Автоматизированное управление мобильным роботом

7.1. Введение: Особенности операционных систем реального времени

При работе с реальными движущимися устройствами (чем, по сути, и является робот) мы сталкиваемся с необходимостью как можно скорее реагировать на внешние события. Для решения этой задачи существует специализированный класс операционных систем.

Операционные системы реального времени (ОСРВ) предназначены для обеспечения интерфейса к ресурсам критических по времени систем реального времени. Основной задачей в таких системах является своевременность (timeliness) выполнения обработки данных.

В качестве основного требования к ОСРВ выдвигается требование обеспечения предсказуемости или детерминированности поведения системы в наихудших внешних условиях, что резко отличается от требований к производительности и быстродействию универсальных ОС. Хорошая ОСРВ имеет предсказуемое поведение при всех сценариях системной загрузки (одновременные прерывания и выполнение потоков).

Существует некое различие между системами реального времени и встроенными системами. От встроенной системы не всегда требуется, чтобы она имела предсказуемое поведение, и в таком случае она не является системой реального времени. Однако даже беглый взгляд на возможные встроенные системы позволяет утверждать, что большинство встроенных систем нуждается в предсказуемом поведении, по крайней мере, для некоторой функциональности, и таким образом, эти системы можно отнести к системам реального времени.

Принято различать системы мягкого (soft) и жесткого (hard) реального времени. В системах жесткого реального времени неспособность обеспечить реакцию на какие-либо события в заданное время ведет к отказам и невозможности выполнения поставленной задачи. В большинстве русскоязычной литературы такие системы называют системами с детерминированным временем. При практическом применении время реакции должно быть минимальным. Системами мягкого реального времени называются системы, не попадающие под определение "жесткие", т.к. в литературе четкого определения для них пока нет. Системы мягкого реального времени могут не успевать решать задачу, но это не приводит к отказу системы в целом. В системах реального времени необходимо введение некоторого директивного срока (в англоязычной литературе - deadline), до истечения которого задача должна обязательно (для систем мягкого реального времени - желательно) выполниться. Этот директивный срок используется планировщиком задач как для назначения приоритета задачи при ее запу ске, так и при выборе задачи на выполнение.

Мартин Тиммерман сформулировал следующие необходимые требования для ОСРВ:

• ОС должна быть многозадачной и допускающей вытеснение (preemptable),
• ОС должна обладать понятием приоритета для потоков,
• ОС должна поддерживать предсказуемые механизмы синхронизации,
• ОС должна обеспечивать механизм наследования приоритетов,
• поведение ОС должно быть известным и предсказуемым (задержки обработки прерываний, задержки переключения задач, задержки драйверов и т.д.); это значит, что во всех сценариях рабочей нагрузки системы должно быть определено максимальное время отклика.

В течение последних 25-30 лет структура операционных систем эволюционировала от монолитной к многослойной структуре ОС и далее к архитектуре клиент-сервер. При монолитной структуре ОС состоит из набора модулей, и изменения одного модуля влияют на другие модули. Чем больше модулей, тем больше хаоса при эксплуатации такой системы. Кроме того, невозможно распределить ОС в многопроцессорной системе. В многослойной структуре изменения одного слоя влияют на соседние слои; кроме того, обращение через слой невозможно. Для систем реального времени должно быть обеспечено прямое обращение к каждому слою ОС, а иногда напрямую к аппаратуре.

Основной идеей клиент-серверной технологии в ОС является сведение базиса ОС к минимуму (планировщик и примитивы синхронизации). Вся остальная функциональность выносится на другой уровень и реализуется через потоки или задачи. Совокупность таких серверных задач отвечает за системные вызовы. Приложения являются клиентами, которые запрашивают сервисы через системные вызовы.

Клиент-серверная технология позволяет создавать масштабируемые ОС и упрощает распределение в многопроцессорной системе. При эксплуатации системы замена одного модуля не вызывает эффекта "снежного кома"; кроме того, сбой модуля не всегда влечет за собой отказ системы в целом. Появилась возможность динамической загрузки и отгрузки модулей. Главной проблемой в этой модели является защита памяти, поскольку серверные процессы должны быть защищены. При каждом запросе сервиса система должна переключаться с контекста приложения на контекст сервера. При поддержке защиты памяти время переключения с одного процесса на другой увеличивается.

Как правило, большинство современных ОСРВ построено на основе микроядра (kernel или nucleus), которое обеспечивает планирование и диспетчеризацию задач, а также осуществляет их взаимодействие. Несмотря на сведение к минимуму в ядре абстракций ОС, микроядро все же должно иметь представление об абстракции процесса. Все остальные концептуальные абстракции операционных систем вынесены за пределы ядра, вызываются по запросу и выполняются как приложения.

Рассмотрим концептуальные абстракции операционной системы через призму требований к системам реального времени.

7.2. Процессы, потоки, задачи

Концепция многозадачности (псевдопараллелизм) является существенной для системы реального времени с одним процессором, приложения которой должны быть способны обрабатывать многочисленные внешние события, происходящие практически одновременно. Концепция процесса, пришедшая из мира UNIX, плохо реализуется в многозадачной системе, поскольку процесс имеет тяжелый контекст. Возникает понятие потока (thread), который понимается как подпроцесс, или легковесный процесс (light-weight process). Потоки существуют в одном контексте процесса, поэтому переключение между потоками происходит очень быстро, а вопросы безопасности не принимаются во внимание. Потоки являются легковесными, потому что их регистровый контекст меньше, т.е. их управляющие блоки намного компактнее. Уменьшаются накладные расходы, вызванные сохранением и восстановлением управляющих блоков прерываемых потоков. Объем управляющих блоков зависит от конфигурации памяти. Если потоки выполняются в разных адресных пространствах, система должна поддерживать отображение памяти для каждого набора потоков.

Итак, в системах реального времени процесс распадается на задачи или потоки. В любом случае каждый процесс рассматривается как приложение. Между этими приложениями не должно быть слишком много взаимодействий, и в большинстве случаев они имеют различную природу - жесткого реального времени, мягкого реального времени, не реального времени.

7.3. Планирование, приоритеты

В связи с проблемой дедлайнов главной проблемой в ОСРВ становится планирование задач (scheduling), которое обеспечивало бы предсказуемое поведение системы при всех обстоятельствах. Процесс с дедлайнами должен стартовать и выполняться так, чтобы он не пропустил ни одного своего дедлайна. Если это невозможно, процесс должен быть отклонен.

В связи с проблемами планирования в ОСРВ изучаются и развиваются два подхода - статические алгоритмы планирования (RMS - Rate Monotonic Scheduling) и динамические алгоритмы планирования (EDF - Earliest Deadline First).

RMS используется для формального доказательства условий предсказуемости системы. Для реализации этой теории необходимо планирование на основе приоритетов, прерывающих обслуживание (preemptive priority scheduling). В теории RMS приоритет заранее назначается каждому процессу. Процессы должны удовлетворять следующим условиям:

• процесс должен быть завершен за время его периода,
• процессы не зависят друг от друга,
• каждому процессу требуется одинаковое процессорное время на каждом интервале,
• у непериодических процессов нет жестких сроков,
• прерывание процесса происходит за ограниченное время.

Процессы выполняются в соответствии с приоритетами. При планировании RMS предпочтение отдается задачам с самыми короткими периодами выполнения.

В EDF приоритет присваивается динамически, и наибольший приоритет выставляется процессу, у которого осталось наименьшее время выполнения. При больших загрузках системы у EDF имеются преимущества перед RMS.

Во всех системах реального времени требуется политика планирования, управляемая дедлайнами (deadline-driven scheduling). Однако этот подход находится в стадии разработки.

Обычно в ОСРВ используется планирование с приоритетами, прерывающими обслуживание, которое основано на RMS. Приоритетное прерывание обслуживания (preemption) является неотъемлемой составляющей ОСРВ, т.к. в системе реального времени должны существовать гарантии того, что событие с высоким приоритетом будет обработано перед событием более низкого приоритета. Все это ведет к тому, что ОСРВ нуждается не только в механизме планирования на основе приоритетов, прерывающих обслуживание, но также и в соответствующем механизме управления прерываниями. Более того, ОСРВ должна быть способна запрещать прерывания, когда необходимо выполнить критический код, который нельзя прерывать. Длительность обработки прерываний должна быть сведена к минимуму.

ОСРВ должна обладать развитой системой приоритетов. Во-первых, это требуется потому, что система сама может рассматриваться как набор серверных приложений, подразделяющихся на потоки, и несколько высоких уровней приоритетов должно быть выделено системным процессам и потокам. Во-вторых, в сложных приложениях необходимо все потоки реального времени помещать на разные приоритетные уровни, а потоки не реального времени помещать на один уровень (ниже, чем любые потоки реального времени). При этом потоки не реального времени можно обрабатывать в режиме циклического планирования (RRS - round-robin scheduling), при котором каждому процессу предоставляется квант времени процессора, а когда квант заканчивается, контекст процесса сохраняется, и он ставится в конец очереди. Во многих ОСРВ для планирования задач на одном уровне используется RRS. Приоритетный уровень 0 обычно используется для холостого режима.

При планировании на основе приоритетов необходимо решить две обязательные проблемы:

• обеспечить выполнение процесса с наивысшим приоритетом,
• не допустить инверсии приоритетов, когда задачи с высокими приоритетами ожидают ресурсы, захваченные задачами с более низкими приоритетами.

Для борьбы с инверсией приоритетов в ОСРВ часто используется механизм наследования приоритетов, однако при этом приходится отказываться от планирования на основе RMS, поскольку приоритеты становятся динамическими.