Я разработал немногим более 10 электронных устройств и вполне обходился в их низкоруровневой работе без операционной системы. Ситуация поменялась, когда функционал следующего девайса резко расширился. Кроме того, появилась необходимость в задаче, которая вызывается через заданные интервалы времени, причем точность вызова влияет на результат. Также стало понятно, что написать все ПО за выделенное время не получится, и оно будет создано позже. После недолгих размышлений я понял, что в проект необходимо включить операционную систему реального времени (ОСРВ или RTOS).
В отличие от ПК, где ОС – это больше слой для работы с системными ресурсами, для микроконтроллера ОСРВ – это в первую очередь планировщик задач, собственно он и играет главную роль в «реальном времени». На данный момент для меня важно обеспечить так называемое «псевдопараллельное» выполнение задач. То есть существует несколько задач с одинаковым приоритетом и важно вызывать их в заданном порядке через заданные интервалы времени.
Нагляден следующий пример: в проекте Евробот 2011 в системе присутствовало 18 периферийных устройств. 2 электронных платы можно было по функционалу объединить в одно. Снизилась бы их стоимость, повысилась надежность (уменьшили число компонентов в системе), увеличилось количество свободного места в корпусе. Обстоятельство осложняет то, что число задач растет пропорционально и тут уже не обойтись без ОС. Также ОСРВ помогает избежать возможных простоев работы процессора, например, во время преобразования АЦП вы можете заблокировать эту задачу и выполнять другие, тем самым правильно распределяя работу устройства. Важно и то, что теперь устройство не упадет из-за сбоя в задаче, вместо этого возможно сохранение частичной работоспособности (хотя это и может привести к непредсказуемым результатам). За счет чего мы обеспечиваем рост этих показателей? По сути, мы выжимаем из МК все возможное, эффективно используя его вычислительные возможности.
После недолгих поисков выбор пал на freeRTOS. Эта ОСРВ распространяется в исходниках на С и портирована на 27 архитектур. Последнее обстоятельство для меня – решающее. Оно снизит трудозатраты при работе с МК других производителей. Сейчас же меня больше интересует порт для AVR.
Наличие ОСРВ freeRTOS в проекте съедает у вас около 9.8 Кб памяти программ и 1.8 Кб ОЗУ. К примеру для ATmega32 и компиляторе WinAVR это 60% и 85% соответственно. Уже для этой модели создать девайс с большим функционалом сложно – не хватит памяти. Но эта проблема отпадает при использовании новых моделей AVR. Это совершенно нипочем для Mega2560 с ее 256Кб памяти программ и 8 Кб ОЗУ. Тенденция будущих МК только сопутствует успеху ОСРВ.
Бегло пробежавшись по рунету, я с удивлением обнаружил, что нет документации на ОС на русском языке. Да какое тут! Оригинальная документация распространяется за дополнительную стоимость. Ситуацию упростила статья Андрея Курница ([email protected]) из журнала «Компоненты и технологи». По согласию с автором я буду использовать материалы статьи в переработанном варианте. Его статья вполне может послужить документацией на русском языке. Но оригинал недоступен в печатном виде, сайт журнала лежит, поэтому материал придется немного переработать. В целом, автор сделал отличную статью и нет смысла еще раз пройтись по теории, она будет полностью опубликована здесь. Оригинал статьи будет приложен в конце публикации. Также я заметил, что у пользователей возникли трудности при компиляции ОСРВ. Это связано с тем, что используется внешний makefile, в котором прописаны пути к папкам. Поэтому я приложу готовый проект в виде шаблона для AVR Studio и AVR Eclipse. К сожалению, родной makefile не выводит отладочную информацию, такую, как степень занятости ОЗУ и памяти программ, это пришлось пофиксить, добавив соответствующий стандартный вызов.
Итак, кратко про необходимость, в вашем проекте желательно использовать ОСРВ, если необходимо:
Организовать мультизадачность и поочередное выполнение задач
Обеспечить запуск задачи через строго определенные интервалы времени
Передать информацию от одной задачи к другой
Добавлять по мере необходимости новые задачи
Преимущества ОСРВ перед М К:
- Многозадачность. ОСРВ предоставляет программисту готовый, отлаженный механизм многозадачности. Каждую задачу в простом случае можно программировать отдельно, всю работу разбить между несколькими членами команды. Не нужно заботиться о переключении между задачами, это сделает планировщик.
- Временная база. Необходимо отмерять интервалы времени. ОСРВ должна иметь этот инструмент. Он позволит выполнять действия через строго выделенные интервалы времени.
- Обмен данными между задачами. Для этого в ОСРВ используется очередь.
- Синхронизация. Если разные задачи используют один и тот же ресурс, например последовательный порт, то можно использовать мьютексы и критические секции. Если необходимо выполнять задачи в строгой последовательности или при наступлении определенного события, то можно использовать семафоры или сигналы для синхронизации задач.
Недостатки ОСРВ :
1. Резкое увеличение потребной памяти программ для реализации ядра
2. Увеличение потребной ОЗУ для хранения стека каждой задачи, семафоров, очередей, мьютексов и других объектов ядра системы.
3. Задержки при переключении между задачами на сохранение контекста.
Описание freeRTOS :
FreeRTOS – это бесплатная ОС жесткого реального времени с открытым исходным кодом. Преимущественно написана на С, но присутствуют ассемблерные вставки. Она была разработана компанией Real Time Engineers ltd специально для встраиваемых систем. Недавно начал развиваться проект «SafeRTOS»- доработанный, документированный, протестированный и прошедший сертификацию на соответствие стандарту безопасности IEC 61508 вариант FreeRTOS. Этим проектом занималась немецкая компания и теперь safeRTOS используется в аэрокосмической промышленности и медицинской технике. Также существует проект openRTOS - коммерческая версия с гарантией производителя.
Основные характеристики freeRTOS :
1. Планировщик поддерживает 3 типа многозадачности:
Вытесняющую
Кооперативную
Гибридную
2. Размер ядра составляет 9.8 Кб в скомпилированном виде для AVR. (WINAVR)
3. Основа ядра – 4 файла на С.
4. Поддерживает задачи и сопрограммы. Сопрограммы специально созданы для МК с малым объемом ОЗУ.
5. Богатые возможности трассировки.
6. Есть возможность отслеживать переполнение стека.
7. Нет программных ограничений на количество одновременно выполняемых задач.
8. Нет ограничения на количество приоритетов задач.
9. Нескольким задачам может быть назначен одинаковый приоритет
10. Развитые средства синхронизации «задача-задача» и «задача-прерывание»:
Очереди
Двоичные семафоры
Счетные семафоры
Рекурсивные семафоры
Мьютексы
11. Мьютексы с наследованием приоритета.
12. Поддержка модуля защиты памяти для Cortex-M3
13. Поставляется в отлаженном виде с демо-проектами для различных платформ и компиляторов.
14. Бесплатна. Можно использовать в проектах без раскрытия исходного кода в соответствии с расширенной лицензией GPL.
15. Документация платная, но доступна в онлайн здесь.
16. Время переключения контекста для AVR с кварцем на 16Мгц составит всего 20.8 мкс. Именно столько нужно для сохранения данных в стек задачи и вызов следующей. (Интересное замечание, если сравнить это с PIC18xxx, то контроллер от AVR делает это быстрее в 4 раза!!!, скорее всего это связано с качеством компилятора)
Вытесняющая многозадачность означает, что выполняющаяся задача с низким приоритетом перекрывается готовой задачей с более высоким приоритетом. Переключение между задачами происходит через равные кванты времени. Поэтому прежде, чем выскопоприоритетная задача начнет выполнение, должен закончиться текущий квант времени, когда выполняется низкоприоритетная.
Таким образом, время реакции FreeRTOS на внешние события в режиме вытесняющей многозадачности-не больше одного кванта времени планировщика, который можно задавать в настройках. По умолчанию он равен 1 мс.
Если готовы к выполнению несколько задач с одинаковым приоритетом, то в таком случае планировщик выделяет каждой из них по одному кванту времени, по истечении которого управление получает следующая задача с таким же приоритетом, и так далее по кругу.
Кооперативная многозадачность отличается от вытесняющей тем, что планировщик самостоятельно не может прервать выполнение текущей задачи, даже готовая к выполнению задача с большим приоритетом. Каждая задача должна самостоятельно передать управление планировщику. Таким образом, высокоприоритетная задача будет ожидать, пока низкоприоритетная завершит свою работу и отдаст управление планировщику. Время реакции системы на внешнее событие становится неопределенным и зависит от того, как долго текущая задача будет выполняться до передачи управления. Кооперативная многозадачность применялась в семействе ОС Windows 3.x.
Вытесняющая и кооперативная концепции многозадачности объединяются вместе в гибридной многозадачности, когда вызов планировщика происходит каждый квант времени, но, в отличие от вытесняющей многозадачности, программист имеет возможность сделать это принудительно в теле задачи. Особенно полезен этот режим, когда необходимо сократить время реакции системы на прерывание. Допустим, в текущий момент выполняется низкоприоритетная задача, а высокоприоритетная ожидает наступления некоторого прерывания. Далее происходит прерывание, но по окончании работы обработчика прерываний выполнение возвращается к текущей низкоприоритетной задаче, а высокоприоритетная ожидает, пока закончится текущий квант времени. Однако если после выполнения обработчика прерывания передать управление планировщику, то он передаст управление высокоприоритетной задаче, что позволяет сократить время реакции системы, связанное с внешним событием.
С чего на чат ь?
Начать разработку микроконтроллерного устройства, работающего под управлением FreeRTOS, можно с загрузки ее последней версии .
Дистрибутив FreeRTOS доступен в виде обычного или самораспаковывающегося ZIP-архива. Дистрибутив Содержит непосредственно код ядра (в виде нескольких заголовочных файлов и файлов с исходным кодом) и демонстрационные проекты (по одному проекту на каждую среду разработки для каждого порта). Далее следует распаковать архив в любое подходящее место на станции разработки.
Несмотря на достаточно большое количество файлов в архиве, структура директорий на самом деле проста. Если планируется проектировать устройства на 2-3 архитектурах в 1-2 средах разработки, то большая часть файлов, относящихся к демонстрационным проектам и различным средам разработки, не понадобится.
Подробная структура директорий приведена на рисупке.
Весь исходный код ядра находится в директории /Source.
Содержимое:
1.tasks.c - реализация механизма задач, планировщик
2. queue.c - реализация очередей
3. list.c - внутренние нужды планировщика, однако функции могут использоваться и в прикладных программах.
4. croutine.c - реализация сопрограмм (может отсутствовать в случае, если сопрограммы не используются).
Заголовочные файлы, которые находятся в директории source/include
1. tasks.h, queue.h, tist.h, croutine.h - заголовочные файлы соответственно для одноименных файлов с кодом.
2. FreeRTOS.h -содержит препроцессорные директивы для настройки компиляции.
3. mpu_wrappers.h - содержит переопределения функций программного интерфейса (API-функций) FreeRTOS для поддержки модуля защиты памяти (MPU).
4. portable.h -платформозависимые настройки.
5. projdefs.h -некоторые системные определения
6. semphr.h - определяет API-функции для работы с семафорами, которые реализованы на основе очередей.
7. StackMacros.h - содержит макросы для контроля переполнения стека. Каждая аппаратная платформа требует небольшой части кода ядра, которая реализует взаимодействие FreeRTOS с этой платформой. Весь платформенно-зависимый код находится в поддиректории /Source/Portable , где он систематизирован но средам разработки (IAR, GCC и т.д.) и аппаратным платформам (например, AtmelSAM7S64,MSP430F449). К примеру, поддиректория /Source/Portable/ GCC/ATMega323 содержит файлы port.c и portmacro.h, реализующие сохранение/восстановление контекста задачи, инициализацию таймера для создания временной базы, инициализацию стека каждой задачи и другие аппаратно-зависимые функции для микроконтроллеров семейства mega AVR и компилятора WinAVR (GCC).
Отдельно следует выделить поддиректорию /Source/Portable/MemMang , в которой содержатся файлы heap_l.c, heap_2.c, heap_3.c , реализующие 3 различных механизма выделения памяти для нужд FreeRTOS, которые будут подробно описаны позже.
В директории /Demo находятся готовые к компиляции и сборке демонстрационные проекты. Общая часть кода для всех демонстрационных проектов выделена в поддиректорию /Demo/Commo n.
Чтобы использовать FreeRTOS в своем проекте, необходимо включить в него файлы исходного кода ядра и сопутствующие заголовочные файлы. Нет необходимости модифицировать их или понимать их реализацию.
Например, если планируется использовать порт для микроконтроллеров MSP430 и GCC-компилятор, то для создания проекта -с нуля» понадобятся поддиректории /Source/ Portable/GCC/MSP430_GCC и /Source/Portable/ MemMang . Все остальные поддиректории из директории /Source/Portable не нужны и могут быть удалены.
Если же планируется модифицировать существующий демонстрационный проект (что, собственно, и рекомендуется сделать в начале изучения FreeRTOS), то понадобятся также поддиректории /Demo/msp430_GCC и /Demo/Common . Остальные поддиректории, находящиеся в /Demo, не нужны и могут быть удалены.
При создании приложения рекомендуется использовать makefile (или файл проекта среды разработки) от соответствующего демонстрационного проекта как отправную точку. Целесообразно исключить из сборки (build) файлы из директории /Demo, заменив их своими, а файлы из директории /Source - нетронутыми. Следует упомянуть также о заголовочном файле FreeRTOSConfig.h , который находится в каждом демонстрационном проекте. FreeRTOSConfig.h содержит определения (#define), позволяющие произвести настройку ядра FreeRTOS:
1. Набор системных функций.
2. Использование сопрограмм.
3. Количество приоритетов задач и сопрограмм
4. Размеры памяти (стека и кучи).
5. Тактовая частота МК.
6. Период работы планировщика времени, выделяемый каждой задаче выполнения, который обычно равен 1 мс. Отключение некоторых системных функций и уменьшение количества приоритетов (уменьшает расход памяти).
В дистрибутив FreeRTOS включены также средства для конвертирования трассировочной информации, полученной от планировщика, в текстовую форму (директория /ТгасеСоn ) и текст лицензии (директория /License ).
Выводы
С помощью первой статьи цикла читатель познакомился с операционной системой ля микроконтроллеров FreeRTOS. Показаны особенности работы. Описапо содержимое дистрибутива FreeRTOS. Приведены основные шаги, с которых следует начинать разработку устройства, работающего под управлением FreeRTOS.
В следующих публикациях внимание будет уделено механизму многозадачности, а именно задачам и сопрограммам. Будет приведен образец работы планировщика на примере микроконтроллеров AVR фирмы Atmel и компилятора WinAVR (GCC).
Привет, Хабр!
Сегодня я расскажу о такой интересной штуке как операционная система реального времени(ОСРВ). Не уверен, что это будет интересно для бывалых программистов, но, думаю, новичкам понравится.
Что такое ОСРВ?
Если мы посмотрим в Википедию, то увидим аж 4 определения.Если же говорить вкратце - то ОСРВ - это операционная система, реагирующая на внешние события в определенный промежуток времени. Отсюда мы и можем понять основное предназначение ОСРВ - приборы, в которых необходима быстрая реакция на события (однако ни в коем случае не путайте работу ОСРВ с прерываниями).
Зачем она нам нужна?
На то есть довольно много причин.Во-первых ОСРВ поддерживает многозадачность, приоритеты процессов семафоры и многое другое.
Во-вторых она очень легкая и почти не требует ресурсов.
В-третьих все вышесказанное мы можем получить практически на любом железе (например, FreeRTOS запускается даже на 8-битных AtMega).
Ну и в-четвертых: просто поиграться и получить удовольствие.
Обзор 3 известных ОСРВ.
Внимание: дальше идет мое личное мнение.FreeRTOS
Одна из самых популярных ОСРВ на сегодняшний день. Портирована на огромное количество железа. Оффициальный сайт .Плюсы
1) Бесплатная2) Портирована на большое количество железа
3) Мощный функционал
4) Есть различные библиотеки: графика, интернет и другое.
5) Хорошая документация.
Минусы
1)Довольно-таки сложный процесс портирования на новое железо.Вывод: Это действительно профессиональная ОСРВ с хорошей документацией. Будет хороша для новичка, если на его железо уже есть порт.
KeilRTX
До последнего времени эта ОСРВ была коммерческой, но недавно стала открытой. Работает только на архитектуре arm. Оффициальный сайт .Плюсы
1)Бесплатная2)Легко портируется на новое железо(в пределах архитектуры arm).
3) Есть различные библиотеки: графика, интернет и другое.
Минусы
1)Работать на в Keil с ней практически нереально2) Немного урезанный функционал
3) Поддерживается только arm.
4)(на личном опыте) Проигрывает многим ОСРВ по скорости.
Вывод: идеально подойдет для новичка и мелких проектов.
uc/os
Мощная коммерческая ОСРВ. Сайт .Плюсы
1) Огромное количество функций и библиотек.2) Поддерживает много железа
Минусы
1)Коммерческая.2) Сложна в использовании.
Вывод: назвать ее ОСРВ для новичка можно с большой натяжкой.
Другие интересные ОСРВ
RTLinux ОСРВ на основе обычного Линукса.QNX ОСРВ на основе Unix.
Особенности разработки с использованием ОСРВ
Ну во-первых надо понять следующее: ОСРВ- это не Windows. Его нельзя установить. Эта система просто компилируется с Вашей программой.При написании программ с ОСРВ не используются функции в обычном их понимании. Вместо функций используются процессы(или таски).Отличие в том что процессы, в отличии от функций, являются бесконечными циклами и никогда не заканчиваются(если только кто-то или он сам его не убъет - то есть выгрузит из памяти).
Если включено несколько процессов, то ОСРВ переключает их, выдавая машинное время и ресурсы по очереди. Вот тут то и возникает понятия приоритета процесса- если двум процессам единовременно нужно машинное время, то ОСРВ даст его тому, у кого приоритет больше.
В ОСРВ есть специальные функции задержки- чтобы время зря не пропадало на время задержки одного процесса выполняется второй.
Теперь поговорим о такой вещи как семафор- эта такая штука, которая управляет доступом процесса к ресурсам приложения. Для каждого ресурса есть маркер - когда процессу нужен ресурс - он его забирает и пользуется данным ресурсом. Если маркера нет, то процессу придется ждать, пока его вернут. Приведу пример: разные процессы отправляют информацию по одному UART. Если бы не было семафора, то они бы отправляли байты по очереди и получилась бы неразбериха. А так первый процесс взял маркер на UART отправил сообщение и отдал второму(и так - до бесконечности).
Дополнительные библиотеки ОСРВ.
Часто ОСРВ предлагают различные библиотеки для работы, например, с графикой, интернетом и т.д. Они действительно удобны и не стоит брезгать их использовать. Однако, помните, что без ОСРВ, для которой они написаны, они работать не будут.Вот примеры:
Для RTX
ОСРВ МАКС - бесплатная российская операционная система реального времени для мультиагентных когерентных систем.
МАКС воплощает классический функционал операционных систем данного типа и обладает рядом преимуществ, позволяющих значительно ускорить разработку встраиваемого ПО при создании новых устройств на основе микроконтроллеров. Особенно ярко преимущества новой ОС проявляются в вопросах организации взаимодействия множества устройств.
ОСРВ МАКС включает:
- Полнофункциональное ядро ОСРВ.
- Полный комплект исходных кодов.
- Документацию.
- Демо-приложения.
Или скачайте стабильную версию в составе среды разработки «MACS Master» на базе Eclipse
Поддержка средств разработки
 |
Eclipse + GCC. |
ОСРВ МАКС - это:
Планировщик:
- динамическое создание и удаление задач,
- поддержка режимов вытесняющей и кооперативной многозадачности,
- выбор режима выполнения задач - привилегированного или непривилегированного.
- бинарные и считающие семафоры,
- рекурсивные и нерекурсивные мьютексы с поддержкой наследования приоритетов,
- события,
- очереди сообщений.
- для защиты стека процессов от переполнения,
- для защиты памяти по нулевому адресу,
- для защиты портов периферии от непривилегированного доступа.
- активизация пользовательских задач-обработчиков из предопределённого универсального обработчика прерываний, не требующего дополнительной настройки,
- возможность назначить несколько задач-обработчиков для одного прерывания,
- управление последовательностью обработки через приоритеты задач-обработчиков.
- измерение времени выполнения секций кода от точки до точки или в области видимости автоматической переменной,
- возможность автоматической настройки (повышение точности измерения за счет вычисления задержек собственной работы),
- формирование статистики замеров с группировкой секций по разделам (полное время выполнения всех секций с учётом и без учёта вложенности, минимальное/среднее/максимальное время выполнение секции, среднеквадратичное отклонение).
- синхронизация контекста задач между устройствами,
- обмен сообщениями внутри группы устройств.
Устройства под управлением микроконтроллеров используются для решения широкого спектра задач. ОСРВ МАКС - универсальная платформа для разработки встраиваемых приложений, и сфера её применения связана с целесообразностью использования микроконтроллеров в той или иной задаче.
Робототехника, БПЛА
- Система управления
Электроника управления устанавливается непосредственно на самом роботе и реализует алгоритмы, позволяющие ему решать поставленную задачу.
- Система телеметрии
Обеспечивает связь между роботом и удалённым терминалом, даёт возможность оператору получать сведения о состоянии робота и отправлять команды.
- Система позиционирования
Дополнительные внешние устройства позволяют роботам ориентироваться в помещениях и на открытой местности, находить путь до места назначения и к базовым станциям.
- Управление электропитанием и освещением
Обеспечение бесперебойного электроснабжения здания, контроль расхода электроэнергии, автоматическое включение/отключение освещения в зависимости от присутствия людей в помещении и контроль уровня освещённости (регулирование яркости света в разное время суток).
- Управление климатом
Поддержание комфортного микроклимата в помещении (регулирование температуры и влажности, вентиляция и очистка воздуха) осуществляется в зависимости от предпочтений пользователя, присутствия людей в помещении, а также внешних факторов (погода, время суток).
- Системы мониторинга и безопасности
Видеонаблюдение и контроль доступа в помещения, отслеживание событий, угрожающих безопасности жилища (взлом, возгорание, протечка воды) и автоматическое оповещение о них владельцев и соответствующие службы (охрана, противопожарная служба).
С развитием технологий бытовые приборы становятся более функциональными и удобными в использовании. Например, в настоящее время потребителю уже доступна техника, управляемая централизованно со смартфона или планшета вместо отдельных пультов ДУ. «Умная» техника требует всё меньше внимания со стороны человека, что даёт возможность пользователю значительно экономить время и деньги (роботы-пылесосы самостоятельно занимаются уборкой, функции отложенного старта и автоотключения контролируют время работы устройства и тем самым оптимизируют расход электроэнергии). Бурно развивающиеся технологии Интернета вещей (Internet of things, IoT) предполагают и вовсе полную автономность устройств, что порождает высокие требования к их программной начинке, а со стороны разработчиков этих устройств растет интерес к ОС, уже «из коробки» предоставляющих сервисы и протоколы взаимодействия, позволяющие обеспечить эту автономность.
Технологии Интернета вещей предполагают полную автономность устройств. Это порождает высокие требования к их программной начинке. Со стороны разработчиков этих устройств растет интерес к ОС, предоставляющих уже «из коробки» сервисы и протоколы взаимодействия, позволяющие обеспечить эту автономность.
Поддержка Mesh-сетей
- Надёжность и отказоустойчивость сети
Узлы сети соединяются друг с другом, образуя большое количество связей. Между узлами может формироваться несколько маршрутов следования трафика. При наличиии избыточных маршрутов выход из строя одного из промежуточных узлов не нарушит функционирование всей сети. Информация будет динамически перенаправлена по другому маршруту.
- Самоорганизация
Структура сети формируется автоматически по мере подключения/отключения узлов. При необходимости каждый узел может самостоятельно получить информацию о доступности узла назначения и построить оптимальный маршрут для обмена данными.
- Увеличение дальности связи
Каждое из устройств может обладать небольшой дальностью связи. Однако территориальное распределение множества соединённых друг с другом устройств позволяет обеспечить гораздо большее покрытие.
- Оптимальная конфигурация распределённой системы
Аппаратные ресурсы каждого устройства системы выбираются исходя из его функционального предназначения. Нет необходимости в мощных компьютерах для решения простых задач, например, идентификации объектов или измерения параметров внешней среды. Эти функции могут быть выполнены небольшими автономными модулями, что снижает стоимость распределенной системы.
- Автономное функционирование системы
Взаимодействуя друг с другом, устройства способны принимать решения и выполнять задачи без участия человека, что позволяет снизить затраты на обслуживание системы.
- Масштабируемость
Ввод и вывод устройств из сети происходит безболезненно и автоматически. Сеть «сама разберется», какое устройство в ней появилось и как его задействовать.
- Датчики, сенсоры, преобразователи
- Системы «умного дома», «умного города»
- Интернет вещей (Internet of things, IoT)
- Промышленная автоматика, управление
- Робототехника
- Медицинское оборудование
- Ж/д транспорт
- Потребительская электроника
- Системы связи
Примеры встроенных систем
Робот, такой как марсоход , показанный на рисунке 1.1 , является встроенной системой. Сотовый телефон, PDA , или портативный мультимедиа плеер, показанные на рисунке 1.2 , являются встроенными устройствами. Даже электрическая зубная щетка, показанная на рисунке 1.2 , является встроенной системой. Небольшой микроконтроллер в зубной щетке обеспечивает программируемое управление скоростью и индикацию состояния заряда батареи. Высококачественные автомобили могут содержать около ста встроенных микроконтроллеров. Типичное домовладение среднего класса имеет около пятидесяти встроенных устройств. Для каждого ПК в мире имеется более сотни встроенных устройств. В общей сложности, встроенные устройства составляют большую часть мирового производства микропроцессоров.
Рис.
1.1.
Как видно в таблице 1.1 , встроенные устройства можно найти в разнообразных продуктах, включая самолеты и военные системы, биомедицинские системы, автомобили, коммуникацию, компьютерные устройства в/в, электронные инструменты, домашняя электроника, промышленное оборудование, офисные машины, персональные устройства, роботы, и интеллектуальные игрушки. Встроенные устройства можно найти повсюду.
Конструкторы встроенных систем часто сталкиваются со сложными проектными задачами. Встроенные системы должны быть надежными. Многие встроенные устройства не могут ломаться, и не могут быть перезагружены. Программное обеспечение невозможно обновить во многих встроенных устройствах. Многие устройства имеют жесткие конструкционные ограничения по производительности и потреблению энергии. Некоторым устройствам необходимо работать от батареи длительный период времени. Кроме того, потребительские устройства обычно очень быстро выходят на рынок с новыми продуктами и имеют жесткую ценовую конкуренцию. Во многих приложениях существуют ограничения реального времени и многие устройства имеют ограниченную память и вычислительную мощность .
|
|
|
Рис. 1.2.
| Авиационные & Военные системы | Автопилоты самолетов, авионика и навигационные системы, системы автоматической посадки, системы наведения, управление двигателем. |
|---|---|
| Биомедицинские системы | Cистемы компьютерной томографии и ультразвукового исследования, мониторинг пациентов, кардиостимуляторы. |
| Автомобили | Управление двигателем, антиблокировочные тормозные системы, противобуксовочная тормозная система, управление подушками безопасности, управление системой обогрева и кондиционирования воздуха, навигация GPS, спутниковое радио, системная диагностика. |
| Коммуникация | Коммуникационные спутники, сетевые маршрутизаторы, коммутаторы, концентраторы. |
| Потребительская электроника | телевизоры, духовки, посудомоечные машины, плееры DVD, стереосистемы, системы безопасности, управление поливом газонов, термостаты, фотокамеры, радиочасы, автоответчики, декодеры кабельного телевидения, другие устройства. |
| Устройства в/для компьютера | Клавиатуры, мыши, принтеры, сканеры, дисплеи, модемы, устройства жестких дисков, устройства DVD, графические платы, устройства USB. |
| Электронные инструменты | Системы сбора данных, осциллографы, вольтметры, генераторы сигналов, логические анализаторы . |
| Промышленное оборудование | Управление лифтами, системы наблюдения, роботы, станки с ЧПУ, программируемые логические контроллеры, промышленные системы автоматизации и управления. |
| Офисные машины | факс-аппараты, копиры, телефоны, калькуляторы, кассовые аппараты. |
| Персональные устройства | сотовые телефоны, переносные плееры MP3, видео-плееры, персональные цифровые помощники (PDA), электронные наручные часы, портативные видеоигры, цифровые камеры, системы GPS. |
| Роботы | Промышленные роботы , автономные транспортные средства, космические исследовательские роботы (например, роботы- марсоходы ) |
| Игрушки | системы видеоигр, игрушки роботы типа "Aibo", "Furby", и "Elmo". |
Операционные системы реального времени
Системы реального времени должны отвечать на внешние параметры ввода и создавать новые результаты вывода за ограниченное время, как показано на рисунке 1.3 . Время ответа должно быть ограничено. Очень длительное время ответа может привести к отказу систем реального времени.
Иллюстративным примером системы реального времени является контроллер автомобильной воздушной подушки безопасности. Когда датчики движения воздушной подушки ( акселерометры ) распознают столкновение, системе необходимо среагировать, раскрывая воздушную подушку в течение 10 мс, или система не сработает нужным образом. На высокой скорости с задержкой более 10 мс водитель уже столкнется с рулевым колесом до того, как раскроется подушка.
Рис. 1.3.
В мягкой системе реального времени приоритет имеют критически важные задачи. Мягкая система реального времени обычно удовлетворяет ограничениям отклика реального времени. Примером типичной мягкой системы реального времени является плеер мультимедиа . Плеер может иногда пропустить видео кадр или аудио сэмпл, и пользователь может это даже не заметить, пока плеер правильно работает большую часть времени.
В жесткой системе реального времени новый результат вывода всегда должен быть вычислен в указанных границах времени, или система не сработает. В качестве примера жесткой системы реального времени рассмотрим систему дистанционного управления рулями (т.е., управляемую компьютером). В системе управления полетом самолета, когда летчик перемещает штурвал управления, рули управления полетом должны в ответ переместиться очень быстро, или самолет потеряет устойчивость и упадет. Чтобы обеспечить безопасность , FAA постоянно проверяет и сертифицирует реакцию в реальном времени управляемых компьютером симуляторов полета и самолеты.
Процедуры обмена страниц виртуальной памяти и сборки мусора, необходимые объектно-ориентированным языкам, могут вызывать проблемы в жестких системах реального времени. Даже кэширование является иногда проблемой, так как может приводить к изменению времени выполнения программы.
Многие встроенные системы являются системами реального времени с несколькими входами и выходами. Несколько событий происходят независимо друг от друга. Программирование упрощается при разделении задач, но это требует от ЦП постоянного переключения между различными задачами. Операционная система , которая поддерживает мультизадачность, обеспечивает разделение времени ЦП между несколькими задачами. ОС обеспечивает также элементы синхронизации, необходимые для координации действий между различными задачами, выполняющимися параллельно.
Операционные системы часто классифицируют по их характеристикам реального времени. Операционная система реального времени должна быть тщательно спроектирована, чтобы поддерживать приложения реального времени. Недавнее исследование приходит к выводу, что 95% приложений реального времени требуют ограниченного времени ответа в диапазоне от 0.5 до 10 мсек. Только 10% отклонение (колебание от 50 микросекунд до 1 мсек) во времени ответа может быть допустимо. Согласно таким требованиям большинство операционных систем общего назначения не являются системами реального времени. Согласно этим критериям встроенная ОС, такая как Windows XP, может рассматриваться в лучшем случае только как мягкая ОС реального времени . Для Windows XP существуют некоторые инструменты сторонних поставщиков, которые улучшают время ответа.
Операционные системы для встроенных систем
Большинство новых устройств имеет сложное программное обеспечение , которое требуется для мультизадачности, синхронизации задач, поддержки широкого диапазона устройств ввода/вывода, планирования и буферизации операций ввода/вывода, управления памятью, поддержки графических дисплеев, файловых систем, сетей, безопасности и управления питанием. Операционная система может предоставить все эти возможности, чтобы помочь разработчикам приложений. Прикладные программисты будут более продуктивными, так как они работают на более высоком уровне абстракции, используя эти средства, предоставляемые операционной системой.
Выпущенная недавно модель сотового телефона содержит более пяти миллионов строк кода. Немногие, если вообще какие-то проекты, будут иметь время и средства, необходимые для разработки всего этого кода полностью самостоятельно. В таких случаях имеет экономический смысл использовать существующую операционную систему. Сокращение времени разработки и снижение расходов вполне оправдают стоимость лицензии операционной системы.
Лицензионные отчисления типичной коммерческой встроенной ОС составляют только несколько долларов на устройство. Некоторые очень простые устройства могут обходиться без ОС, но новые устройства постоянно становятся все более сложными.
В связи с этим большинство встроенных устройств используют встроенную операционную систему. Встроенные операционные системы обычно разрабатываются большей частью на C/C++ и поставляются вместе с компилятором C/C++, ассемблером, и инструментами отладки, чтобы помочь разработчикам в разработке прикладных программ и тестировании устройства. Инструменты разработки встроенных систем должны также поддерживать выполнение программ с помощью кода, хранящегося в энергонезависимой памяти, такой как ROM или память Flash .
