania awarii. Tak więc jego cechy powodują, że jest on w stanie sprostać
większości wymagań stawianych systemom czasu rzeczywistego i systemom
wbudowanym.
13
�� Naukę tworzenia aplikacji czasu rzeczywistego trudno jest prowadzić w
oderwaniu od konkretnego systemu operacyjnego. Nie jest to łatwe, gdyż
współczesne RTOS są bardzo skomplikowane, a ich dokumentacja bardzo
obszerna. W przypadku systemu QNX6 Neutrino liczba wywołań systemowych
przekracza 1500, a dokumentacja składa się z 24 podręczników.
�� Firma QNX Software Systems udostępnia bezpłatnie 90-dniową wersję testową
systemu zawierającą pakiet Momentics (jest to zintegrowane środowisko
wspomagające tworzenie systemów wbudowanych). Dodatkowo uczelnie mogą
się starać o bezpłatną licencję edukacyjną lub bezterminową licencję dla
zastosowań niekomercyjnych. http://www.swdsoft.pl
14
2. Podstawy
Systemy wbudowane
�� Termin system pochodzi z języka greckiego i oznacza rzecz złożoną.
�� W dziedzinie techniki systemem nazywamy zbiór powiązanych ze sobą
obiektów, które w pewien sposób oddziałują na siebie. Nie istnieją systemy
całkowicie izolowane - każdy współdziała ze swoim otoczeniem. Dotyczy to
także systemów komputerowych, co pokazano na rysunku
Rys. Współdziałanie systemu komputerowego z otoczeniem
15
�� Jednak stopień i charakter powiązania systemu z otoczeniem może się istotnie
różnić. W systemach biurowych jest on niewielki, a we wbudowanych znaczny.
�� Gdy rozpatrujemy komputer pokładowy pojazdu, jego oddziaływanie z
otoczeniem ma całkowicie inny charakter. Komputer taki pobiera informacje z
otoczenia za pomocą sensorów i oddziałuje na nie za pomocą różnorodnych
efektorów, takich jak przekaz
niki, generatory impulsów czy przetworniki
analogowo-cyfrowe. Mówimy, że komputer pokładowy jest wbudowany w
pojazd.
16
Definicja systemu wbudowanego.
System wbudowany (ang. embedded system)
System wbudowany jest to system komputerowy będący częścią większego
systemu i wykonujący istotną część jego funkcji.
�� Przykładem może być komputer pokładowy samolotu lub system sterujący
szybką koleją miejską.
�� Systemy wbudowane są to więc specjalizowane systemy komputerowe będące
integralną częścią pewnego urządzenia.
17
�� Przykładem takich urządzeń są urządzenia elektroniczne powszechnego użytku
(magnetowidy, telewizory, radia), komputery pokładowe w pojazdach,
przyrządach pomiarowych, aparaturze diagnostycznej i medycznej.
�� W komputerach domowych i biurowych programy są tworzone i wykonywane
na tym samych komputerze.
�� Nie zawsze jednak sytuacja taka ma miejsce. W systemach wbudowanych
oprogramowanie jest tworzone na tak zwanym komputerze macierzystym (ang.
host), a wykonywane na komputerze docelowym (ang. target).
18
�� Dzieje się tak dlatego, że komputer docelowy jest połączony z obiektem i często
wbudowany w określone urządzenie. Zawiera on tylko takie zasoby, jakie są
konieczne do realizacji bieżących zadań do których jest przeznaczony, a
środowisko uruchomieniowe nie da się zwykle na nim w ogóle zainstalować.
�� Trudno wyobrazić sobie sytuację, w której na komputerze pokładowym pojazdu
kompilujemy i uruchamiamy programy, gdyż komputer taki nie ma klawiatury,
monitora, dysków i innych potrzebnych zasobów. W takim przypadku jest
stosowany system skrośnego rozwoju oprogramowania (ang. cross
development), co pokazano na rysunku
19
Rys. System skrośnego rozwoju oprogramowania
�� Na komputerze macierzystym pracującym pod kontrolą systemu operacyjnego 1
jest zainstalowany system wytwarzania oprogramowania (ang. development
system).
20
�� System ten obejmuje takie narzędzia, jak: edytor, kompilator, linker,
biblioteki, debugger, symulatory, narzędzia do tworzenia dokumentacji.
Utworzona w nim aplikacja jest wykonywana w komputerze docelowym, który
może pracować pod kontrolą innego systemu operacyjnego.
�� Tak wytworzona aplikacja jest wpisywana do pamięci komputera docelowego
(np. za pomocą interfejsu JTAG, ISP, RS232 lub innego) i tam wykonywana.
Na komputerze docelowym można też dokonać programowania pamięci trwałej
komputera docelowego.
21
�� Przykładowo, aplikacja może być rozwijana w środowisku systemu Windows
XP przy użyciu pakietu Momentics firmy QNX Software Systems. Pakiet
tworzy aplikację wykorzystującą system operacyjny QNX6 Neutrino, który jest
generowany na system docelowy z procesorem ARM. Komputery przeznaczone
do zastosowań wbudowanych mogą znacznie różnić się między sobą, ale mają
pewne wspólne własności.
�� Zaliczyć do nich można:
1. Wymagana jest odporność na pracę w trudnych warunkach otoczenia
(wibracje, zapylenie, wilgoć), dopuszczalny jest szeroki zakres temperatur
otoczenia.
22
2. Przeznaczone są do pracy ciągłej - brak jest elementów ruchomych (dyski
obrotowe, wentylatory, napędy dyskietek), wymagana jest trwałość, łatwość
serwisowania.
3. Oprogramowanie jest umieszczone w pamięci półprzewodnikowej - Flash,
EPROM.
4. Stosowane jest wsparcie sprzętowe dla osiągania niezawodnej pracy - budzik
(ang. watchdog), pamięci ECC, magistrala z kontrolą parzystości, poszerzona
diagnostyka.
�� Oczywiście nie wszystkie komputery do zastosowań wbudowanych muszą
charakteryzować się wszystkimi wymienionymi własnościami.
23
�� W rzeczywistości istnieje całe spektrum tych urządzeń. Na jednym końcu skali
znajdują się proste 8-bitowe mikrokontrolery, na drugim wieloprocesorowe
systemy, których budowa opiera się na magistrali VME, mające nieraz cechy
superkomputerów.
�� Istnieje wiele standardów dotyczących komputerów przeznaczonych do
systemów sterujących i wbudowanych. Do najbardziej znanych należą standard
VME, Compact PCI czy PC 104.
24
�� Aby przybliżyć nieco specyfikę sprzętu używanego do budowy systemów
wbudowanych, parę słów zostanie poświęconych standardowi PC 104. Standard
PC 104 wywodzi się z popularnego komputera PC w swojej starszej wersji, z 8-
i 16-bitową szyną ISA. W typowej postaci komputer PC w małym stopniu
nadaje się do zastosowań wbudowanych. Standard PC 104 ma na celu
dostosowanie komputera PC do warunków przemysłowych. Definiuje różnice
mechaniczne, elektryczne i logiczne względem standardu ISA i EISA. Standard
jest utrzymywany przez PC/104 Consortium.
25
 26
�� Na fotografii pokazano widok komputera PM-1041 wykonanego w standardzie
PC 104. Jest to komputer kompatybilny z PC z procesorem 486DX2-66 STPC
wyposażony w 32 MB pamięci RAM, kontroler dysków IDE i floppy, kontroler
monitora VGA, 2 porty szeregowe i port równoległy. Komputer ten jest
wyposażony w układy niespotykane w zwykłym komputerze PC, a typowe dla
komputerów stosowanych w systemach wbudowanych. Należą do nich budzik i
dysk półprzewodnikowy flash typu DiskOnChip.
�� Budzik jest urządzeniem zabezpieczającym przed skutkami zatrzymania
wykonywania programów, które może nastąpić przy awarii sprzętu lub błędzie
programowym.
27
�� Sterowanie budzikiem odbywa się poprzez dostęp do rejestrów urządzenia,
umieszczonych w przestrzeni wejścia-wyjścia. Operacje, które można
wykonywać na urządzeniu, to aktywacja, odświeżanie i zatrzymanie. Aktywacja
polega na wpisaniu do rejestru okresu odświeżania. Odtąd należy dokonywać
odświeżania watch-doga. Gdy w zadanym czasie nie zostanie wykonana
operacja odświeżania, to budzik przeprowadzi restart sprzętowy komputera.
28
Systemy czasu rzeczywistego
�� Czynnik czasu jest obecny w działaniu każdego systemu komputerowego. W
przypadku edytora tekstu zwłoka w reakcji na polecenie wpisania znaku może
być najwyżej denerwująca (na przykład system nie odpowiada, bo zapisuje
właśnie kopię bezpieczeństwa). Gdy komputer pokładowy sterujący pojazdem
nie wykryje na czas poślizgu kół i zareaguje z nadmiernym opóz
nieniem, skutki
mogą być znacznie poważniejsze. Tak więc widzimy, że czynnik czasu w
pewnych systemach może być mało istotny, a w innych może mieć zasadnicze
znaczenie.
29
�� Systemy, w których czynnik czasu ma istotne znaczenie, nazywamy
systemami czasu rzeczywistego, w skrócie RTS (ang. Real Time System). Jego
definicja jest następująca:
System czasu rzeczywistego jest to system komputerowy, w którym
obliczenia prowadzone równolegle z przebiegiem zewnętrznego procesu
mają na celu nadzorowanie, sterowanie lub terminowe reagowanie na
zachodzące w tym procesie zdarzenia.
�� System czasu rzeczywistego współdziała z otoczeniem.
�� Jego zachowanie zależy od stanu otoczenia, czasu oraz zdarzeń
generowanych przez otoczenie.
30
�� Zwykle systemy wbudowane są systemami czasu rzeczywistego, ale spotyka się
też systemy niebędące wbudowanymi, w których czas odpowiedzi ma istotne
znaczenie.
�� Najprostszą formą uwarunkowania czasowego jest model, w którym system ma
reagować na zdarzenia zachodzące w otoczeniu, co widać na rysunku.
Znaczenie ma nie tylko prawidłowość odpowiedzi na zdarzenie, ale także czas
otrzymania tej odpowiedzi.
31
Rys. Definicja czasu odpowiedzi t
�� System czasu rzeczywistego musi gwarantować, że czas odpowiedzi t na
zaistniałe zdarzenie będzie mniejszy od ograniczenia czasowego (ang.
deadline) Tmax.
32
�� Systemy RTS mogą znacznie różnić się od siebie pod względem konsekwencji
niespełnienia ograniczeń czasowych. Przykładem urządzeń, w których
niespełnienie ograniczeń ma całkowicie odmienne konsekwencje, są odtwarzacz
multimedialny i system sterowania silnikiem samolotowym.
�� W związku z różnymi skutkami niespełnienia ograniczeń wyróżnia się dwa
rodzaje ograniczeń czasowych: rygorystyczne i łagodne.
�� Rygorystyczne ograniczenie czasowe (ang. hard deadline)
Rygorystyczne ograniczenie czasowe to takie ograniczenie, które zawsze
musi być spełnione. Jeśli choć raz zostało przekroczone, to uważa się, że nie
zostało spełnione.
33
�� A
agodne ograniczenie czasowe (ang. soft deadline)
A
agodne ograniczenie czasowe to takie ograniczenie czasowe, które czasami
może być przekroczone.
�� Powstaje pytanie, jak zdefiniować pojęcie  czasami". Można się posłużyć
kategorią prawdopodobieństwa (np. ograniczenie jest spełnione w 99%
przypadków) lub też funkcją użyteczności. Funkcja użyteczności podaje ocenę
korzyści w zależności od czasu uzyskania odpowiedzi. Wartość 1 oznacza pełną
użyteczność, a 0 brak użyteczności. Przykład funkcji użyteczności
zamieszczono na rysunku.
34
Rys. Funkcja użyteczności odpowiedzi
�� W zależności od typu ograniczeń czasowych definiuje się dwa rodzaje
systemów RTS: rygorystyczne i łagodne.
�� Rygorystyczny system czasu rzeczywistego (ang. hard Real Time System)
Rygorystyczny system czasu rzeczywistego to system, w którym wymaga się
spełnienia rygorystycznych ograniczeń czasowych.
35
�� A
agodny system czasu rzeczywistego (ang. soft Real Time System)
A
agodny system czasu rzeczywistego to system, w którym wymaga się
spełnienia łagodnych ograniczeń czasowych.
�� Do rygorystycznych systemów czasu rzeczywistego można zaliczyć system
sterowania elektrownią atomową, samolotem czy zapłonem
samochodowym.
�� Przykłady łagodnych systemów czasu rzeczywistego to systemy multimedialne,
system sterowania telefonem komórkowym czy centrala telefoniczna.
36
�� Często pojęcie systemu RTS jest rozumiane szerzej niż tylko konieczność
spełnienia zadanych ograniczeń czasowych i bywa rozumiane jako system
sterowania.
�� System sterowania (ang. control system)
System sterowania jest systemem, którego zadaniem jest utrzymywanie obiektu
sterowanego w pożądanym stanie.
�� W takim systemie decyzje sterujące powstają w wyniku obserwacji stanu
obiektu, reagowania na zaistniałe w nim zdarzenia i wykonywania akcji z
harmonogramu (algorytmu), gdy nadejdą określone tam chwile czasowe
(rysunek).
37
Rys. Struktura systemu sterowania
�� Błąd w sterowaniu obiektem może mieć poważne konsekwencje i prowadzić do
znacznych strat materialnych, a nawet do zagrożenia życia ludzi, zwierząt czy
środowiska. Tak więc od systemów sterowania wymaga się, aby działały
bezbłędnie. Także przerwa w działaniu systemu często bywa niedopuszczalna.
Systemy sterujące powinny być więc systemami wysokiej wiarygodności.
�� System wysokiej wiarygodności (ang. high dependability system)
Wiarygodność systemu informatycznego to własność, która pozwala jego
użytkownikom mieć zaufanie do usług, które ten system dostarcza.
38
Rys. Atrybuty i środki zapewnienia wiarygodności
�� Atrybuty wiarygodności pozwalają określić właściwości oczekiwane od
systemu i oszacować jakość systemu. Należą do nich dostępność (ang.
availability), niezawodność (ang. reliability), bezpieczeństwo (ang. safety),
naprawialność (ang. maintainability), integralność (ang. integrity) i ochrona
(ang. confidentiality).
39
�� Dostępność oznacza, że system jest w stanie nieprzerwanie świadczyć usługi.
Miarą dostępności jest stosunek czasu, w którym system jest sprawny, do czasu,
w którym powinien być sprawny.
�� Niezawodność jest zdolnością do nieprzerwanej bezbłędnej pracy. System
wysoce niezawodny pracuje długo bez wystąpienia defektu.
�� Pomiędzy dostępnością a niezawodnością występuje subtelna różnica. Jeżeli
system jest niesprawny przez 1 milisekundę w ciągu godziny, to jego
dostępność jest wysoka (większa od 0,999999), ale niezawodność jest
niezadowalająca, gdyż system wykazuje defekt co godzinę.
�� Bezpieczeństwo jest zapewniane wtedy, gdy defekt systemu nie powoduje
katastrofalnych skutków.
40
�� Integralność oznacza brak niedozwolonych zmian stanu systemu.
�� Istnieją różne środki zapewnienia wiarygodności. Wymienić tu można
zapobieganie defektom (ang. fault prevention), tolerowanie defektów (ang. fault
tolerance), usuwanie defektów (ang. fault removal) i przewidywanie defektów
(ang. fault forecasting).
�� Systemom RTS stawia się różnorodne wymagania, które można podsumować
następująco:
41
1. Terminowość - reakcja na zdarzenia powinna następować zgodnie z
wymaganiami czasowymi.
2. Przewidywalność - zdarzenia generowane przez otoczenie pojawiają się w
przypadkowych momentach i może dojść do ich spiętrzenia. Mimo to system
musi reagować zgodnie z wymaganiami (deterministycznie).
3. Wysoka wiarygodność świadczenia usług - składają się na nią dostępność,
niezawodność, bezpieczeństwo, naprawialność, integralność i ochrona.
4. Zależność od otoczenia - system musi reagować na zdarzenia powstające w
otoczeniu.
42
�� Terminowość to zdolność do realizacji zadań, których termin jest ściśle
określony. Może to dotyczyć realizowania procedur, które mają być reakcją na
pojawiające się zdarzenia, wykonywania procedur cyklicznie z zadanym z góry
interwałem lub procedur, dla których jest określony czas absolutny ich
wykonania.
�� Przewidywalność systemu ma miejsce wtedy, gdy realizowane w systemie
procedury niezależnie od okoliczności zajmują mniej więcej tyle samo czasu.
Gdyby czasy wykonania tej samej procedury różniły się znacznie w zależności
od obciążenia, przeszkadzałoby to w posługiwaniu się takim systemem i nie
byłby to system przewidywalny.
43
�� Jak widać, wymagania stawiane systemom RTS są ostrzejsze niż w przypadku
większości innych systemów. W związku ze specyficznymi wymaganiami
implementacja systemów RTS stanowi oddzielną dziedzinę wiedzy i
umiejętności. Aby sprostać wymaganiom stawianym systemom RTS, a w
szczególności spełnić wymogi bezpieczeństwa, stosuje się specyficzne metodyki
projektowe. Przykładem takiej metodologii może być wykorzystanie języka
UML (Unified Modeling Language) do projektowania systemów. Do opisu
systemów czasu rzeczywistego stosuje się także języki formalne.
44
Systemy operacyjne czasu rzeczywistego
�� Przystępując do realizacji systemu RTS, projektant ma zasadniczo dwie
możliwości:
1. Zrealizować aplikację w całości samodzielnie bez wykorzystania
istniejącego systemu operacyjnego.
2. Wykorzystać istniejący system operacyjny.
45
�� Wybór metody postępowania zależy od konkretnych uwarunkowań
projektowych. Rozwiązanie pierwsze wykorzystuje się zazwyczaj w przypadku
prostych aplikacji, których realizacja opiera się na kontrolerach
mikroprocesorowych. Poprzez prostą aplikację rozumie się aplikację będącą
programem sekwencyjnym niestosującym zaawansowanych protokołów
komunikacji z urządzeniami zewnętrznymi i pozbawioną systemu plików.
46
�� Rozwiązanie drugie polega na użyciu istniejącego systemu operacyjnego.
Postępowanie to jest odpowiednie dla przypadków, gdzie w grę wchodzi użycie
bardziej złożonego sprzętu, jeśli aplikacja musi być współbieżna, używa się
systemu plików, a do komunikacji z otoczeniem mają być stosowane
zaawansowane protokoły. Samodzielna implementacja współbieżności, systemu
plików i protokołów komunikacyjnych jest niezwykle pracochłonna. Otrzymane
rezultaty rzadko kiedy są zadowalające, gdyż wykrywanie i usuwanie błędów
jest bardzo żmudnym i czasochłonnym procesem.
47
�� Słuszna jest zatem tendencja do wykorzystania zakumulowanej już wiedzy i
wykorzystania istniejącego systemu operacyjnego.
�� System operacyjny jest warstwą oprogramowania leżącą pomiędzy
sprzętem a programami aplikacyjnymi.
�� System operacyjny można zdefiniować jako zorganizowany zbiór modułów
oprogramowania, który nadzoruje wykonanie programów i zarządza dostępnymi
zasobami.
�� W zależności od typu systemu może on zapewniać dodatkowe usługi.
�� Podstawowymi zasobami systemu komputerowego są procesory, pamięć,
urządzenia peryferyjne oraz pliki danych.
48
�� Pamięć i procesor są zawsze potrzebne do wykonania programu, pozostałe
elementy nie są konieczne. System operacyjny jest programem, który działa
jako pośrednik między użytkownikiem komputera a sprzętem komputerowym
(rysunek).
49
 50
�� Najważniejsze funkcje systemu operacyjnego to:
- implementacja współbieżności - procesów i wątków;
- zarządzanie urządzeniami wejścia-wyjścia;
- implementacja pamięci wirtualnej;
- implementacja systemu plików;
- implementacja protokołów komunikacyjnych;
- implementacja interfejsu z użytkownikiem;
- zapewnienie bezpieczeństwa.
�� Tak więc system operacyjny pozwala na efektywne wykorzystanie mocy
obliczeniowej procesorów poprzez umożliwienie współbieżnego ich
wykorzystania przez wielu użytkowników, wiele procesów i wątków.
51
�� Dostarcza on także narzędzi do bezpiecznego współdzielenia zasobów systemu
pomiędzy użytkownikami i procesami.
�� Zwalnia również użytkowników od uciążliwości programowania złożonych
urządzeń wejścia-wyjścia.
�� Dostarcza ponadto abstrakcyjnego mechanizmu pamięci operacyjnej w postaci
pamięci wirtualnej oraz abstrakcyjnej pamięci trwałej w postaci systemu plików.
�� Komunikacja pomiędzy programami aplikacyjnymi a systemem operacyjnym
odbywa się poprzez wywołania systemowe (ang. system calls). Wywołanie
systemowe jest sposobem zlecania systemowi wykonania usług. Ma ono
najczęściej postać funkcji lub procedury, w której znaczenie parametrów i ich
typy są dokładnie zdefiniowane i opisane.
52
�� Zbiór wywołań systemowych tworzy interfejs do systemu operacyjnego API
(ang. Application Program Interface).
�� Z kolei system operacyjny komunikuje się ze sprzętem za pomocą instrukcji
wejścia-wyjścia i reaguje na zgłaszane przez sprzęt przerwania. Usytuowanie
systemu operacyjnego w systemie komputerowym pokazano na rysunku.
53
Rys. System operacyjny jako interfejs pomiędzy sprzętem a oprogramowaniem
54
�� System operacyjny pozwala ukryć przed programistą złożoność sprzętu.
Komputer jest więc widziany przez programistę jako abstrakcyjny
mechanizm zdolny wykonywać instrukcje języka programowania i zbiór
wywołań systemowych. Mechanizm ten nazywa się maszyną wirtualną. Tak
więc programista ma do czynienia raczej z maszyną wirtualną niż z
rzeczywistym komputerem. Sposób działania maszyny wirtualnej jest określony
standardami. Najpopularniejsze obecnie maszyny wirtualne to Win32 i .NET
utrzymywane przez Microsoft, Java opracowana przez Sun oraz POSIX 1003
definiowany przez IEEE.
55
�� Nie każdy jednak system operacyjny nadaje się do zastosowań czasu
rzeczywistego lub ogólniej do celów sterowania.
�� Do celów takich stosuje się systemy operacyjne czasu rzeczywistego RTOS
(ang. Real Time Operating Systems).
�� Wymagania, jakie powinien spełniać system operacyjny czasu rzeczywistego, są
podobne do sformułowanych w poprzednim rozdziale dla systemów czasu
rzeczywistego.
�� Można wymienić cechy, jakie powinien spełniać RTOS. Podano je niżej.
56
Wymagania funkcjonalne na system operacyjny czasu rzeczywistego
1. Determinizm.
2. Wysoka reaktywność (ang. Responsivenees).
3. Wysoki stopień kontroli użytkownika nad pracą systemu.
4. Wysoka wiarygodność świadczonych usług, zdolność do tolerowania awarii.
5. Małe zapotrzebowanie na zasoby.
6. Prosta konstrukcja i dobra dokumentacja.
7. Wsparcie dla różnych platform sprzętowych.
8. Dobre wsparcie od dostawcy i stabilna pozycja na rynku.
57
�� Z wymienionych powyżej cech, tylko cechy 1, 2 i 3 odnoszą się do własności
czasowych. Pozostałe dotyczą możliwości zapewnienia długotrwałej
bezawaryjnej pracy i łatwości tworzenia zastosowań wbudowanych.
�� Determinizm oznacza zagwarantowanie, że wymagane ograniczenia czasu
odpowiedzi na zdarzenia zawsze będą spełnione.
�� Reaktywność oznacza zdolność odpowiedzi systemu na przerwania. Czas
odpowiedzi na przerwanie powinien być deterministyczny i krótki. Czas
odpowiedzi na przerwanie zależy w dużym stopniu od czasu, na jaki system
operacyjny blokuje przerwania (aby zabezpieczyć wewnętrzne sekcje
krytyczne). W systemie RTOS czas blokowania przerwań powinien być
możliwie jak najkrótszy.
58
�� Wysoki stopień kontroli nad pracą systemu oznacza, że system powinien
pracować w sposób zaplanowany przez użytkownika. System taki nie powinien
 żyć własnym życiem", wykonując na przykład samoczynnie aktualizacje
oprogramowania.
�� Wysoką wiarygodność świadczonych usług osiąga się wieloma środkami.
Należą do nich staranny projekt, bezbłędna implementacja, wyczerpujące
testowanie systemu, modularna konstrukcja, wysoki stopień separacji procesów.
�� Zdolność do tolerowania awarii polega na wsparciu wykrywania awarii,
monitorowaniu dostępności usług i mechanizmu ich przełączenia. Mechanizmy
takie przewidziano w systemie QNX6 Neutrino.
59
�� Jako że RTOS często jest stosowany w sterownikach wbudowanych, w których
zasoby są ograniczone, to i system operacyjny powinien charakteryzować się
umiarkowanym zapotrzebowaniem na zasoby (między innymi na pamięć opera-
cyjną) i nie może wprowadzać dużego narzutu na operacje systemowe.
�� Ważna jest także prosta konstrukcja i dobra dokumentacja systemu.
�� Systemy RTOS są instalowane na wielu platformach sprzętowych, które różnią
się typem procesora, układów peryferyjnych i rodzajem pamięci. Stąd istotna
jest możliwość generowania kodu na różne procesory i układy peryferyjne.
Niektóre RTOS zawierają specjalne narzędzia BSP (ang. Board Support
Package) umożliwiające dostosowanie ich do specyficznych platform
sprzętowych. Pakiet BSP jest dostępny także dla systemu QNX6 Neutrino.
60
�� Kolejną ważną cechą RTOS jest dobre wsparcie od producenta lub dostawcy i
stabilna pozycja systemu na rynku. Tak więc rzeczą ważną jest, aby producent
systemu, po pierwsze, istniał, a po drugie, wspierał system nawet wiele lat po
zaprzestaniu jego produkcji i dystrybucji.
61
Wymagane mechanizmy systemów operacyjnych czasu rzeczywistego
1. System musi umożliwiać wykonywanie wielu procesów wielowątkowych.
2. Wątki muszą charakteryzować się priorytetami.
3. Musi być stosowana wywłaszczająca strategia szeregowania.
4. System musi realizować mechanizm przewidywalnej synchronizacji wątków.
5. Musi istnieć dziedziczenie priorytetów lub pułapy priorytetów.
6. System musi być deterministyczny.
7. Musi być pozbawiony błędów.
Przykłady szerzej rozpowszechnionych systemów operacyjnych czasu
rzeczywistego są zebrane w tabeli.
62
Tab.. Przykłady systemów operacyjnych czasu rzeczywistego
Nr Nazwa Producent Platformy sprzętowe
1 Solaris Sun Microsystems Sparc
2 LynxOS LynuxWorks 68K, MIPS, MPC8xx,
PowerPC, x86, Sparc, ARM
3 VxWorks Wind River Systems 68K, i869, ARM, MIPS,
PowerPC, x86, SH, SPARC
4 QNX QNX Software Systems X86, MIPS, PowerPC, SH4,
Neutrino ARM, Strong RM, xScale
5 RT Linux Open Source ARM, PowerPC, x86, SH3,
63
MIPS
6 Windows Microsoft ARM, MIPS, PowerPC, SH,
CE x86, Strong ARM, NEC,
VR4111
7 eCOS Open Source ARM, MIPS, MPC8xx,
PowerPC, Sparc
64
Standard POSIX 1003
�� Obecnie rośnie rola standardów w oprogramowaniu. Dotyczy to w szczególnym
stopniu systemów sterowania. Powodem jest rosnąca złożoność, koszt oraz
wymagany długi czas życia aplikacji przemysłowych. Jeżeli aplikacja jest
dostosowana do pewnego otwartego, szeroko uznanego standardu, to są większe
szanse, że przetrwa ona zmianę platformy sprzętowej i programowej.
�� W dziedzinie systemów czasu rzeczywistego najszerzej stosowanym
standardem jest POSIX 1003. POSIX jest akronimem od Portable Operating
System Interface. Jest to rodzina standardów opracowanych przez grupę PASC
(Portable Application Standars Committee) w ramach stowarzyszenia IEEE -
65
Instytutu Inżynierów Elektryków i Elektroników Amerykańskich (the Institute
of Electrical and Electonics Engineers).
�� POSIX został uznany za oficjalną normę przez Międzynarodową Organizację
Normalizacyjną (ISO) oraz Międzynarodową Komisję Elektrotechniczna (IEC).
Nazwę POSIX zaproponował Richard Stallman - twórca projektu GNU. POSIX
odnosi się do serii standardów oznaczonych jako IEEE Std 1003.n (n jest
numerem), dotyczących własności systemów operacyjnych. Celem prac jest
opracowanie standardów ułatwiających tworzenie przenośnego oprogramowania
na poziomie kodu z
ródłowego.
66
�� Standaryzacja ta obejmuje:
1. Interfejs API pomiędzy aplikacją a systemem operacyjnym dla języków
C, Fortran i ADA.
2. Interfejs użytkownika, czyli polecenia systemowe.
3. Własności powłoki (ang. shell).
67
�� Pierwszym dokumentem była norma POSIX 1003.1 opracowana w roku 1988.
Kolejne wersje powstawały w następnych latach. POSIX 1003.1 definiuje API
do systemu operacyjnego, a w szczególności:
�� tworzenie procesów i wątków,
�� system plików,
�� atrybuty plików,
�� użytkowników i grupy,
�� zarządzanie urządzeniami,
�� komunikację międzyprocesową (sygnały, łącza, kolejki).
�� Wzorem dla tej podstawowej specyfikacji był system UNIX, dlatego systemy tej
klasy wykazują znaczny stopień zgodności ze specyfikacją POSIX.
68
�� W ramach prac standaryzacyjnych wprowadzono rozszerzenia standardu 1003.1
dotyczące systemów czasu rzeczywistego. Są one następujące:
69
IEEE Std 1003.1b - rozszerzenia czasu rzeczywistego
Rozszerzenie obejmuje szeregowanie priorytetowe, sygnały czasu
rzeczywistego, timery, priorytetowy system wejścia-wyjścia, komunikaty,
semafory, ochronę pamięci.
IEEE Std 1003.1c - wątki
Rozszerzenie wprowadza możliwość wykonywania wielu wątków w ramach
jednego procesu. Definiuje atrybuty wątków, szeregowanie wątków, muteksy
i zmienne warunkowe.
70
IEEE Std 1003.1d - dodatkowe rozszerzenia czasu rzeczywistego
Rozszerzenie wprowadza nową semantykę tworzenia procesów, szeregowanie
sporadyczne, monitorowanie czasu wykonania procesów i wątków,
przeterminowania funkcji blokujących, obsługę przerwań od urządzeń.
IEEE Std 1003.1J - zaawansowane rozszerzenia czasu rzeczywistego
Rozszerzenie definiuje wsparcie dla wielu typów pamięci, opóz
nienia
nanosekundowe, bariery, synchronizacje typu wirujące blokady (ang. spin
loocks), czytelników i pisarzy (ang. readers writers locks), zawiadomienia od
kolejek komunikatów.
71
IEEE Std 1003.21 - przetwarzanie rozproszone
Standard definiuje komunikację w rozproszonych systemach czasu
rzeczywistego, ograniczenie czasowe dla operacji blokujących, priorytety
komunikatów, etykiety komunikatów.
IEEE Std 1003.2h - wysoka dostępność
Standard dotyczy systemów wysokiej dostępności, które mają być
niezawodne i łatwo serwisowalne. Definiuje sposób ich testowania i
rekonfiguracji.
72
�� Standard POSIX 1003.1 jest bardzo obszerny, w wielu przypadkach zbyt
obszerny jak na potrzeby wbudowanych systemów czasu rzeczywistego. Stąd
wprowadzono normę POSIX 1003.13, która definiuje podzbiory cech objętych
standardem. Należy podkreślić, że norma ta nie definiuje żadnych nowych
własności, a jedynie grupuje dotychczas istniejące. Podzbiory cech nazywa się
profilami. W normie POSIX 1003.13 definiuje się następujące profile:
PSE51 - profil minimalny dla systemów RTS
Profil jest przeznaczony dla prostych systemów wbudowanych bez systemu
plików, w których wykonuje się pojedynczy proces wielowątkowy.
73
PSE52 - profil kontrolera
Przeznaczony dla kontrolerów czasu rzeczywistego. Jest rozszerzeniem
profilu minimalnego PSE51 o prosty system plików. W systemie może
działać jeden proces wielowątkowy.
PSE53 - profil dedykowany
Przeznaczony jest dla większych systemów wyposażonych w jednostkę
zarządzania pamięcią MMU (ang. Memory Management Unit). Profil jest
rozszerzeniem profilu minimalnego PSE51. Obejmuje wiele procesów
wielowątkowych, ale nie przewiduje istnienia systemu plików.
74
PSE54 - profil ogólnego przeznaczenia
Przeznaczony dla rozbudowanych systemów RTS ogólnego zastosowania.
Zawiera w sobie poprzednie profile. Umożliwia wykonywanie wielu
procesów wielowątkowych i implementuje pełny system plików oraz o
użytkowników i ich grupy.
Zestawienie najważniejszych cech opisanych profili znajduje się w tabeli.
Reasumując, można stwierdzić, że standard POSIX 1003 odgrywa wiodącą rolę w
standaryzacji systemów operacyjnych czasu rzeczywistego.
Tab. Profile zdefiniowane w normie P0SIX 1003.13
75
Profil Liczba procesów Wątki System plików
PSE51 Jeden Tak Nie
PSE52 Jeden Tak Tak
PSE53 Wiele Tak Nie
PSE54 Wiele Tak Tak
�� Pełną lub częściową zgodność z tym standardem deklarują takie systemy jak
Solaris, LynxOs, VxWorks, Irix. System QNX6 Neutrino wykazuje prawie
pełną zgodność ze standardem POSIX1003. Z szerzej stosowanych systemów
operacyjnych tej klasy jedynie system Windows CE nie nawiązuje do
omawianego standardu, gdyż implementuje interfejs Win32 firmy Microsoft.
76