ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

Операционные системы реального времени

Быстродействие ПЛК (компьютера) влияет на величину динамической погрешности системы автоматизации и запас ее устойчивости при наличии обратной связи. Для улучшения этих характеристик используют быстродействующие модули ввода-вывода и компьютер (ПЛК) с высокопроизводительным процессором. Это позволяет улучшить динамические характеристики системы, однако большинство операционных систем (ОС) не могут обеспечить одно и то же время выполнения задачи при повторных ее запусках, то есть время выполнения является случайной величиной.

Для устранения этой проблемы был разработан класс операционных систем, которые обеспечивают детерминированное (т.е. не случайное) время выполнения задач и время реакции на аппаратные прерывания. Такие ОС получили название операционных систем реального времени ОС РВ и были поделены на ОС жесткого и мягкого реального времени.

В системах жесткого реального времени существует жесткий временной порог. При его превышении наступают необратимые катастрофические последствия.

В системах мягкого реального времени характеристики системы ухудшаются с увеличением времени управляющей реакции. Система может работать плохо, но без катастрофических последствий.

Для решения задач жесткого реального времени применяют классический подход, т.е. построение событийно управляемой системы. Где для каждого события в системе устанавливается четко определенное время реакции и определенный приоритет. Практическая реализация таких систем сложна и всегда требует тщательной проработки и моделирования.

Следовательно, ОС РВ отличаются своим поведением, а не внутренним принципом построения. К примеру, операционная система Windows XP при управлении медленными (тепловыми) процессами может рассматриваться как ОС РВ, то есть если вероятность появления недопустимо больших задержек достаточно низка для достижения требуемого уровня сервиса.

В ОС жесткого РВ процесс представляется на выполнение одновременно с указанием требуемого времени выполнения. Планировщик ОС либо разрешает выполнение, гарантируя требуемое время, либо отклоняет процесс как невозможный для исполнения. Для этого планировщик[1] должен точно знать, сколько времени требуется каждой функции ОС для выполнения задачи.

Базовыми требованиями для обеспечения режима реального времени являются следующие:

1) высокоприоритетные задачи всегда должны выполняться в первую очередь;

2) должна быть исключена инверсия приоритетов;

3) процессы и потоки, время выполнения которых нельзя планировать, никогда не должны полностью занимать ресурсы системы.

Инверсией приоритетов называют ситуацию, когда поток с высоким приоритетом требует предоставления ресурса, который уже занят потоком с более низким приоритетом.

Основным методом решения этой проблемы в ОС РВ является наследование приоритетов,которое заключается в следующем. Если низкоприоритетный поток блокирует выполнение нескольких высокоприоритетных потоков, то низкоприоритетный поток игнорирует назначенный ему первоначально приоритет и выполняется с приоритетом, который является наивысшим в блоке ожидающих его потоков. После окончания работы поток принимает свой первоначальный приоритет.

Для обеспечения режима реального времени в ОС могут быть реализованы следующие требования

1) поддержка динамических приоритетов,которые можно менять в процессе выполнения задачи, в многозадачном режиме с вытесняющим ядром (как для процессов, так и для потоков);

2) возможность наследования приоритетов;

3) возможность вытеснения задач ядром ОС;

4) ограниченная латентность прерываний (время, в течение которого прерывание запрещено - на время обработки критической секции кода);

5) выполнение сервисов ОС с приоритетом, который назначается клиентом сервиса.

В системах РВ обычно отсутствует виртуальная память, поскольку этот метод использует подкачку страниц с диска, время выполнения которой является непредсказуемым.

Наиболее распространенными в ПЛК и компьютерах для решения задач автоматизации являются операционные системы Windows CE, QNX Neutrino и OS-9.

QNX Neutrino

QNX Neutrino корпорации QNX Software Systems является операционной системой реального времени и обеспечивает многозадачный режим с приоритетами. Поддерживает микропроцессоры семейств ARM,StrongARM, xScale, x86, MIPS, PowerPC, SH-4, способна выполнять до 250 задач на одном узле.

QNX относится к микроядерным ОС, т.е. реализует только базовые функции ядра - управление адресным пространством ОЗУ и виртуальной памяти, процессами и потоками, обеспечивает межпроцессорную коммуникацию. Состоит из ядра, планировщика процессов и сервисов. Построена на основе сервисов - небольших задач, выполняющих основные функции ОС. Такая структура позволяет отключить любую ненужную функциональность, не изменяя ядро. Каждый драйвер, приложение, протокол или файловая система выполняются вне ядра, в защищенном адресном пространстве.

Инверсия приоритетов преодолевается с помощью распределенного наследования приоритетов. Операционная система QNX нашла применение как на нижнем уровне АСУТП (ОС для контроллеров), так и на верхнем уровне (ОС для программного обеспечения SCADA).

OS-9

Операционная система OS-9 фирмы Microware System является многозадачной и многопользовательской, работает в режиме мягкого реального времени. Используется во встраиваемых приложениях на платформах ARM, StrongARM, MIPS, PowerPC, Hitachi SuperH, x86, Pentium, XScale, Motorola 68K.

OS-9 относится к классу Unix-подобных операционных систем реального времени и предлагает многие привычные элементы среды Unix. Все функциональные компоненты OS-9, включая ядро, иерархические файловые менеджеры, систему ввода/вывода и средства разработки, реализованы в виде независимых модулей. Комбинируя эти модули, разработчик может создавать системы с самой разной конфигурацией - от миниатюрных автономных ядер, ориентированных на ПЗУ контроллеров, до полномасштабных многопользовательских систем разработки.

OS-9 обеспечивает выполнение всех основных функций операционных систем реального времени: управление прерываниями, межзадачный обмен информацией и синхронизация задач.

OC WINDOWS

Операционная система Windows знакома всем как настольная система. Но это, прежде всего, относится к платформам Windows 3.хх/95, в которых действительно отсутствует поддержка реального времени. Ситуация резко изменилась с появлением Windows NT.

Сама по себе Windows NT не является операционной системой реального времени в силу ряда ее особенностей. Система поддерживает аппаратные, а не программные прерывания, отсутствует приоритетная обработка отложенных процедур и др.

Но в конце ХХ века ряд фирм предприняли серьезные попытки превратить Windows NT в ОС жесткого реального времени. И эти попытки увенчались успехом. Компания VenturCom разработала модуль Real Time Extension (RTX) - подсистему реального времени (РВ) для Windows NT. Эта подсистема имеет собственный планировщик со 128 приоритетами прерываний, который не зависит от NT. Максимальное время реакции на прерывание составляет 20-80 мкс вне зависимости от загрузки процессора. Теперь при каждом прерывании от таймера приоритет передается критичным по времени задачам. А в оставшееся от их работы время могут выполняться «медленные» процессы: ввод/вывод, работа с диском, сетью, графическим интерфейсом и т. п.

Windows CE.NET

Многозадачная операционная система жесткого реального времени Windows CE.NET корпорации Microsoft поддерживает микропроцессоры с архитектурой ARM, StrongARM и xScale, MIPS, SH, X86-совместимые. 32-разрядная Windows CE была создана компанией Microsoft для малых компьютеров (калькуляторов), но в силу ряда достоинств стала претендовать на роль стандартной ОС реального времени. К числу этих достоинств относятся:

1) открытость и простота стыковки с другими ОС семейства Windows;

2) время реакции порядка 500 мкс;

3) значительно меньшие по сравнению с другими ОС Windows требования к ресурсам памяти и возможность построения бездисковых систем.

4) допускает одновременное выполнение до 32 процессов;

5) имеет 256 уровней приоритетов;

6) поддерживает вытесняющую многозадачность;

7) обеспечивает карусельное исполнение цепочек с одинаковым приоритетом;

8) поддерживает вложенные прерывания;

9) имеет среднее время обработки прерывания 2,8 мкс, поддерживает вложенные прерывания;

10) обеспечивает время обработки потока прерываний (Interrupt Service Thread, IST), равное 17,9 мкс;

11) в минимальной конфигурации может быть установлена при объеме ОЗУ 200 Кб.

Планирование выполняется на основе приоритетов, для устранения инверсии используется наследование приоритетов. Несмотря на наличие возможности работы с виртуальной памятью, для обеспечения режима жесткого реального времени ее отключают.

Windows CE .NET поддерживает Microsoft Visual Studio .NET и Microsoft eMbedded Visual C++ с языками программирования Visual C++, Visual C#, and Visual Basic .NET

А в 1999 году компанией Direct by Koyo ОС Windows CE была впервые установлена на платформу микроPLC.

Выбор операционной системы программно-технических средств верхнего уровня АСУТП определяется прикладной задачей (ОС общего пользования или ОСРВ). Но наибольшую популярность и распространение получили различные варианты ОС Windows (Windows NT/2000). Ими оснащены программно-технические средства верхнего уровня АСУТП, представленные персональными компьютерами (ПК) разной мощности и конфигурации - рабочие станции операторов/диспетчеров и специалистов, серверы баз данных (БД) и т. д.

Такая ситуация возникла в результате целого ряда причин и тенденций развития современных информационных и микропроцессорных технологий.

Вот несколько основных аргументов в пользу Windows:

- Windows имеет очень широкое распространение в мире, в том числе и в России, в связи с чем легко найти специалиста, который мог бы сопровождать системы на базе этой ОС;

- эта ОС имеет множество приложений, обеспечивающих решение различных задач обработки и представления информации;

- ОС Windows и Windows-приложения просты в освоении и обладают типовым интуитивно понятным интерфейсом;

- приложения, работающие под управлением Windows, поддерживают общедоступные стандарты обмена данными;

- системы на базе ОС Windows просты в эксплуатации и развитии, что делает их экономичными как с точки зрения поддержки, так и при поэтапном росте;

- Microsoft развивает информационные технологии (ИТ) для Windows высокими темпами, что позволяет компаниям, использующим эту платформу «идти в ногу со временем».

[1] Планирование выполнения задач — одна из ключевых концепций в многозадачности и многопроцессорности как в операционных системах общего назначения, так и в операционных системах реального времени. Планирование заключается в назначении приоритетов процессам в очереди с приоритетами. Программный код, выполняющий эту задачу, называется планировщиком