Операционные системы реального времени

Архитектура TinyOS объединяет такое привычную составляющую, как планировщик задач (scheduler), и оригинальное понятие – компонентный граф. Термин "компонент" здесь одновременно и соответствует общепринятому пониманию, и существенно расширяет его. Так, интерфейс компонента TinyOS состоит из двух множеств – верхнего, предоставляемого этим компонентом, и нижнего, требуемого для его функционирования. Каждое из этих множеств содержит описания команд и событий – синхронных и асинхронных процессов.

Согласно описанию системы, компонент имеет 4 взаимосвязанные части – набор команд, набор обработчиков событий, инкапсулированный фрейм фиксированного размера и пучок простых потоков. Потоки, команды и обработчики событий выполняются в контексте данного фрейма и воздействуют на его состояние. Кроме того, каждый компонент декларирует команды, которые он использует, и события, о которых он сигнализирует. Эти декларации используются при компоновке для конфигурации системы, настроенной на определенный класс приложений. Процесс композиции создает слои компонентов, где каждый более высокий уровень выдает команды к нижележащему уровню, а нижележащий уровень обращается к более высокому с помощью сигналов, что понимается в данной системе как события. Аппаратное обеспечение является самым низким слоем компонентов.

Написана TinyOS с использованием структурированного подмножества языка C. Использование статического распределения памяти позволяет определять требования к памяти на уровне компиляции и избегать накладных расходов, связанных с динамическим распределением. Кроме того, этот подход позволяет сокращать время выполнения благодаря статическому размещению переменных во время компиляции вместо доступа к ним по указателю во время выполнения.

Команды являются неблокируемыми запросами к компонентам нижележащего слоя. Команда сохраняет необходимые параметры в своем фрейме и может инициировать поток для его последующего выполнения. Чтобы не возникало неопределенных задержек, время ответа от вызванной команды не должно превышать заданного интервала времени, при этом команда должна вернуть статус, указывающий, успешно она завершилась или нет. Команда не может подавать сигналы о событиях.

Обработчики событий прямо или косвенно имеют дело с аппаратными событиями. Самый нижний слой компонентов содержит обработчики, непосредственно связанные с аппаратными прерываниями. Обработчик событий может положить информацию в свой фрейм, запустить потоки, подать сигнал вышележащему уровню о событиях или вызвать команды нижележащего слоя. Аппаратное событие инициирует фонтан обработки, которая распространяется вверх по уровням через события и может вернуться вниз через команды. Чтобы избежать циклов в цепочке команд/событий, команды не могут подавать сигналы о событиях. Как команды, так и события предназначены для выполнения небольшой, строго фиксированной порции обработки, которая возникает внутри контекста выполняющегося потока.

Основная работа возлагается на потоки. Потоки в TinyOS являются атомарными и, в отличие от потоков в других ОС, выполняются вплоть до своего завершения, хотя они и могут быть вытеснены событиями. Потоки могут вызывать команды нижележащего уровня, сигнализировать о событиях более высокому уровню и планировать другие потоки внутри компонента. Семантика потока “выполнение вплоть до завершения” позволяет иметь один стек, который выделяется выполняющемуся потоку, что очень существенно в системах с ограниченной памятью. Потоки дают возможность симулировать параллельную обработку внутри каждого компонента, т.к. они выполняются асинхронно по отношению к событиям. Однако потоки не должны блокироваться или простаивать в ожидании, потому в таких случаях они будут препятствовать развитию обработки в других компонентах. Пучки потоков обеспечивают средство для встраивания произвольных вычислительных обработок в модель, управляемую событиями.

В системе предусмотрена также отдельная абстракция задачи, понимаемая как продолжительный вычислительный процесс. Взаимоотношение между понятиями “команда” и “задача” следующее: команда – это атомарная составляющая задачи. Команда ставится в очередь на исполнение планировщика, затем она выполняется и может быть временно прервана обработкой события.

Планировщик работает по принципу очереди FIFO, т.е. для передачи управления следующей задаче требуется полное завершение предыдущей задачи. Однако, в зависимости от требований приложения, могут использоваться и более сложные механизмы планирования, основанные на приоритетах или на дедлайнах. Ключевым моментом является то, что планировщик ориентирован на энергосбережение: процессор засыпает, если очередь планировщика пуста, а периферийные устройства работают, и каждое из них может разбудить систему. Когда очередь становится пустой, новый поток может быть запущен на исполнение только в результате какого-либо события, которое может возникнуть только в аппаратных устройствах. Планировщик имеет крайне малые размеры – всего 178 байтов, данные планировщика занимают только 16 байтов.

В TinyOS полностью отсутствуют механизмы блокирования исполнения, что означает необходимость введения индикации завершения продолжительной операции соответствующим асинхронным событием. Традиционные приемы построения ОС реального времени и привычные отработанные архитектурные решения здесь оказались неприменимы. В результате вся ОС и ее компоненты построены по принципу конечных автоматов – переходов из состояния в состояние.

Итак, TinyOS состоит из набора компонентов (каждый размером примерно 200 байт), из которых разработчики собирают систему для каждого конкретного сенсора. Для компоновки системы из набора компонентов, которые статически компонуются с ядром, используется специальный описательный язык. После проведения компоновки модификация системы не возможна.

Для обеспечения динамичности во время выполнения была разработана виртуальная машина, которая является надстройкой над ОС TinyOS. Код для виртуальной машины можно загрузить в систему во время выполнения. Для работы этой виртуальной машины необходимы 600 байт оперативной памяти и менее 8 KB памяти команд 8-битового микроконтроллера. Программы виртуальной машины представляются 8-битовыми инструкциями всего трех типов, объединяемых в "капсулы" – атомарные последовательности не более чем двадцати четырех инструкций.

Иерархическая структура сети получается автоматически благодаря тому, что все сенсоры следуют простым правилам, заложенным в TinyOS. Правила эти, к примеру, определяют способ поиска кратчайшего пути до ближайшего стационарного узла, а уже в зависимости от того, где и как расположены сенсоры, сеть принимает привычную для системных администраторов древообразную форму. В TinyOS учитывается также и то, что некоторые виды сенсоров могут работать от солнечных батарей или иных источников энергии, зависящих от погоды, поэтому при потере связи с ближайшим узлом сети происходит смена маршрута, по которому пересылаются пакеты.

2.7. OSEK/VDX

Как уже упоминалось в разделе о стандартах, OSEK/VDX является комбинацией стандартов компьютерных систем реального времени, разработанных консорциумами OSEK и VDX для автомобильной промышленности. В данной работе рассматривается только стандарт OSEK, касающийся архитектуры операционной системы.

ОС OSEK оперирует такими объектами, как задачи, события, ресурсы. Кроме того, обеспечиваются такие возможности, как управление ошибками и средства для пользовательских функций отслеживания изменений в состоянии системы.

ОС OSEK обеспечивает определенный набор интерфейсов для пользователя. Интерфейсы используются сущностями, конкурирующими за центральный процессор. ОС OSEK оперирует двумя типами таких сущностей – задачи и прерывания – и определяет три уровня обработки – уровень прерываний, логический уровень планировщика и уровень задач. Задачи выбираются на выполнение в соответствии с присвоенными им приоритетами.

Задача в ОС OSEK может быть

• базовой или расширенной,
• вытесняемой или невытесняемой.

Главное различие между базовой и расширенной задачами заключается в том, может ли задача впасть в состояние ожидания (в котором она ждет появления события). Только расширенная задача может ожидать события. Вытесняемая задача может быть вытеснена задачей более высокого приоритета или прервана прерыванием. Невытесняемая задача может быть вытеснена только с помощью прерывания (когда прерывания не запрещены).

Рис. 6. Уровни обработки в ОС OSEK.

Концепция двух типов задач потребовала введения нового понятия – класс соответствия (conformance class) для описания своеобразной реализации ОС OSEK и системных сервисов. Определяются четыре класса соответствия – два для базового соответствия (BCC1 и BCC2 – Basic conformance Classes 1 и 2) и два для расширенного (ECC1 и ECC2 – Extended Conformance Classes 1 и 2). Реализации, которые соответствуют базовым классам, требуют использования только базовых задач, в то время как для расширенных классов нужны как расширенные, так и базовые задачи. Числа 1 и 2 в именах классов указывают количество запросов на задачу для базовых задач и количество задач на приоритет для всех задач. Таким образом, в BCC1 и ECC1 имеется только одна задача на приоритет, и базовые задачи могут быть запрошены только один раз. В BCC2 и ECC2 допускается множественность задач на приоритет и множественное запрашивание базовых задач.

Каждая задача должна находиться в одном из четырех состояний

• Выполняющаяся – только одна задача может быть в этом состоянии,
• Готовая к выполнению – планировщик может выбрать ее на выполнение на основании приоритетов и правил вытеснения,
• Ожидающая – задача ждет появления события,
• Приостановленная – задача в пассивном состоянии и ждет активации.

Рис. 7. Модель состояний задачи в ОС OSEK.

Каждая задача имеет приоритет. Стандарт ОС OSEK не ограничивает максимальное количество приоритетов – это определяет реализация.

ОС OSEK определяет два уровня программ управления прерываниями, которые различаются возможностями вызова системных сервисов. Прерывания уровня 1 выполняются независимо от ОС очень быстро. Уровень 2 обеспечивает выполнение функций приложений, которые содержат вызовы ОС.

События в ОС OSEK используются для синхронизации различных задач. События являются собственностью задач. Любая задача, в том числе и базовая, может установить событие, и только собственник события может ожидать или снять его.

Управление ресурсами обеспечивает доступ к разделяемым ресурсам, таким как память, аппаратура и т.п. Планировщик также считается специальным ресурсом, который может быть захвачен задачами. Чтобы избежать инверсии приоритетов и тупиковых ситуаций, OSEK применяет потолочный протокол приоритетов. Согласно этому протоколу задаче, захватившей ресурс, временно повышается приоритет, и, таким образом, никакие другие задачи, обращающиеся к данному ресурсу, не смогут выполняться до тех пор, пока ресурс остается захваченным. Однако, все задачи с более высоким приоритетом, чем приоритет задачи, захватившей ресурс, все еще могут выполняться.

Аварийные сигналы и счетчики в OSEK используются для синхронизации активации задач с повторяющимися событиями. Аварийный сигнал статически присваивается счетчику, задаче и воздействию. Воздействие может либо активировать задачу, либо установить событие. Счетчики оперируют тактами и могут представлять время, количество принятых импульсов и т.п. Каждая реализация обеспечивает один временной счетчик, который используется для планирования периодических событий. Все другие счетчики управляются через API, являются специфическими для конкретной реализации и не могут быть переносимыми.

В OSEK существует два типа аварийных сигналов: циклические и одинарные. Циклические аварийные сигналы применяются для диспетчеризации задачи, которая должна запускаться периодически. Счетчик аварийного сигнала может быть установлен в относительное или абсолютное значение. Параметры цикла и значение счетчика могут переустанавливаться динамически.

ОС OSEK обеспечивает минимальные средства для управления ошибками времени выполнения. Однако имеется возможность дополнительного управления ошибками во время разработки благодаря расширенной функциональности возврата управления. Причина такого решения состоит в том, что после того как продукт запущен в производство, большинство возможных ошибок может быть выявлено во время тестирования (такие как “неверный идентификатор задачи”, “ресурс занят”, “непредусмотренный вызов с уровня прерываний” и т.д.). Во время выполнения большинство системных сервисов не возвращает коды ошибок, но некоторые сервисы, такие как аварийные сигналы, которые могут стартовать и останавливаться динамически, возвращают код ошибки, если данный аварийный сигнал уже использовался.

ОС OSEK определяет два типа ошибок – ошибки приложения и фатальные ошибки. При ошибке приложения, когда приложение пытается выполнить несанкционированную операцию (например, активизировать несуществующую задачу), целостность внутренних данных все еще сохраняется. Фатальные ошибки возникают, если ОС обнаруживает нарушение целостности внутренних данных. При выявлении таких ошибок вызывается сервис завершения работы ОС.

2.8. OSE RTOS

Операционная система реального времени OSE RTOS, разработанная в корпорации ENEA, имеет ядро с приоритетным планированием [OSERTOS]. Это ядро сильно оптимизировано для обеспечения высокой производительности и достаточно компактно для использования во встраиваемых системах. OSE имеет архитектуру, управляемую сообщениями, с простыми системными вызовами. Передача сообщений в OSE служит концептуальным шлюзом в распределенных многопроцессорных встраиваемых системах. Задачи посылают сообщения друг другу напрямую через ОС без поддержки очередей, почтовых ящиков или других промежуточных механизмов. OSE RTOS поддерживает подкачку, дублирование, динамическое обновление кода и многие коммуникационные протоколы.