Системы реального времени

Системы реального времени Индексы дисциплины в учебном плане: ОПД. Р.02
ЭИУ3-КФ Системы автоматического управления
Доцент, к. т.н., , e-mail: *****@***ru
Виды и объем занятий по дисциплине для 160403 Системы управления летательными аппаратами
Цель и планируемые результаты изучения дисциплины: Студент должен знать: ·  устройство и принцип функционирования систем реального времени как комплекса аппаратно-программных средств; ·  устройство и принципы функционирования компонентов систем реального времени; ·  особенности технической реализации систем реального времени; ·  механизмы реального времени в операционных системах. Студент должен уметь: ·  определять структуру и компонентный состав системы реального времени; ·  выбирать аппаратные и программные компоненты, наиболее подходящие для построения системы реального времени, грамотно обосновать свой выбор; ·  разрабатывать программное обеспечение систем реального времени. Студент должен владеть: ·  приемами отладки и тестирования программного обеспечения систем реального времени; ·  приемами конфигурирования операционных системы реального времени.
	Место дисциплины в образовательной программе 1. Предшествующие дисциплины ·  Математическое моделирование объектов и систем управления ·  Методы и алгоритмы обработки сигналов и изображений 2. Является основой для дисциплин: ·  Автоматизированное проектирование средств и систем управления
	Структура и ключевые понятия дисциплины: 1. Лекции 1.1. Введение в системы реального времени. Основные понятия и определения. Определение системы реального времени (СРВ). Обобщённая структура СРВ. Основные области применения и требования к СРВ. Классификация СРВ (Системы жесткого и мягкого реального времени, статические и динамические СРВ, однонаправленные и двунаправленные СРВ, стабильные и потенциально нестабильные СРВ, универсальные и специализированные СРВ). Операционные системы реального времени (ОСРВ) и их отличие от операционных систем общего назначения. 1.2. Элементы СРВ. Типы компьютеров, применяемых в СРВ (персональные компьютеры как компоненты SCADA-систем, промышленные компьютеры, промышленные ноутбуки, панельные компьютеры, модульные компьютеры). Примеры промышленных компьютеров (встраиваемые компьютеры, платы в формате РС/104 и PC/104-Plus, одноплатные компьютеры форматов EPIC, EBX, Biscuit РC 3,5" и Biscuit РC5,25", встраиваемые системы стандарта MicroPC, магистрально-модульные системы CompactPCI, VME, ATCA). 1.3. Операционные системы реального времени (ОСРВ). Понятие и характеристики (время реакции системы на прерывание - interrupt latency, время реакции задачи - task response, время переключения контекста - context switch, задержка диспетчеризации - scheduling latency, максимальное время исполнения системных вызовов, максимальное время блокирования прерываний, неустойчивость таймера - timer jitter, время перезагрузки системы). Основные требования к ОСРВ. Проблема инверсии приоритетов. Механизмы реального времени. Типы ОСРВ (по способу разработки программного обеспечения, по происхождению, по внутреннему строению). 1.4. Архитектура ОСРВ. Монолитные ОС. Уровневые ОС. Архитектура клиент-сервер. Объектная архитектура на основе объектов-микроядер. Функции ядра ОСРВ. Профили прикладных контекстов реального времени (Application Environment Profiles, АЕР). Примеры ОСРВ (QNX, VxWorks, VSPWorks, OS-9). Поддержка режима реального времени в универсальных ОС. Приложения реального времени в ОС Windows NT (модификация уровня аппаратных абстракций, дополнение стандартного ядра Windows NT ядром реального времени). Приложения реального времени в ОС Linux. Проект RT-Linux. 1.5. Планирование процессов и потоков в ОСРВ. Планирование в ОС общего назначения (UNIX SVR4, Linux, Windows). Планирование в ОСРВ. Вытесняющее планирование с использованием круговой стратегии. Невытесняющее планирование на основе приоритетов. Вытесняющее планирование на основе приоритетов с точками вытеснения. Вытесняющее планирование на основе приоритетов с немедленным вытеснением. Выбор алгоритма планирования. Виды алгоритмов планирования (статические алгоритмы, динамические алгоритмы, статическое планирование с использованием таблиц, Статическое вытесняющее планирование на основе приоритетов, динамическое планирование на основе расписания, динамическое планирование наилучшего результата, планирование с предельными сроками). Виды задач (периодические, апериодические, спорадические). Планирование периодических задач: частотно-монотонное планирование (Rate Monotonic Scheduling - RMS), самый ранний крайний срок сначала (Earliest Deadline First - EDF), наименьшее время сначала (Least Slack Time First - LSTF). Планирование апериодических задач (Фоновая политика, политика выбора, политика сохранения ресурса, политика спорадического сервера). Примеры реализации планирования в ОСРВ. Планирование задач в мультипроцессорных (распределенных) системах. 1.6. Время в СРВ. Время и таймеры. Физическое время. Логическое время. Алгоритм Lamport'а. Алгоритмы синхронизации часов (алгоритмы с использованием приемника UTC, алгоритмы без использования приемника UTC, алгоритмы крупномасштабной синхронизации). Время в компьютере. Использование таймеров. 1.7. Межпроцессное взаимодействие в ОСРВ. Механизмы межзадачного взаимодействия. Семафоры. Мьютексы. События. Сигналы. Средства для работы с разделяемой памятью. Каналы данных (pipes). Очереди сообщений. Межпроцессное взаимодействие в ОСРВ QNX (cообщения, прокси, сигналы). 2. Практические занятия 2.1. Основные понятия и определения. Области применения и требования к СРВ. Классификация СРВ. 2.2. Элементы СРВ. Типы компьютеров, применяемых в СРВ. 2.3. Операционные системы реального времени. 2.4. Архитектура ОСРВ. Типы архитектур и их сравнительная характеристика. Поддержка режима реального времени в универсальных ОС. 2.5. Планирование процессов и потоков в ОСРВ. 2.6. Время и таймеры. Алгоритмы синхронизации системных часов. 2.7. Межпроцессное взаимодействие в ОСРВ. 3. Лабораторные работы 3.1. Лабораторная работа № 1. Система разработки программного обеспечения для операционной системы реального времени QNX Neutrino (QNX Software Development Platform). Цель работы: Практическое знакомство с системой разработки программного обеспечения (ПО) для операционной системы реального времени (ОСРВ) на примере QNX Software Development Platform. Задачи работы: Выполнить установку и первоначальную настройку QNX Software Development Platform (QNX SDP) и целевой системы QNX Neutrino runtime system (QNX Neutrino RTS). Изучить компонентный состав, функции и основные приемы работы с QNX SDP и QNX Neutrino RTS. Изучить этапы создания программ для целевых платформ под управлением QNX Neutrino RTS. Подготовить в среде QNX SDP и выполнить на целевой платформе с архитектурой x86 простую тестовую программу. 3.2. Лабораторная работа № 2. Процессы и потоки в ОС QNX. Цель работы: Практическое изучение основных системных функций управления потоками в ОС QNX. Задачи работы: Изучить готовый пример многопоточной программы для ОС QNX. Написать собственную программу, использующую потоки. Отладить и протестировать написанную программу на целевой платформе. 3.3. Лабораторная работа № 3. Синхронизация потоков. Цель работы: Практическое изучение методов синхронизации потоков в ОС QNX. Задачи работы: Изучить готовый пример многопоточной программы для ОС QNX, использующей мьютексы. Написать программу в соответствии с заданием. Отладить и протестировать написанную программу на целевой платформе. 3.4. Лабораторная работа № 4. Межпроцессное взаимодействие. Цель работы: Практическое изучение методов межпроцессного взаимодействия в ОС QNX. Задачи работы: Изучить Изучить готовые примеры программ для ОС QNX, использующих различные механизмы межпроцессного взаимодействия. Написать программу в соответствии с заданием. Отладить и протестировать написанную программу на целевой платформе. 4. Самостоятельная работа Текущая самостоятельная работа студентов включает: 1.  проработку лекционного материала (30 час.) 2.  подготовку к лабораторным работам (20 час.) 3.  подготовку к рубежному контролю (4 час.) 4.  проработка материала для самостоятельного изучения (14 час.)