Основные свойства задач

Как правило, вся важная, с точки зрения операционной системы, информация о задаче хранится в унифицированной структуре данных — управляющем блоке (Task Control Block, TCB). В блоке хранятся такие параметры, как имя и номер задачи, верхняя и нижняя границы стека, ссылка на очередь сообщений, статус задачи, приоритет и т. п.

Приоритет — это некое целое число, присваиваемое задаче и характеризующее ее важность по сравнению с другими задачами, выполняемыми в системе. Приоритет используется в основном планировщиком задач для определения того, какая из готовых к работе задач должна получить управление. Различают системы с динамической и статической приоритетностью. В первом случае приоритет задач может меняться в процессе исполнении, в то время как во втором приоритет задач жестко задается на этапе разработки или во время начального конфигурирования системы.

Контекст задачи — это набор данных, содержащий всю необходимую информацию для возобновления выполнения задачи с того места, где она была ранее прервана. Часто контекст хранится в TCB и включает в себя такие данные, как счетчик команд, указатель стека, регистры CPU и FPU и т. п. Планировщик задач в случае необходимости сохраняет контекст текущей активной задачи и восстанавливает контекст задачи, назначенной к исполнению. Такое переключение контекстов и является, по сути, основным механизмом ОС РВ при переходе от выполнения одной задачи к выполнению другой.

Состояние (статус) задачи.

Практически в любой ОС РВ загруженная на выполнение задача может находиться, по крайней мере, в трех состояниях.

Активная задача — это задача, выполняемая системой в текущей момент времени.

Готовая задача — это задача, готовая к выполнению и ожидающая у планировщика своей «очереди» .

Блокированная задача — это задача, выполнение которой приостановлено до наступления определённых событий.

Такими событиями могут быть освобождение необходимого задаче ресурса, поступление ожидаемого сообщении, завершение интервала ожидания и т. п. Пустая задача (Idle Task) — это задача, запускаемая самой операционной системой в момент инициализации и выполняемая только тогда, когда в системе нет других готовых для выполнения задач. Пустая задача запускается с самым низким приоритетом и, как правило, представляет собой бесконечный цикл «ничего не делать». Наличие пустой задачи предоставляет операционной системе удобный механизм отработки ситуаций, когда нет ни одной готовой к выполнению задачи.

Реентерабельность (повторная входимость) означает возможность без негативных последствий временно прервать выполнение какой-либо функции или подпрограммы, а затем вызвать эту функцию или подпрограмму снова. Частным проявлением реентерабельности является рекурсия, когда тело подпрограммы содержит вызов самой себя. Классическим примером нереентерабельной системы является DOS, а типичной причиной нереентерабельности служит использование глобальных переменных. модульный автоматизированный проектирование редактор

Планирование задач

Важной частью любой ОС РВ является планировщик задач. Несмотря на то, что в разных источниках он может называться по-разному (диспетчер задач, супервизор и т. п.), его функции остаются теми же: определить, какая из задач должна выполняться в системе в каждый конкретный момент времени. Самым простым методом планирования, не требующим никакого специального ПО и планировщика как такового, является использование циклического алгоритма.

Каждая " задача" , представляющая собой отдельную подпрограмму, выполняется циклически. При этом надо придерживаться следующих правил:

• 1. Подпрограммы не должны содержать циклов ожидания.
• 2. Подпрограммы должны выполнять свою работу как можно быстрее, чтобы дать возможность работать следующей подпрограмме.
• 3. При необходимости подпрограмма может сохранять свое окружение и текущие результаты, чтобы в следующем цикле возобновить работу с того же места.

Можно отметить следующие преимущества циклического алгоритма.

• 1. Простота использования и прозрачность для понимания.
• 2. Если исключить из рассмотрения прерывания, система полностью детерминирована.
• 3. Минимальные размеры кода и данных. Кроме того, в отличие от алгоритмов с вытеснением, для всех задач необходим только один стек. 4. Отсутствуют ошибки, обусловленные «гонками» .

К недостаткам циклического алгоритма можно отнести отсутствие приоритетности и очередей. К тому же задачи вызываются независимо от того, должны ли они в данный момент что-либо делать или нет, а на прикладного программиста ложится максимальная ответственность за работоспособность системы.

Перейдем теперь к другому широко используемому алгоритму планирования. Речь пойдет о режиме разделения времени. Как правило, алгоритм реализуется следующим образом: каждой задаче отводится определенное количество квантов времени (обычно кратно 1 мс), в течение которых задача может монопольно занимать процессорное время. После того как заданный интервал времени истекает, управление передается следующей готовой к выполнению задаче, имеющей наивысший приоритет. Низкоприоритетные задачи в этом случае могут никогда не получить управление, так как три высокоприоритетные задачи будут делить все процессорное время между собой. Единственную возможность для низкоприоритетных задач получить управление предоставляет ситуация, когда все высокоприоритетные задачи находятся в блокированном состоянии.

Для решения этой проблемы применяется прием, получивший название равнодоступность (fairness). При этом реализуется принцип адаптивной приоритетности, когда приоритет задачи, которая выполняется слишком долго, постепенно уменьшается, позволяя менее приоритетным задачам получить свою долю процессорного времени. Равнодоступность применяется главным образом в многопользовательских системах и редко применяется в системах реального времени.

Приоритетная многозадачность с вытеснением — это, по-видимому, наиболее часто используемый в ОС РВ принцип планирования. Основная идея состоит в том, что высокоприоритетная задача, как только для нее появляется работа, немедленно прерывает (вытесняет) низкоприоритетную. Другими словами, если какая-либо задача переходит в состояние готовности, она немедленно получает управление, если текущая активная задача имеет более низкий приоритет. Такое «вытеснение* происходит, например, когда высокоприоритетная задача получила ожидаемое сообщение, освободился запрошенный ею ресурс, произошло связанное с ней внешнее событие, исчерпался заданный интервал времени и т. п.

В общем случае алгоритмы планирования должны соответствовать критериям оптимальности функционирования системы. Однако, если для систем «жесткого» реального времени такой критерий очевиден: «ВСЕГДА и всё делать вовремя», то для систем «мягкого» реального времени это может быть, например, минимальное «максимальное запаздывание» или средневзвешенная своевременность завершения операций.

Не стоит особо увлекаться приоритетами. Если система нормально работает, когда все задачи имеют одинаковый приоритет, то и слава Богу. Если нет, то можно присвоить высокий приоритет " критической" задаче, и низкий приоритет всем остальным. Если у вас больше одной «критической» задачи, при недостаточном быстродействии системы имеет смысл рассмотреть многопроцессорную конфигурацию или, отказавшись от ПО РВ, перейти к простому циклическому алгоритму.

Как правило, разработчики стараются свести свою систему реального времени к наиболее простым конфигурациям, характерным для систем «жесткого» реального времени, иногда даже в ущерб эффективности использования вычислительных ресурсов. Причина понятна: сложные динамические системы весьма трудно анализировать и отлаживать, поэтому лучше заплатить за более мощный процессор, чем иметь в будущем проблемы из-за непредвиденного поведения системы. В связи с этим большинство существующих систем реального времени представляют собой статические системы с фиксированными приоритетами. Значительная часть особо ответственных систем по-прежнему реализуется без применения коммерческих ОС РВ вообще.

Синхронизация задач

Хотя каждая задача в системе, как правило, выполняет какую-либо отдельную функцию, часто возникает необходимость в согласованности (синхронизации) действий, выполняемых различными задачами. Такая синхронизация необходима, в основном, в следующих случаях.

• 1. Функции, выполняемые различными задачами, связаны друг с другом. Например, если одна задача подготавливает исходные данные для другой, то последняя не выполняется до тех пор, пока не получит от первой задачи соответствующего сообщения. Одна из вариаций в этом случае — это когда задача при определенных условиях порождает одну или несколько новых задач.
• 2. Необходимо упорядочить доступ нескольких задач к разделяемому ресурсу.
• 3. Необходима синхронизация задачи с внешними событиями. Как правило, для этого используется механизм прерываний, с которым читатель, безусловно, знаком.
• 4. Необходима синхронизация задачи по времени. Диапазон различных вариантов в этом случае достаточно широк, от привязки момента выдачи какого-либо воздействия к точному астрономическому времени до простой задержки выполнения задачи на определенный интервал времени. Для решения этих вопросов в конечном счете используются специальные аппаратные средства, называемые таймером.

Давайте рассмотрим все четыре случая более подробно.

Связанные задачи

Взаимное согласование задач с помощью сообщений является одним из важнейших принципов операционных систем реального времени.

Объем информации, передаваемой в сообщениях, может меняться от 1 бита до всей свободной емкости памяти вашей системы. Во многих ОС РВ компоненты операционной системы, так же как и пользовательские задачи, способны принимать и передавать сообщения. Сообщения могут быть асинхронными и синхронными. В первом случае доставка сообщений задаче производится после того, как она в плановом порядке получит управление, я во втором случае циркуляция сообщений оказывает непосредственное влияние на планирование задач.

Иногда сообщения передаются через отведенный для этого буфер определенного размера («почтовый ящик»). При этом, как правило, новое сообщение затирает старое, даже если последнее не было обработано.

Однако наиболее часто используется принцип, когда каждая задача имеет свою очередь сообщений, в конец которой ставится всякое вновь полученное сообщение. Стандартный принцип обработки очереди сообщений по принципу «первым вошел, первым вышел» (FIFO) не всегда оптимально соответствует поставленной задаче. В некоторых ОС РВ предусматривается такая возможность, когда сообщение от высокоприоритетной задачи обрабатывается в первую очередь (в этом случае говорят, что сообщение наследует приоритет пославшей его задачи).

Сообщение может содержать как сами данные, предназначенные для передачи, так и указатель на такие данные. В последнем случае обмен может производиться с помощью разделяемых областей памяти, разделяемых файлов и т. п.

Общие ресурсы

Ресурс — это общий термин, описывающий физическое устройство или область памяти, которые могут одновременно использоваться только одной задачей. Процессорное время тоже представляет собой своеобразный конкурентно используемый ресурс вычислительной системы. Примером физических устройств могут служить клавиатура, дисплей, дисковый накопитель, принтер и т. п. В качестве примера рассмотрим ситуацию, когда в бортовом компьютере мирно летящего самолета МИГ-29 среди прочих работают две задачи. Одна из них, взаимодействуя с радиолокационной системой, выдает удаление и направление до цели, а другая задача использует эти данные для пуска ракет класса «воздух-воздух». Не исключено, что первая задача, записав в глобальную структуру данных удаление до цели, будет прервана второй задачей, не успев записать туда направление до цели. В результате вторая задача считает из этой структуры ошибочные данные, что может привести к неудачному пуску со всеми вытекающими отсюда неприятными последствиями. Прервись первая задача чуть позже, и все было бы нормально. Упомянутые здесь проблемы обусловлены времязависимыми ошибками (time dependent error), или " гонками" и характерны для многозадачных ОС, применяющих алгоритмы планирования с вытеснением (кстати, системы с разделением времени также относятся к категории «вытесняющих»).

Приведенный пример показывает, что ошибки, обусловленные «гонками», а) характерны для работы с любыми ресурсами, доступ к которым имеют несколько задач, и б) происходят только в результате совпадения определенных условий, а потому с трудом обнаруживаются на этапе отладки.

Вот возможные пути решения проблемы.

• 1. He использовать алгоритмы планирования задач с вытеснением. Это решение, правда, не всегда приемлемо.
• 2. Использовать специальный сервер ресурса, то есть задачу, ответственную за упорядочивание доступа к ресурсу.
• 3. Запретить прерывания на время доступа к разделяемым данным Кардинальное решение, которое, впрочем, не приветствуется в системах реального времени.
• 4. Использовать для упорядочивания доступа к глобальным данным семафоры. Наиболее часто применяемое решение, которое, впрочем, может привести в некоторых случаях к «инверсии приоритетов» .

Семафор — это как раз то средство, которое часто используется для синхронизации доступа к ресурсам. В простейшем случае семафор представляет собой байтовую переменную, принимающую значение 0 или 1. Задача, перед тем как использовать ресурс, захватывает семафор, после чего остальные задачи, желающие использовать тот же ресурс, должны ждать, пока семафор (ресурс) освободится. Существуют также так называемые счетные семафоры, где семафор представляет собой счетчик. Пусть к системе подключено три принтера. Семафор, отвечающий за доступ к функциям печати, инициализируется со значением 3, а затем каждый раз, когда какая-либо задача запрашивает семафор для осуществления печати, его значение уменьшается на 1. После завершения печати задача освобождает семафор, в результате чего значение последнего увеличивается на 1. Если текущее значение семафора равно 0, то ресурс считается недоступным, и задачи, запрашивающие печать, должны ждать, пока не освободится хотя бы один принтер.

Проникнувшись сознанием того, насколько опасно изменять глобальные переменные в условиях, когда все вокруг так и норовят друг друга вытеснить, читатель, наверно, не удивится, что участки кода программ, где происходит обращение к разделяемым ресурсам, называются критическими секциями.

Смертельный захват (Deadlock).

В народе побочные проявления этой ситуации называются более прозаично — «зацикливание» или «зависание». А причина этого может быть достаточно проста — «задачи не поделили ресурсы», Пусть, например. Задача, А захватила ресурс клавиатуры и ждет, когда освободится ресурс дисплея, а в это время Задача В также хочет пообщаться с пользователем и, успев захватить ресурс дисплея, ждет теперь, когда освободится клавиатура. В таких случаях рекомендуется придерживаться тактики «или все, или ничего». Другими словами, если задача не смогла получить все необходимые для дальнейшей работы ресурсы, она должна освободить всё, что уже захвачено, и, как говорится, «зайти через полчаса». Другим решением, которое уже упоминалось, является использование серверов ресурсов.