Operační systém reálného času

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie

Operační systém reálného času (anglicky real-time operating system, zkratka RTOS) je v informatice multitaskingový operační systém zaměřený na běh úloh (procesů) reálného času. Uplatňuje se například v oblastech:

Obsah

1 Základní charakteristika RTOS
2 Definice RTOS
3 Příklady RTOS
4 Hard real time OS
5 Soft real time OS
6 Plánovač RTOS
7 Odkazy

[editovat] Základní charakteristika RTOS

Dalo by se říci, že RTOS se snaží o systém reálného času, ale negarantuje ho. RTOS ani nemusí být systém vysoké výkonosti. Snahou real-time aplikací je spíše dodržet jisté deadlines a to buď „více méně“ u tzv. soft real time OS (měkké RTOS) nebo deterministicky hard real time (tvrdé RTOS). Dělení na soft a hard je také jedno ze základních dělení RTOS. RTOS typicky používají speciální plánovače, aby bylo dosahováno deterministického chování (vzhledem ke spuštěným procesům). Mezi hlavní faktory RTOS patří:

minimální latence při reakci na událost
minimální latence při přepínání vláken
někdy nutnost malých rozměrů, viz Embedded systémy
minimalizace časových okamžiků, kdy je vypnuto přerušení
preemptivní plánování založené na prioritách

Další charakteristické vlastnosti:

Správná funkce závisí nejen na výpočetním výsledku, ale také na čase, kdy ho bude dosaženo.
Obvykle malé systémy se specializovaným použitím, případně jako nadstavba větších OS (Windows, Linux)

[editovat] Definice RTOS

Určitě sem nelze vypsat jednu jedinou definici a tak uvedeme několik běžných, často se vyskytujících.

[editovat] 1. Definice

Real-time systém je systém, ve kterém správnost výstupu je závislá nejen na správnosti výsledku výpočtu, ale též na čase, v němž je výsledek spočten.

[editovat] 2. Definice

Real-time systém je systém, který reaguje předvídatelným způsobem na nepředvídatelné externí události.

[editovat] 3. Definice

Pokud lze dokázat, že realtime systém splní svá ultimáta (deadlines) (a to za použití chování systému v nejhorším možném případě, nikoliv analýzou průměrného chování systému), potom můžeme říci, že chování systému je předvídatelné.

[editovat] Příklady RTOS

RTOS může být jak systém speciálně vyvinutý jako RT nebo klasický systém (Windows, Linux) s doinstalovaným vybavením, případně upraveným jádrem.

[editovat] Windows

Windows NT/2000/XP v základním provedení nejsou operační systémy reálného času. OS byly vyvinuty především pro domácí a kancelářské aplikace, nicméně jejich použitelnost jako RTOS byla Microsoftem zkoumána.

Hlavní důvody proč nemohou být použity jako RTOS jsou:

málo priorit vláken
nedeterminismus plánovače
kvantitativní parametry OS musí být známé
malé rozlišení časovače (5ms)
nedostatečná rychlost přepínání kontextu

Existují však doplňky, které mají rozšířit možnosti Windows na RTOS. Jedním z nich je například RTX (Real-Time eXtension) od společnosti VenturCom.

RTX

zkracuje rozlišitelnou jednotku času z 5ms na 20mikrosekund
nezávislý plánovač vláken

Po nainstalování RTX zůstavají zachovány vlastnosti Windows jako běžného operačního systému.

[editovat] RTLinux

RTLinux je malý a rychlý operační systém, který je v souladu s normou POSIX 1003.13, což je architektura pro minimální operační systémy reálného času. RTLinux lze považovat za úplný operační systém s předvídatelnou činností v reálném čase, bez rozhraní pro standardní Linux bez reálného času. Vlákna RTLinuxu jsou zpracovány přímo plánovacím algoritmem s pevnou prioritou. Jádro a všechny procesy standardního Linuxu jsou řízeny plánovačem RTLinuxu jako úlohy v pozadí. RTLinux vytváří úplný obecný operační systém, který běží nad malým předem definovaným jádrem RTOS.

[editovat] VxWorks 6.x

je operační systém pro řízení v reálném čase, který se vyznačuje RT mikrojádrem wind. Toto jádro zahrnuje většinu nástrojů pro podporu reálného času. Patří k nejrozšířenějším operačním systémům reálného času zejména v oblasti průmyslových aplikací [embbended systém]ů. Mezi základní charakteristiky patří:

Neomezený počet procesů/úloh
Preemptivní plánování
256 úrovní priorit
rychlá a flexibilní meziprocesová komunikace
dědění priorit
fronty zpráv
signály
roury
sokety
podporovaná CPU: PowerPC, ARM, Intel x86, ...
není POSIX kompatibilní (řeší některé nedostatky specifikace)

Mikrojádro je navrženo s minimální režii systému, což umožňuje rychlou a deterministickou odezvu na externí událost. Tento systém je bezpečný i při použití v kritických aplikačních úlohách (byl použit v aplikacích meziplanetárního výzkumu). Systém je kompatibilní s řadou průmyslových standardů a lze jej používat na běžných CPU.

[editovat] Determinismus

Operace jsou prováděny ve fixovaných, předem určených časech nebo časových intervalech.
Reakce na přerušení musí proběhnout tak, aby systém byl schopen obsluhy všech požadavků v požadovaném čase.

[editovat] Hard real time OS

Tzv. tvrdý real time OS. Zde je požadavek na stanovení času reakce absolutní. Na RTOS klademe většinou následující požadavky

preemptivní plánovač
velký počet nastavitelných priorit vláken
přesné hodiny reálného času

Můžeme také říci: systém je hard-real time, pokud by případné nedodržení časových limitů mělo katastrofální následky

[editovat] Soft real time OS

Na rozdíl od hard real time OS se u soft real time OS dovolují drobné odchylky v reakcích.

[editovat] Plánovač RTOS

RTOS mnohdy využívají plánovací algoritmy, které se liší od plánovačů běžných OS. Nejčastější z nich jsou:

Rate monotonic scheduling (RMS)
Earliest deadline First (EDF)

[editovat] Odkazy

[editovat] Související články

[editovat] Externí odkazy

[editovat] Česky

[editovat] Anglicky

[editovat] Literatura

JOSEPH, M.. Real-Time Systems Specification, Verification and Analysis. London : Prentice Hall, 1996. ISBN 0-13-455297-0.