Что такое реальное время (real-time)?

Существует несколько определений понятия реального времени, часто противоречащих друг другу, что не позволяет, к сожалению, принять единую терминологию. Близким к каноническому можно назвать следующее определение: «Система реального времени — это такая система, корректность работы которой зависит не только от выполнения неких заданий, но и от времени их выполнения. Если временные параметры задания нарушены — оно считается невыполненным». Дополнение к этому определению: «Следовательно, сама система должна иметь гарантированные временные параметры, т.е. поведение системы должно быть предсказуемым. Это позволяет минимизировать количество невыполненных (вследствие нарушения временных параметров) заданий».

Хорошим примером системы реального времени является робот, который берет деталь, движущуюся по конвейеру. Если он опоздает, то пропустит один цикл работы конвейера, а попытка взять деталь слишком рано может заблокировать движение других деталей. Другой пример — самолет, летящий на автопилоте. Специальные датчики определяют положение самолета в трехмерном пространстве. Только постоянное и своевременное получение этих данных бортовым компьютером гарантирует безопасность полета.

Иногда системой реального времени называют интерактивную систему с малым временем отклика. Рассмотрим следующий пример: набор текста в программе WinWord 2.0 на компьютере с процессором Athlon 1GHz. Время отклика в данном случае — это промежуток времени между нажатием клавиши и отображением соответствующей буквы в окне программы. Кажется очевидным, что эта величина в данном случае не имеет значения — все равно человек печатает медленнее. Ошибка заключается в подмене понятий — высокая скорость отклика совсем не означает гарантированность отклика. Загружая компьютер большим количеством ресурсоемких задач, мы можем увеличивать время отклика до бесконечности. Проделай следующий опыт: поместив ярлыки всех установленных программ (желательно, чтобы среди них были такие монстрообразные приложения, как Borland Delphi, Microsoft Office, и пара-тройка 3D-шутеров) на рабочий стол Windows95 (желательно билд 450 или более ранний :), выдели их мышью и нажми Enter. После этого винда будет громыхать жестким диском, жонглируя данными между своп-файлом и памятью, и не реагируя на какие-либо внешние воздействия, пока ты не нажмешь кнопку Reset. Обычно этого достаточно, чтобы понять, что быстрая система — не обязательно система реального времени. С другой стороны, реальное время не означает скорость выполнения программы; более того, алгоритмы, гарантирующие конечное время отклика, часто менее эффективны, чем обычные.

В англоязычной литературе упоминаются «soft real-time systems» и «hard real-time systems», но в этом случае не подразумевается программная (software) или аппаратная (hardware) реализация системы реального времени. Термин hard означает, что время отклика (LT — latency time) жестко задано, т.е. является константой. Мягкая (soft) система реального времени (RTS — real-time system) может изменять LT, что увеличивает эффективность RTS, манипулирующей процессами с различными приоритетами. Например, для оцифровки одного кадра видеопотока достаточно LT=0.033с (30 кадров/сек), а для процесса управления сервоприводами необходимо достичь значения LT порядка десятков микросекунд. Иногда термином hard обозначают классическую (описанную выше) модель RTS, а термином soft — систему, не являющуюся RTS в чистом виде, но LT которой снижена до необходимого уровня, обеспечивающего требуемую скорость обработки данных. Например, если компьютер под управлением DOS обрабатывает данные с электронного осциллографа, то это — SoftRTS, т.к. DOS — однозадачная операционная система, и, при условии достаточной скорости компьютера и нормальной работы осциллографа, ничто не должно помешать нам обрабатывать данные с достаточной скоростью (но гарантировать этого мы не можем!). В многозадачных операционных системах также возможна реализация SoftRTS, причем применяемая обычно в мультимедийных приложениях и 3D-играх, т.к. они позволяют обеспечить требуемое LT путем ухудшения качества обработки данных (снижение битрейта, уменьшение FPS, изменение разрешения экрана и глубины цвета).

Операционные системы реального времени

Понимание принципа действия и основных свойств операционных систем реального времени (RTOS — Real Time Operating System) требует введения таких базовых определений, как микроядро (microkernel) и макроядро (macrokernel).

Существует две основные школы ядростроителей (не смог подобрать более точного перевода для kernel
developers :): одна считает, что ядро операционной системы должно быть компактным и быстрым, а функциональность рассредоточена в процессах, другая проповедует более традиционный подход, предоставляя ядру все базовые функции ОС, а процессам — ничего, кроме возможности вызова этих самых функций. Для обозначения первого (по перечислению, а не по времени появления) типа архитектуры в 1989 году Ирой Голдштейн и Полом Дейлом был введен термин микроядро (microkernel). Первая (теперь — в хронологическом смысле) архитектура ядра (традиционная, или монолитная (monolithic), как ее называют в англоязычной литературе) получила название «макроядро» (что наглядно доказывает низкий уровень воображения у программистов, особенно системных).

Споры о том, какая архитектура лучше, идут до сих пор. Большинство реализаций ОС UNIX построены на макроядре, в том числе наиболее популярные на сегодняшний день — Linux и FreeBSD. На микроядре построены такие операционные системы, как Mach и QNX. Впрочем, некоторые системщики не относят Mach к микрокернелам по причине большого размера ядра (оно включает в себя драйвера устройств, что типично скорее для макрокернелов). С ядром QNX сложилась обратная ситуация — оно настолько мало (и по размеру, и по
функциональности), что пришлось ввести новый термин — наноядро (nanokernel). Думаю, что споры вокруг Mach можно было бы решить тем же путем, т.е. изменением терминологии — но, судя по всему, слова сантикернел и децикернел показались программистам недостаточно благозвучными. Следует понимать, что разграничение ОС на микроядра и макроядра производится вовсе не по размеру ядра, а по его архитектуре, т.е. по соотношению между количеством функций, реализованных в ядре, и функций, реализованных вовне ядра. Другие параметры (производительность, гибкость, работа в реальном времени) не могут быть признаками такого разграничения. Кроме того, граница между макрокернелами и микрокернелами становится все более размытой благодаря тому, что многие современные монолитные ядра содержат так называемые нити (threads) и обладают способностью к «мелкозернистому» распараллериванию (а как еще перевести fine-grained parallerism?). Архитектурно такие ядра подобны микрокернелам с большим количеством процессов, работающих в разделяемой (shared) памяти.

Возможность операционной системы работать в реальном времени в значительной степени определяется архитектурой ядра. Наиболее удобными в этом плане являются микроядра (собственно, для этого они и разрабатывались), но это не означает, что все микрокернелы работают в реальном времени (Mach — микроядро, не работающее в реальном времени, что вовсе не умаляет других достоинств этой операционной системы, породившей множество потомков, в том числе NeXTStep, Hurd, BeOS и MacOSX). Существование макрокернела с полноценной поддержкой работы в реальном времени все еще под вопросом (я не нашел никаких сведений о подобном проекте, кроме, разве что, Sun Solaris 2.x, но по моему мнению (не претендующему на компетентность), это скорее SoftRTS, а не HardRTS), а вот частичная реализация — обычное дело. Например, в Linux активно внедряются упоминавшиеся ранее межпроцессорные (от слова процесс, а не процессор) нити, причем уже существует большое количество приложений (первым был Web-сервер Apache), пользующихся этим интерфейсом.

QNX RTOS

Самая популярная в России RTOS — QNX 4.0 (вообще-то Windows NT, но ты много видел людей, которые юзают эНТю именно из-за этого?). Среди других unix-клонов она также занимает уверенное положение — пенетрация (т.е. захваченная доля рынка) этой ОС составляет приблизительно 8-10% — большей распространенности добились только Linux и FreeBSD (захватившие в сумме около половины российского рынка unix-систем). Несмотря на то, что QNX изначально является коммерческой, закрытой и проприетарной, в настоящее время ее модель лицензирования допускает получение и использование на безвозмездной основе как самой ОС (в минимальной конфигурации, конечно, и не для коммерческого использования, но — повторюсь — абсолютно бесплатно и без ограничений по времени), так и исходных кодов (тоже не всех и не для всех — но и это уже немало).

В чем же крутость этой ОС? Тот факт, что она многозадачная, многопользовательская, модульная и POSIX-совместимая, может удивить разве что бородатых полярников, которые свято верят, что пингвин — это такая еда :). Кстати, ОС эта раза в 2 постарше Лынукса. Впрочем, это не показатель. Ты только подумай — 8К микроядро (да-да, восемь килобайт!). Вот это показатель! Именно так достигается рекордное время переключения контекста — 2,5 наносекунды. Дело в том, что ядро управляет только разделением времени между процессами и передачей сообщений. Даже управление процессами и распределение ресурсов для процессов осуществляется отдельной прогой, которая так и называется — менеджер процессов, причем делает это она в соответствии с POSIX 1003.4 (это специальный стандарт на ОСРВ — почитай его, если надумаешь делать GNU QNX :).

Другие характеристики тебя вряд ли заинтересуют — они и не каждому QNX-профи известны и нужны. Поэтому про 12 возможных вызовов микроядра, 32 уровня приоритета и три алгоритма разделения времени (FIFO, круговой и адаптивный) я даже и не заикаюсь.

А вот требования к оборудованию очень советую почитать внимательно:

CPU: 8088, 80286, 80386 и выше
RAM: менее 640Кб (для исполнения), 2Mб (для разработки)
HDD: 5Мб для ОС и утилит (для системы программирования
— еще 4Мб); возможна бездисковая конфигурация.

Только не думай, что требования такие скромные, потому что система примитивная. Самая современная версия QNX (Neutrino 6.2.1) почти такая же жадная до ресурсов, как ХР. Что, испугался? 🙂 Я же сказал — почти! К тому же никто не мешает тебе установить QNX4 на 386 и наслаждаться. Препарируй на здоровье!

Оставить мнение

Check Also

Безумный олдскул. Самые необычные приставки и игровые аксессуары из прошлого

Если ты думаешь, что Guitar Hero, Kinect или Wii Remote — это странно, то спешим тебя заве…