1. VxWorks
Операційні системи реального часу сімейства VxWorks корпорації WindRiver Systems призначені для розробки програмного забезпечення (ПО) вбудованих комп'ютерів, що працюють в системах жорсткого реального часу [VxWorks]. Операційна система VxWorks має крос-засобами розробки програмного забезпечення (ПО), тобто розробка ведеться на інструментальному комп'ютері (host) у середовищі Tornado для подальшого її використання на цільовому комп'ютері (target) під керуванням системи VxWorks.

Операційна система VxWorks має архітектуру клієнт-сервер і побудована у відповідності з технологією мікроядра, тобто на самому нижньому безперервному рівні ядра (WIND Microkernel) обробляються тільки планування завдань та управління їх взаємодією / синхронізацією. Вся інша функціональність операційного ядра - управління пам'яттю, введенням / виведенням і пр. - забезпечується на більш високому рівні і реалізується через процеси. Це забезпечує швидкодію і детермінованість ядра, а також маштабованість системи.

VxWorks може бути скомпонована як для невеликих вбудованих систем з жорсткими обмеженнями для пам'яті, так і для складних систем з розвиненою функціональністю. Більше того, окремі модулі самі є маштабованими. Конкретні функції можна прибрати при збірці, а специфічні ядерні об'єкти синхронізації можна опустити, якщо додаток в них не потребує.

Хоча система VxWorks є конфігурується, тобто окремі модулі можна завантажувати статично або динамічно, не можна сказати, що в ній використовується підхід, заснований на компонентах. Всі модулі побудовані над базовим ядром і спроектовані таким чином, що не можуть використовуватися в інших середовищах.

Ядро VxWorks володіє наступними параметрами:

кількість завдань не обмежено,

число рівнів пріоритетів завдань - 256,планування завдань можливо двома способами - витіснення за пріоритетами і циклічне,

засобами взаємодії завдань служать черги повідомлень, семафори, події і канали (для взаємодії задач всередині CPU), сокети і віддалені виклики процедур (для мережевої взаємодії), сигнали (для керування винятковими ситуаціями) і колективна пам'ять (для розділення даних),

для управління критичними системними ресурсами забезпечується кілька типів семафорів: виконавчі, обчислювальні (counting) і взаємно виключають з пріоритетним спадкуванням,

підтримується детермінована перемикання контексту.

У VxWorks забезпечується як заснований на POSIX, так і власний механізми планування (wind scheduling). Обидва варіанти включають витісняється і циклічне планування. Різниця між ними полягає в тому, що wind scheduling застосовується на системному базисі, в той час як алгоритми POSIX-планування застосовуються на базисі процес-за-процесом.

У VxWorks всі завдання системи і додатків поділяють єдине адресний простір, що загрожує порушенням стабільності системи через несправність будь-якої програми. Необов'язковий компонент VxVMI дає можливість кожному процесу мати свою власну віртуальну пам'ять.

Щоб досягти швидкої обробки зовнішніх переривань, програми обробки переривань (ISRs - interrupt service routines) у VxWorks виконуються в спеціальному контексті поза контекстів потоків, що дозволяє виграти час, який зазвичай витрачається на перемикання контекстів. Слід зазначити, що C-функція, яку користувач приєднує до вектора переривання, насправді не є фактичною ISR. Переривання не можуть безпосередньо звертатися до C-функцій. Адреса ISR запам'ятовується в таблиці векторів переривань, яка викликається апаратно. ISR виконує якусь початкову обробку (збереження регістрів і підготовку стека), а потім викликається C-функція, яка була приєднана користувачем.

VSPWorks [VSPWorks] - це дуже популярна і досить потужна ОС на основі VxWorks. VSPWorks спроектована спеціально для систем, заснованих на DSP. Вона забезпечує багатозадачність з пріоритетами і підтримку швидких переривань на процесорах DSP і ASIC. ОСРВ VSPWorks слід моделі єдиного віртуального процесора, що значно спрощує розподіл програм багатопроцесорні системи, зберігаючи при цьому продуктивність жорсткого реального часу. VSPWorks є модульною і маштабованої.

ОСРВ VSPWorks має багатошарової структурою, що служить хорошою основою для абстрагування та переносимості. Центром системи служить сильно оптимізоване наноядро (nanokernel), яке здатне керувати сукупністю процесів. Нижче наноядра знаходяться програми, які обслуговують переривання, вище наноядра розташовується Мікроядро, яке управляє багатозадачному режимі з пріоритетами C / C + + завдань.

Рис.1. Багатошарова архітектура VSPWorks.

Управління переривань має два рівні. Нижній рівень (рівень 1) використовується для обробки апаратних переривань. Під час обробки таких переривань всі інші переривання блокуються. Код, що виконуються на цьому рівні, написаний на мові асемблера, і відповідальність за збереження відповідних регістрів в стеку лягає на програміста. На цьому рівні може бути оброблено переривання, яке вимагає малого часу для обробки. Якщо обробка переривання є більш складною й потребує більшого часу, то переривання обробляється на більш високому рівні (рівень 2), де дозволено переривання переривання і, таким чином, вони можуть бути вкладеними. Перехід на більш високий рівень переривань відбувається по системному викликом.

Процеси наноядра (рівень 3) пишуться на мові асемблера і мають скорочений контекст (тобто використовують менше регістрів). Ці процеси можуть бути завантажені і розвантажено з процесора дуже швидко. Кожному процесу присвоюється пріоритет. Рівень 3 ідеальний для написання драйверів для інтерфейсів апаратури низького рівня.

Мікроядро знаходиться на рівні 4. Мікроядро написано на мові C і має понад 100 сервісів. Обробка завдань на цьому рівні ведеться в режимі пріоритетного переривання, і планування управляється пріоритетами.

Мережеві засоби. VxWorks підтримує всі мережеві засоби, стандартні для UNIX: TCP / zero-copyTCP / UDP / ICMP / IP / ARP, SLIP / CSLIP / PPP, Sockets, telnet / rlogin / rpc / rsh, ftp / tftp / bootp, NFS (Network File System) (клієнт і сервер). У мережеві засоби для VxWorks входять також функції, необхідні при розробці пристроїв, що підключаються до Internet: IP multicasting рівня 0,1 або 2; long fat pipe; CIDR (Classless Inter-Domain Routing); DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) в конфігураціях server, client і relay agent; DNS client (Domain Naming System); SNTP (Simple Network Time Protocol). VxWorks підтримує протоколи маршрутизації RIPv1/RIPv2 (Routing Information Protocol), а також OSPF (Open Shortest Path First) версії 2. Протокол RIP входить в стандартну поставку VxWorks, OSPF поставляється як додатковий продукт. SNMP-агент для VxWorks підтримує протокол SNMP (Simple Network Management Protocol) як версії v1, так і v2c. MIB (Management Information Base) компілятор підтримує об'єкти MIB-II та розширення. STREAMS - стандартний інтерфейс для підключення переносних мережевих протоколів до операційних систем. У середовищі VxWorks можна інсталювати будь-який протокол, який має STREAMS-реалізацію: як стандартний (Novell SPX / IPX, Decnet, AppleTalk, SNA і т.п.), так і спеціалізований. VxWorks підтримує STREAMS версії UNIX System V.4.

Графічні пакети і вбудований Інтернет. Графічні програми для вбудованих комп'ютерів з ОСРВ VxWorks можуть бути розроблені як на мові С / С + +, так і на мовах Java і HTML. Для розробки графічних користувальницьких інтерфейсів (GUI) мовою C + + поставляється програмний продукт Zinc for VxWorks, для розробки на мові Java - PersonalJWorks і для розробки на мові HTML - HTMLWorks / eNavigator. Всі три GUI для VxWorks використовують один і той же універсальний API до графічної апаратури (графічному контролеру, фрейм-буферу і пристрою вводу), який називається UGL (Universal Graphics Library). UGL - це набір графічних примітивів 2D, драйвери популярних графічних контролерів і засоби розробки власних користувальницьких графічних драйверів. UGL входить до складу кожного GUI-продукту і поставляється в вихідних текстах.

Zinc for VxWorks - це C + + API, що надає широкий набір графічних об'єктів з вживаними користувачем параметрами. Для розробки GUI використовується Zinc Designer - WYSIWYG-редактор, який входить в комплект постачання. Графічний інтерфейс може бути розроблений на мові Java з використанням стандартного інструментарію pAWT (Abstract Windowing Toolkit), що входить до складу PersonalJWorks. Для розробки GUI використовується будь-який інструментарій розробки Java-додатків. Інтерфейс користувача може бути розроблений з використанням графічних можливостей мови HTML (фрейми, зображення, таблиці, форми) і динамічних можливостей JavaScript.htmlWorks - це інтерпретатор HTML / JavaScript-сторінок, які можуть знаходитися в постійній пам'яті або бути завантажені по мережі. Для розробки GUI використовується будь-який інструментарій web-дизайну. Якщо вбудований комп'ютер з HTML GUI повинен уміти виконувати web-серфінг, то спільно з HTMLWorks може бути використаний браузер для вбудованих додатків eNavigator.

Засоби побудови мультипроцесорних систем. VxWorks підтримує два види мультіпроцессінга: слабозв'язаних - через розподілені черги повідомлень і сільносвязаний - через об'єкти в поділюваної пам'яті. Слабозв'язаних мультіпроцессінг через розподілені черги повідомлень реалізований в бібліотеці VxFusion, яка є окремим продуктом. VxFusion застосовується для обміну між процесорами, що не мають загальної пам'яті (наприклад, між вузлами мережі). Сільносвязанний мультіпроцессінг через об'єкти в поділюваної пам'яті реалізований в бібліотеці VxMP, яка також є окремим продуктом. VxMP застосовується для обміну між процесорами, що мають загальну область пам'яті (наприклад, знаходяться на одній шині).

Засоби портування. Всі апаратно-залежні частини VxWorks винесені в окремі модулі для того, щоб розробник вбудовуваної комп'ютерної системи міг сам портувати VxWorks на свій нестандартний цільовий комп'ютер. Цей комплект конфігураційних і ініціалізаціонних модулів називається BSP (Board Support Package) і поставляється для стандартних комп'ютерів (VME-процесор, PC або Sparcstation) у вихідних текстах. Розробник нестандартного комп'ютера може взяти за зразок BSP найбільш близького за архітектурі стандартного комп'ютера і портувати VxWorks на свій комп'ютер шляхом розробки власного BSP за допомогою BSP Developer's Kit.

Проміжне ПЗ (middleware). Модель компонентних об'єктів COM (Component Object Model) та її розширення для розподілених систем DCOM (Distributed COM) є стандартними інтерфейсами обміну між додатками для Windows. VxDCOM - DCOM для операційної системи VxWorks - це перша реалізація моделі розподілених компонентних об'єктів для систем реального часу. Тепер немає необхідності в розробці спеціалізованих драйверів вводу / виводу при інтеграції нижнього і верхніх рівнів розподіленої системи управління. VxDCOM підтримує також OPC-інтерфейси (OLE for Process Control), що дозволяє розробляти OPC-сервери для вбудованих систем, що працюють під управлінням ОСРВ VxWorks.

Файлова система для флеш-пам'яті. Файлова система TrueFFS призначена для емуляції жорсткого диска, що працює під управлінням файлових систем VxWorks: DOS-FS і NFS (Network File System). TrueFFS підтримує стандарт PCMCIA FTL (Flash Translation Level) і підтримує PC-cards, MiniatureCards і мікросхеми флеш-пам'яті Intel 28F0xx, AMD 29F0xx, і Samsung 29Vxx000.

2. QNX Neutrino RTOS
Операційна система QNX Neutrino Realtime Operating System (RTOS) [QNXNeutrino] корпорації QNX Software Systems є мікроядерного операційною системою, яка забезпечує багатозадачність з пріоритетами. QNX Neutrino RTOS має клієнт-серверну архітектуру. У середовищі QNX Neutrino кожен драйвер, додаток, протокол і файлова система виконуються поза ядром, у захищеному адресному просторі. У разі збою будь-якого компонента він може автоматично перезапуск без впливу на інші компоненти або ядро. Хоча система QNX є конфігурується, тобто окремі модулі можна завантажувати статично або динамічно, не можна сказати, що вона використовує підхід, заснований на компонентах. Всі модулі покладаються на базове ядро і спроектовані таким чином, що не можуть використовуватися в інших середовищах.

QNX Neutrino RTOS складається з ядра, планувальника процесів (process manager) і розширених сервісів на рівні користувача. Як справжня мікроядерного операційна система, QNX Neutrino RTOS реалізує в ядрі ОС тільки найбільш фундаментальні сервіси, такі як передача повідомлень, сигнали, таймери, планування потоків, об'єкти синхронізації. Всі інші сервіси ОС, драйвери та програми виконуються як окремі процеси, які взаємодіють через синхронну передачу повідомлень.

Ядро QNX Neutrino RTOS виконується на рівні 0, керуючі програми і драйвери пристроїв виконуються на рівні 1 та 2, здійснюючи операції вводу / виводу. Програми виконуються на рівні 3.

Планувальник процесів будується на базисі ядра і забезпечує додаткову семантику рівня процесів, управління пам'яттю та шляхами доступу до файлів. Всі інші компоненти - файлові системи, набір протоколів, черги повідомлень, додатки - виконуються в захищеному адресному просторі і є розширеними сервісами. Взаємодія компонентів здійснюється через передачу повідомлень. Передача повідомлень грає роль віртуальної "програмної шини", яка дозволяє оперативно динамічно довантажувати і відвантажувати будь-який компонент. Як наслідок, будь-який модуль, навіть драйвер пристрою, може бути заміщений або перезапущений оперативно, для чого в більшості ОСРВ потрібно перезапустити системи. Повідомлення передаються прозоро через кордони процесора, забезпечуючи безшовний доступ до будь-якого ресурсу в мережі.

Володіючи які витісняють мікроядром і планувальником з пріоритетним обслуговуванням, QNX Neutrino RTOS здатна швидко і з високою передбачуваністю реагувати на події реального часу. Високопріоритетні потоки обробляють дедлайни своєчасно навіть при великій завантаженні системи (див. мал.2)

Рис.2. Продуктивність реального часу QNX Neutrino RTOS.

QNX Neutrino RTOS має малі часи обробки переривань, швидке перемикання контекстів. Інверсія пріоритетів долається за допомогою розподіленого успадкування пріоритетів. Спрощене моделювання активностей реального часу проводиться через синхронну передачу повідомлень. Вкладені переривання і фіксована верхня межа часу обробки переривання гарантують, що високопріоритетні переривання обробляються швидко з передбачуваним часом.

3. RTEMS
RTEMS (Real-Time Executive for Multiprocessor Systems) - це некомерційна операційна система реального часу для глибоко вбудованих систем [RTEMS]. Розробник системи компанія OAR (On-Line Applications Research Corporation, США). Система була створена на замовлення міністерства оборони США для використання в системах управління ракетними комплексами. Система розробляється для багатопроцесорних систем на основі відкритого вихідного коду на противагу аналогічним системам з закритим кодом. Система розрахована на платформи MS-Windows і Unix (GNU / Linux, FreeBSD, Solaris, MacOS X).

Ядро RTEMS забезпечує базову функціональність систем реального часу. У ці можливості входять

мультизадачність обробка;

робота в гомогенних і гетерогенних системах;

планування, кероване подіями, на основі пріоритетів;

планування з монотонною швидкістю;

взаємодію задач і синхронізація;

пріоритетне спадкування;

управління у відповідь перериванням;

розподіл динамічної пам'яті;

конфігурування системи для уповноважених користувачів;

переносимість на багато цільові платформи.

Ядро RTEMS відповідає за управління основною пам'яттю комп'ютера і віртуальною пам'яттю виконуваних процесів, за керування процесором і планування розподілу процесорних ресурсів між спільно виконуваними процесами, за управління зовнішніми пристроями і, нарешті, за забезпечення базових засобів синхронізації та взаємодії процесів. При цьому ядро використовує відповідні менеджери. До складу RTEMS входить набір наступних менеджерів: ініціалізації, завдань, переривань, годинника реального часу, таймер, семафорів, повідомлень, подій, сигналів, розділів, регіонів, двухпортової пам'яті, вводу / виводу, невиправних помилок, монотонною частоти, розширень користувача, багатопроцесорними. Прив'язка ОСРВ до апаратури проводиться за допомогою спеціальної бібліотеки підпрограм BSP (board support package) і спеціалізованих підпрограм для різних архітектур. До складу BSP входять програма ініціалізації апаратури і драйвери пристроїв. Підтримка в RTEMS мультипроцесорних систем дозволяє використовувати її для управління як однорідними, так і неоднорідними системами Ядро RTEMS автоматично враховує відмінності в архітектурі використовуваних процесорів, виконуючи у разі необхідності перестановку байтів і інші процедури. Це дозволяє здійснювати перехід на інше сімейство процесорів без значних змін системи.

ОСРВ RTEMS можна розглядати як набір компонентів, що забезпечують ряд базових сервісних функцій для програм користувача. Програмний інтерфейс програми складається з директив, розподілених по логічним розділами відповідних менеджерів. Функції, що використовуються декількома менеджерами, такі як розподіл процесорного часу, диспетчеризація і управління об'єктами, реалізовані в ядрі. Ядро містить також невеликий набір процедур, що залежать від типу використовуваного процесора: доступ до фізичної пам'яті, ініціалізація контролера переривань і периферійних пристроїв, специфічних для даного процесорного ядра, і т.д.

У ОСРВ RTEMS реалізуються наступні види міжпроцесорного взаємодії:

обмін даними між завданнями;

обмін даними між завданнями і програмами обробки переривань;

синхронізація між завданнями;

синхронізація між завданнями і програмами обробки переривань.

Функції, що дозволяють здійснювати ті чи інші види міжпроцесорного взаємодії, входять до більшості менеджерів RTEMS. Менеджери семафорів, повідомлень, подій, сигналів призначені виключно для здійснення міжпроцесорної взаємодії.

Менеджер семафорів. RTEMS підтримує стандартні виконавчі і семафори з лічильниками, що забезпечують синхронізацію і монопольний доступ до ресурсів.

Менеджер подій. Служить для синхронізації виконання завдань. Прапор події використовується завданням для того, щоб інформувати іншу задачу про виникнення певної події. Кожній задачі відповідають 32 прапори подій. Сукупність одного або більше прапорів називається набором подій. Одна задача може послати другий задачі набір подій, а також з'ясувати стан набору подій відповідною функцією.

Менеджер повідомлень. Служить для обміну між завданнями повідомленнями змінної довжини. Повідомлення передаються через черги типу FIFO ("першим прийшов, першим обслужений"). Є можливість посилки термінового повідомлення. Для кожної черги задається максимальна довжина повідомлення. Повідомлення можуть використовуватися для синхронізації завдань. Завдання може очікувати приходу певного повідомлення або перевіряти наявність повідомлення в черзі.

Менеджер сигналів. Використовується для асинхронного взаємодії між завданнями. Завдання може включати в себе процедуру обробки асинхронного сигналу, якій передається управління при отриманні сигналу. Прапор сигналу використовується завданням для того, щоб проінформувати іншу задачу про виникнення нештатної ситуації. Кожній задачі відповідають 32 прапори сигналів. Сукупність одного або більше прапорів називається набором сигналів.

Менеджер завдань. Забезпечує повний набір функцій для створення, видалення і управління завданнями. З точки зору RTEMS, завданням є найменша послідовність команд, яка може самостійно конкурувати за використання системних ресурсів. Кожній задачі відповідає блок контролю завдання TCB (Task Control Block). Цей блок є структурою, яка містить всю інформацію, що стосується виконання завдання. У процесі ініціалізації RTEMS виділяє TCB для кожного завдання, що є в системі. Елементи TCB змінюються відповідно до системними викликами, які виконуються додатком у відповідь на зовнішні запити. Блок TCB - це єдина внутрішня структура даних RTEMS, доступна додатком через додаткові процедури користувача. При перемиканні задач у TCB зберігається контекст завдання. При поверненні управління задачі її контекст відновлюється. При перезапуску завдання вихідний контекст завдання відновлюється відповідно зі стартовим контекстом, що зберігається в TCB. Завдання може знаходитися в одному з п'яти станів: виконання; готовність до виконання (управління може бути передано задачі); зупинка (завдання заблокована); сплячий режим (створена, але не запущена завдання); відсутність завдання (завдання не створена або видалена).

Ядро реального часу RTEMS підтримує 255 рівнів пріоритетів. Чим більше значення пріоритету, тим більше привілейованої є завдання. Кількість завдань, що мають однаковий пріоритет, не обмежена. Кожне завдання завжди має будь-якої рівень пріоритету, початкове значення якого присвоюється при створенні завдання і в подальшому може бути змінено. Режим виконання завдання визначається такими параметрами: витісняємість; обробка асинхронних запитів ASR (Asynchronous Signal Request); квантування часу; рівень переривання. Ці параметри використовуються для розподілу процесорного часу і зміни контексту завдання. Вони задаються користувачем при компіляції системи.

Параметр витісняємості визначає порядок передачі управління між завданнями. Якщо він включений, то завдання збереже контроль над процесором, поки вона перебуває в стані виконання, навіть якщо готова до виконання більш привілейована завдання. Якщо цей параметр вимкнено, то управління буде негайно передано задачі, що має більш високий пріоритет.

Параметр квантування часу визначає, як відбувається розподіл процесорного часу між завданнями з однаковим пріоритетом. Якщо він включений, то RTEMS обмежить час виконання завдання при наявності іншої задачі з таким же пріоритетом, готової до виконання. Час, що виділяється кожної такої задачі, визначається в таблиці конфігурації системи. Якщо квантування часу вимкнено, то завдання буде виконуватись до тих пір, поки не стане готова до виконання завдання з більш високим пріоритетом. Якщо параметр витісняємості вимкнено, параметр квантування часу не враховується.

Параметр обробки асинхронних сигналів (запитів) ASR визначає порядок обробки отриманих завданням сигналів (запитів). Якщо він включений, то послані задачі сигнали будуть оброблені, якщо вимкнено - сигнали будуть оброблені тільки після включення цього параметра. Цей параметр впливає тільки на завдання, що мають процедури обробки зовнішніх сигналів.

Параметр рівня переривання визначає, які переривання можуть оброблятися під час виконання завдання.

Менеджер ініціалізації. Відповідає за запуск і зупинку RTEMS. Ініціалізація RTEMS проводиться шляхом створення та запуску всіх ініціюючих завдань і ініціюючих процедур для кожного драйвера. У разі мультипроцесорної системи відбувається також ініціалізація механізмів міжпроцесорного взаємодії. Ініціюючих завдання відрізняються від решти завдань тим, що вони присутні в таблиці ініціюючих задач користувача і автоматично створюються RTEMS в процесі ініціалізації. Щоб ці задачі виконувалися до запуску решти завдань, вони повинні мати більш високий пріоритет. Після закінчення ініціалізації RTEMS не видаляє ініціюючих завдання, тому такі завдання повинні або самі видалити себе, або трансформуватися в "звичайну" завдання. У будь-якій системі повинна бути, як мінімум, одна ініціюючих завдання.

Менеджер переривань дозволяє швидко реагувати на переривання, забезпечуючи можливість "витіснення" завдання відразу після виходу з процедури обробки переривання. Менеджер переривань також дає програмі користувача можливість підключити процедуру обробки до відповідного вектора переривання. Коли надходить запит переривання, процесор передає його ядру RTEMS. При обслуговуванні запитів переривання RTEMS зберігає і відновлює вміст всіх регістрів, збереження яких не передбачене правилами мови С, а потім викликає налаштовувану процедуру обробки переривання. Для мінімізації часу, протягом якого не обслуговуються запити переривання рівного чи більш низького рівня, процедура обробки повинна виконувати лише мінімальний набір необхідних дій. Подальша обробка повинна здійснюватися програмою користувача. Менеджер переривань гарантує правильний розподіл процесорного часу між завданнями після завершення процедури обробки переривання. Системний виклик, зроблений з процедури обробки переривання, може перевести у стан готовності до виконання завдання з великим пріоритетом, ніж перервана завдання. Тому необхідно провести відкладену диспетчеризацію після завершення процедури обробки переривання. Виклик директив RTEMS з процедури обробки переривання не супроводжується диспетчеризацією.

Для правильного розподілу процесорного часу між завданнями повинно виконуватися така умова: всі процедури обробки переривань, які можуть бути перервані процедурами обробки переривань, що викликають директиви RTEMS з великим пріоритетом, повинні використовувати менеджер переривань. Якщо при обробці переривання надходить новий запит на переривання, його обробка відбувається відразу після завершення поточної процедури обробки. Відкладена диспетчеризація здійснюється тільки після того, як будуть обслужені всі запити. ОСРВ RTEMS підтримує 256 рівнів переривань, що транслюються в рівні переривань процесора.

При виконанні певних директив RTEMS може виникнути необхідність відключення обробки переривань, щоб забезпечити безперервне виконання критичних сегментів програми. Перед виконанням цих сегментів система RTEMS відключає всі маскіруємі переривання. Максимальний час вимикання переривань-різному для різних процесорів і вказується в документації RTEMS для відповідного процесора. Немаскіруємі переривання не відключаються, тому в процедурах їх обробки не повинні використовуватися директиви RTEMS.

Менеджер вводу / виводу. Забезпечує певний механізм доступу до драйверів пристроїв. Якщо в системі використовується цей менеджер, то в конфігураційної Таблиця повинна бути вказана адреса таблиці драйверів пристроїв, яка містить вхідні точки кожного драйвера. Драйвер може мати такі точки входу: ініціалізації, відкриття, закриття, читання, запису, контролю.

Менеджер доступу до пам'яті. Для роботи з пам'яттю служать менеджери розділів і регіонів. Розділ - це область пам'яті, що складається з буферів фіксованої довжини. Кожен з цих буферів може бути виділений для використання за допомогою директив менеджера розділів. Регіон - це область пам'яті змінної довжини, кратній розміру сторінки для даного регіону. Розділ представляє собою список буферів. При запиті на виділення буфера він виділяється з початку списку вільних буферів. Коли буфер звільняється, він поміщається в кінець цього списку. Регіон складається з блоків пам'яті різного розміру, який кратний розміру сторінки для даного регіону. Під час отримання запиту на виділення блоку пам'яті розмір запитаного блоку округляється до цілого кількості сторінок, і за наявності вільного блоку відповідного розміру цей блок виділяється. Менеджер доступу до пам'яті реалізує наступний набір функцій: створення, видалення, установка значень, звільнення, захоплення областей регіонів / розділів і буферів, що містяться в них. Для регіонів реалізується можливість додавання пам'яті.

Менеджер таймерів забезпечує роботу з таймерами: створення та видалення таймерів, доступ до таймерам, запуск підпрограм по події / сигналу від таймера. Цей менеджер може бути використаний для створення охоронного таймера.

Менеджер годин реального часу використовується для інформування користувача про поточну дату. Забезпечує також формування та обробку сигналів про закінчення мінімальних проміжків часу, які задаються на етапі конфігурування системи і рівні цілого числа мікросекунд.

RTEMS не підтримує динамічну завантаження додатків і модулів, тому сферою її застосування є вбудовувані системи, в яких не передбачається часта модифікація програмного забезпечення. ОСРВ RTEMS забезпечує досить слабку підтримку файлових систем, що обмежує область її можливого застосування в сфері систем централізованого збору та зберігання даних стандартними високорівневим засобами. На справжній момент RTEMS підтримує тільки файлові системи IMFS і TFTP, що явно недостатньо. Тому для створення на базі RTEMS файл-серверів потрібна розробка спеціального протоколу. Розуміючи цю проблему, розробники RTEMS ведуть активну роботу з реалізації систем підтримки широко використовуваних файлових систем (у першу чергу мережевих). У RTEMS фактично відсутні резидентні засоби відлагодження. Є тільки стандартні функції rtems_panic і printf, які дозволяють виводити налагоджувальну інформацію на термінал у процесі роботи системи. Слід, однак, відзначити, що наявність потужних засобів крос-розробки робить цей недолік не дуже істотним.

4. ChorusOS
Операційна система ChorusOS - це розширювана вбудовувана ОС, широко застосовувана в телекомунікаційній індустрії. В даний час цей бренд розвивається і поширюється корпорацією Sun Microsystems [CHORUSOS]. Для компонування і розгортання ОС ChorusOS на конкретних телекомунікаційних платформах Sun Microsystems пропонує використовувати середовище розробки Sun Embedded Workshop. Корпорація Sun Microsystems представляє ОС ChorusOS як вбудовується основу для Sun'овской мережі, керованої сервісами (Sun's Service-Driven Network). У поєднанні з широким набором сервісів, повною інтеграцією ПЗ та апаратури, зручним адмініструванням і підтримкою Java-технології, яка присвячена потребам телекомунікації, ОС ChorusOS дає можливість ефективно розгортати нові можливості та програми, підтримуючи надійність і функціональність сучасних мереж.

ОС ChorusOS підтримує на одній апаратній платформі широкий набір телекомунікаційних протоколів, успадкованих додатків, додатків режиму реального часу і Java-технології.

ОС ChorusOS моделює три сорти додатків:

POSIX-процеси становлять більшість додатків ChorusOS; ці програми мають доступ до чисто POSIX API, декільком POSIX-подібним розширеним API і невеликого числа обмежених системних викликів мікроядра,

Актори ChorusOS - ці програми виконуються над мікроядром і обмежуються API мікроядра, актори включають драйвери, події підсистем і протокольні стеки,

Успадковані програми ChorusOS підтримуються для сумісності з додатками, розробленими для більш ранніх версій ChorusOS.

Архітектура ОС ChorusOS є багатошаровою, заснованої на компонентах (component-based). Мікроядро містить мінімальний набір компонентів, необхідних для функціонування ОС

kern - реалізує інтерфейс мікроядра і містить актор KERN, допоміжну бібліотеку і заголовні файли,

менеджер приватних даних (pd) реалізує інтерфейс між підсистемами мікроядра,

менеджер постійної пам'яті (pmm) реалізує інтерфейс постійної пам'яті,

core executive забезпечує істотну частину підтримки реального часу.

Компонент диспетчера ядра (core executive) забезпечує наступну функціональність

підтримка численних незалежних додатків,

підтримка користувацьких і системних додатків,

підтримка актора - одиниці модулярізаціі додатків,

підтримка одиниці виконання - потоку,

операції управління потоками,

управління Local Access Point (LAP),

сервіси управління винятковими ситуаціями,

мінімальний сервіс управління переривань.

У core executive відсутній управління такими сутностями, як синхронізація, планування, час, пам'ять. Політики керування цими поняттями забезпечуються додатковими компонентами, які вибираються користувачем в залежності від вимог апаратних і програмних засобів. Core executive завжди присутній у виконуваному примірнику ОС ChorusOS, інші компоненти конфігуруються і додаються по необхідності. Розмір резидентної частина ядра складає 10Kb.

Поняття "актор" в ChorusOS визначається як одиниця завантаження для програми. Воно також служить одиницею інкапсуляції для того, щоб зіставити всі системні ресурси, що використовуються додатком, і потоки, що виконуються всередині актора. Прикладами таких ресурсів є потоки, регіони пам'яті і кінцеві точки взаємодії.

Необов'язкові компоненти ОС ChorusOS 5.0 розбиваються відповідно до функціональністю:

Управління діяльністю (Actor management) включає підтримку розширення режиму користувача, динамічні бібліотеки, управління стиснутими файлами;

Планування (Scheduling) включає планування в стилі FIFO (first-in-first-out), різностильних планування (multi-class scheduling), циклічне планування (round-robin), планування в режимі реального часу;

Управління пам'яттю включає, крім розподілу пам'яті, підтримки апаратного захисту і підкачки, ще й статистику мікроядра, події системи Solaris, метрики операційної системи;

Працездатність (High Availability) включає гарячий рестарт, сторожовий таймер (Watchdog timer), чорний ящик, дамп системи;

Синхронізація потоків включає семафори, набори прапорів подій, мьютекс, монопольні блокування, що забезпечують відсутність інверсії пріоритетів;

Управління часом включає періодичні таймери, потоковий віртуальний таймер, дата і час, датчик реального часу, змінні оточення;

Взаємодія потоків включає незалежне від місцезнаходження взаємодія, підтримку віддаленого взаємодії, механізм взаємодії через поштові скриньки, синхронізацію між потоками, приватні дані потоку, а також такі засоби взаємодії системи POSIX, як семафори, сокети, потоки, таймери, черги повідомлень, об'єкти поділюваної пам'яті, сигнали реального часу;

Інструментальна підтримка включає системну журналізацію, реєстрацію помилок, підтримку профілювання і контрольних точок, моніторинг системи, налагодження системи, дамп ядра;

Підтримка мови C включає командний інтерпретатор на цільовому комп'ютері, віддалений shell;

Підтримка файлової системи включає іменовані канали, NFS-клієнт, NFS-сервер, файлові системи MS-DOS, PDE, / proc, UFS, ISO9000;

Управління введенням / виводом включає підтримку драйверів деяких пристроїв;

Мережева підтримка включає підтримку деяких мережевих протоколів.

Виділення управління пам'яттю в окремий необов'язковий компонент дозволяє легко адаптувати систему до різних апаратних платформ.

ОС ChorusOS 5.0 лежить в основі операційного середовища Solaris і підтримує такі цільові платформи:

UltraSPARC II (CP1500 і CP20x0),

Intel x86, Pentium,

Motorola PowerPC 750 і сімейство процесорів 74x0 (mpc7xx),

Motorola PowerQUICC I (mpc8xx) і PowerQUICC II (mpc8260) (мікроконтролери).

Рис.3. Архітектура ChorusOS.

5. Розширення реального часу для Windows NT
Windows NT проектувалася і, в основному, використовується як універсальна ОС. Однак на ринку систем реального часу чітко простежується тенденція використовувати Windows NT і її розширення в спеціалізованих системах. На це існує кілька причин:

Windows NT проектувалася відповідно до сучасних технологій побудови ОС,

програмний інтерфейс додатків (API) для Win32 став де-факто стандартом для програмістів,

графічний користувальницький інтерфейс (GUI) став настільки популярним, що інші ОС намагаються забезпечити схожий інтерфейс,

доступна велика кількість драйверів пристроїв,

доступні багато потужні інтегровані середовища розробки.

Сама по собі Windows NT не підходить для застосування в системах реального часу, оскільки в ній дуже мало пріоритетних рівнів, відсутній механізм успадкування пріоритетів. Для мінімізації часу обробки переривань (ISR) в Windows NT введена концепція відкладеного виклику процедури (DPC - deferred procedure call), пріоритет якої вище, ніж пріоритет для користувача і системних потоків, у той час як всі DPC мають однаковий пріоритет. Це призводить до того, що всі DPC ставляться в чергу FIFO, і DPC з високорівневим перериванням зможе виконатися тільки після того, як всі інші DPC, що стоять в черзі перед нею, будуть виконані. Такі ситуації ведуть до непередбачуваних часи відгуку, що несумісно з вимогами до ОСРВ. Управління пам'яттю в Windows NT засновано на механізмі віртуальної пам'яті. Це тягне за собою захист пам'яті, трансляцію адрес і підкачування, яка неприйнятна в ОСРВ.

5.1 RTX для Windows NT
Розширення реального часу RTX (Real Time Extension) для ОС Windows NT (розроблено корпорацією VenturСom) дозволяє створювати додатки для високошвидкісного керування з детермінованим часом реакції на зовнішні події [RTX].

RTX глибоко інтегроване в ядро Windows NT і для забезпечення необхідних функцій використовує сервіс Windows NT і API WIN32. Ядро реального часу (nucleus) інтегровано у ядро NT (kernel). Кожен процес RTX виконується як драйвер пристрою ядра NT, при цьому процеси не захищені один від одного. Така реалізація приводить до швидкого переключення контексту, але небезпечна з точки зору конфіденційності.

Розширення реального часу додають до Windows NT специфічну для реального часу функціональність.

Забезпечується можливість створювати процеси реального часу, керовані власним планувальником. Цей планувальник працює вже за правилами реального часу і використовує алгоритм витіснення за пріоритетами. Крім того, процеси реального часу мають перевагу перед стандартними процесами Win32, витісняючи їх. Процеси реального часу мають зовсім іншу, порівняно зі стандартними процесами Windows NT, ступінь надійності і специфічну функціональність.

Процеси реального часу і стандартні процеси Win32 мають засоби взаємодії один з одним.

Процеси реального часу мають свій власний програмний інтерфейс RTAPI, що реалізує розвинений набір засобів, характерний для програмних інтерфейсів (API) ОСРВ.

Додаток може використати як стандартні функції Win32, так і специфічні функції API реального часу (RTAPI), що дозволяє виділяти критичні ділянки коду додатків Windows NT і контролювати час та надійність їх виконання.

Є можливість контролю над працездатністю і часом реакції системи. Зависання стандартних програм Windows NT або крах системи не призводять до зависання додатків реального часу.

Надається можливість роботи зі швидкими годинником і таймерами високого дозволу.

Забезпечується можливість прямого доступу до пам'яті та фізичним пристроям.

RTX включає в себе наступні компоненти:

рівень абстракції апаратури HAL (Hardware Abstraction Layer) реального часу (Real-Time HAL). HAL є програмним компонентом найнижчого рівня при взаємодії драйверів ядра з апаратурою. Зокрема, саме на рівні HAL відбувається первинна обробка переривань від таймера,

підсистему реального часу RTSS (Real-Time Subsystem),

програмний інтерфейс розширень реального часу RTAPI (Real-Time Application Programming Interface). HAL реального часу підміняє стандартний HAL Windows NT.

Підсистема реального часу RTSS забезпечує виконання більшості функцій і керування ресурсами розширень реального часу. З точки зору реалізації, RTSS виглядає як драйвер Windows NT і виконується в режимі ядра. Це дозволяє досить простим способом влаштувати взаємодія між процесами реального часу і процесами Windows NT. RTSS забезпечує виконання функцій RTAPI і містить планувальник потоків реального часу з 128-ю фіксованими пріоритетами. RTSS містить також менеджер об'єктів, що надає уніфікованих механізмів використання системних ресурсів. У порівнянні з набором об'єктів Windows NT, додані такі об'єкти, як таймери і обробники переривань.

Страницы: 1, 2