ОСРВ их виды, механизмы, обзор рынка современных ОСРВ

Современный рынок ОСРВ предлагает десятки наименований ОС общего и специального назначения. Само понятие системы реального времени определяет, что при достижении какого либо результата работы важен не только сам результат, сколько его своевременность. Поэтому в качестве основного требования к ОСРВ выступает детерминированность поведения системы при наихудших внешних условиях. Дополнительным определением системы реального времени может служить тот факт, что работа системы соизмерима со скоростью протекающих процессов, с которыми данная система должна осуществлять взаимодействие. Несомненно, что при конвейерной обработке необходимо, чтобы рука манипулятора выполняла свои действия строго в обозначенное время, иначе процесс производства будет нарушен. Скорость протекания процессов, с которыми вынуждена взаимодействовать система реального времени могут различаться в разы. Так, скажем для управления зависанием вертолета на одном месте достаточно опрашивать датчики системы управления с частотой около пяти герц. При работе с реактором атомной электростанции необходимо получать актуальную информацию о процессах в реакторе и реагировать на них, для поддержания критического состояния реакции, значительно чаще.

Современная терминология, принятая для ОСРВ различает системы «мягкого» и «жесткого» реального времени. В системах «жесткого» реального времени неспособность обеспечить реакцию на внешние события в течении заданного интервала времени может привести к отказам и полной невозможности выполнения поставленной задачи. К системам «мягкого» реального времени относят системы, не попадающие под определение «жесткие», другими словами обеспечивающие достижение результата при наихудших условиях работы, и к заданному сроку в среднем[9]. Системы «мягкого» реального времени могут не всегда успевать решать поставленную задачу, но это не приводит к отказу системы в целом. В системах реального времени необходимо введение некоторого директивного срока исполнения задачи. В системах «жесткого» реального времени задача должна быть во что бы то ни было исполнена к данному сроку. В системах же «мягкого» реального времени исполнение задачи в заданный временной интервал является желательным. Данный директивный срок используется планировщиком задач как для назначения приоритета задачи при ее запуске, так и при планировании работы процессов и называется дедлайном.

Основные черты «жесткой» системы (ОСРВ):

• -гарантированное время реакции на внешние события (прерывания от оборудования);
• -детерминированная подсистема диспетчеризации процессов (выполнение принципа невытеснения низкоприоритетными задачами высокоприоритетных задач);
• -жесткие требования к максимальному времени реакции на внешние события или реактивности (задержка вызова обработчика аппаратного прерывания должно составлять не более десятков микросекунд, а задержка на переключении контекстов задач не более сотен микросекунд).

Мартин Тиммерман сформулировал следующие необходимые требования для ОСРВ[9]:

• -ОС должна быть многозадачной и допускать вытеснение;
• -ОС должна обладать механизмом приоритезации для планирования исполнения потоков;
• -ОС должна реализовывать предсказуемые механизмы синхронизации;
• -ОС должна обеспечивать механизм наследования приоритетов;
• -Поведение ОС должно быть предсказуемым (задержки обработки прерываний, задержки переключения задач, задержки драйверов и т. д.), это означает, что должно быть определена реактивность системы для всех сценариев рабочей нагрузки.

В течение последних 25−30 лет структура операционных систем прошла эволюционный путь своего развития от монолитной к многослойной структуре ОС, и далее к архитектуре клиент-сервер.

Приведем перечисление основных архитектур ОСРВ:

— 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, а также крайне плохая масштабируемость и отсутствие возможности изменения поведения системы на лету. При монолитной структуре построения ОС состоит из набора модулей, и изменения в одном из модулей способны оказать влияние на систему в целом. Сложность эксплуатации системы растет прямо пропорционально количеству используемых модулей. Помимо этого, крайне сложно, а порой невозможно распределить ОС для мультипроцессорного исполнения. Главным достоинством монолитной архитектуры является ее высокая производительность[29].

Рис. 1.2 — Монолитная архитектура ОСРВ

— 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. В многослойной структуре построения ОС изменения в пределах одного слоя влияют на соседние слои.

Рис. 1.3 — слоевая архитектура ОСРВ

• -Архитектура «клиент-сервер». Основной принцип данной архитектуры заключается в вынесении сервисов ОС в виде серверов прикладного уровня и выполнении микроядром функций диспетчера сообщений между клиентскими прикладными программами и серверами — системными сервисами. Преимущества данной архитектуры:
• -Повышенная надёжность, благодаря выделению сервисов операционной системы в пользовательское пространство где проще производить его отладку и отслеживание ошибок;
• -Улучшенная масштабируемость, сервисы в которых отсутствует необходимость могут быть безболезненно исключены из конфигурации системы;
• -Повышенная отказоустойчивость, любой сервис исполняется в пользовательском пространстве в качестве приложения и может быть перезапущен без перезагрузки системы.

За счет исполнения микроядра и сервисов ОС в разных адресных пространствах и на разных уровнях защиты процессора архитектура клиент-сервер наименьшую, по сравнению с остальными архитектурами, производительность. Данное падение производительности связано с частыми переключениями из привилегированного в непривилегированный режим и обратно[29].

Рис. 1.4 — клиент-серверная архитектура ОСРВ