Системы массового обслуживания (СМО) в машиностроении. Сети Петри и их анализ.
ВОПРОСЫ К ГОСЭКЗАМЕНУ ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ 2203.01
По курсам АТПП и ИСПУ
1. Основные определения и задачи автоматизации производства. Принципы построения автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП). Уровни АСУТП.
Основные определения и задачи автоматизации производства
Механизацией производственного процесса (ПП) называют применение энергии неживой природы в ПП или его составных частях, полностью управляемых людьми, и осуществляемое в целях сокращения трудовых затрат, улучшения условий производства.
Автоматизацией ПП называют применение энергии неживой природы в ПП или его составных частях для их выполнения и управления ими без непосредственного участия людей. Различают 3 уровня автоматизации:
1) Частичная автоматизация ограничивается автоматизацией отдельных операций технологического процесса (ТП), например, с использованием станков с ЧПУ.
2) Комплексная автоматизация – это автоматизация ПП изготовления деталей сборки с использованием автоматических систем машин: автоматических линий (АЛ), гибких производственных систем (ГПС).
3) Полная автоматизация – высшая степень автоматизации, при которой все функции контроля и управления производством управляются автоматами.
Степень автоматизации ПП определяется необходимой долей участия оператора в управлении этим процессом. Чем меньше это время, тем выше степень автоматизации.
Автомат – самостоятельно действующее устройство или совокупность устройств, выполняющих по заданной программе без непосредственного участия человека процессы получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов и информации.
Последовательность выполняемых автоматом запрограммированных действий называют рабочим циклом. Если для возобновления рабочего цикла требуется вмешательство человека, то такое устройство называется полуавтоматом.
Процесс, оборудование или производство не требующие присутствия человека в течение определенного промежутка времени для выполнения ряда повторяющихся рабочих циклов, называют автоматическим. Если часть процесса выполняется автоматически, а другая часть требует присутствия оператора, то такой процесс называется автоматизированным.
Под безлюдным режимом работы понимают такую степень автоматизации, при которой станок, производственный участок, цех или весь завод могут работать автоматически в течении одной производственной смены (8ч) в отсутствие человека.
Преимущества автоматических производственных систем:
1) высокое быстродействие;
2) стабильно высокое качество продукции;
3) возможность работы в тяжелых, вредных и опасных для человека условиях
4) экономичное использование материалов и энергии.
Повышение производительности труда при автоматизации достигается:
1) более полным использованием календарного времени: автомат 365 х 24 = 8740 часов; человек 2550 часов, т.е. 30%.
2) повышение скорости протекания процессов;
3) вследствие высвобождения обслуживающего персонала.
Современная концепция автоматизированных систем управления производством
Интегрированная система автоматизации предприятия может быть представлена в виде 5-уровневой пирамиды:
4. Управление предприятием (АСУП) (MRP, MRPII,ERP, CSRP)
3. Управление производством (цехом) (MES)
2. Диспетчерское управление (SCADA)
1. Непосредственное управление (Control)
0. Ввод/вывод (I/O)
Эту модель можно упрощать, объединяя любые два смежных уровня. В соответствии с современной идеологией децентрализации задачи оперативного управления решаются на нижних уровнях системы, что позволяет повысить быстродействие системы и разгрузить ЛВС. На верхние уровни управления возлагаются задачи стратегического планирования производства, сбор и обработка информации о технологическом процессе, подготовка отчетной документации.
0. Уровень ввода/вывода (I/O). Включает набор датчиков и исполнительных устройств, встраиваемых в конструктивные узлы технологического оборудования и предназначенных для сбора первичной информации и реализации управляющих воздействий.
1. Уровень непосредственного управления технологическими процессами (Control). Требования:
1) предельно высокое быстродействие / режим реального времени (с тактами от 10 мс до 1с);
2) предельная надежность (на уровне технологического оборудования);
3) возможность встраивания в оборудование;
4) возможность автономной работы при отказе комплексов управления верхних уровней;
5) возможность функционирования в цеховых условиях.
Реализуется с помощью ПЛК, УСО, РС-контроллеров и промышленных сетей.
2. Уровень диспетчерского управления (SCADA). Предназначен для отображения данных о ТП и оперативного управления с участием диспетчера. Функции:
1) обмен данными с контроллерами (типовой такт обмена 1 с);
2) выполнение алгоритмов "медленного" управления (с тактом свыше 1 с);
3) диспетчерское наблюдение за ТП по его графическому отображению (мнемосхеме или виртуальному пульту управления) на экране в реальном масштабе времени;
4) хранение и дистанционная загрузка управляющих программ в контроллеры;
5) синхронизация и групповое управление технологическим оборудованием;
6) ведение единой базы данных ТП в реальном времени;
7) контроль работоспособности оборудования первого уровня, реконфигурация комплекса для различных режимов, в т.ч. переход на резервную схему в случае отказа основной;
Реализуется с помощью промышленных или персональных компьютеров и SCADA-систем, объединенных в ЛВС типа Ethernet (см. курс ИСПУ).
3. Уровень управления производством (MES - Manufacturing Execution Systems).
Обеспечивает оптимизацию управления ресурсами цеха как единого организационно-технологического объекта по заданиям, поступающим с верхнего уровня.
Функции:
1) обработка информации о ходе изготовления продукции в различных цехах,
2) управление производственными и людскими ресурсами в рамках ТП,
3) планирование и контроль последовательности операций ТП,
4) управление качеством продукции,
5) хранение данных о материалах и продукции по технологическим подразделениям,
6) техническое обслуживание производственного оборудования,
Реализуется серверами в ЛВС предприятия. Пример: BASEstar (DEC).
4. Уровень управления предприятием (АСУП) (планирования) (MRP, ERP). Предназначен для автоматизации планирования производства, финансовой деятельности, снабжения, продаж, анализа, прогнозирования и создания единой модели данных в рамках предприятия.
Реализуется серверами в ЛВС предприятия с выходом в Internet.
Классификация АСУП
1) MRP (Materials Resource Planning - планирование материальных ресурсов), включает только планирование материалов для производства.
Целью MRP является минимизация издержек, связанные со складскими запасами (в том числе и на различных участках в производстве). На основании плана выпуска продукции, спецификации изделия и технологической цепочки осуществляется расчет потребностей в материалах, привязанный к конкретным срокам.
Пример: БОСС-Корпорация, М-2, АС+.
У MRP есть серьезный недостаток: рассчитывая потребность в материалах, не учитываются производственные мощности, их загрузка, стоимость рабочей силы и т.д.
2) MRP II (Manufacturing Resource Planing - планирование производственных ресурсов). MRP II позволяет планировать все производственные ресурсы предприятия (сырье, материалы, оборудование, персонал и т.д.). Пример: Парус 8.х, БЭСТ ПРО.
3) ERP (Enterprise Resource Planning - планирование ресурсов предприятия). Объединяет все информационные ресурсы предприятия, в том числе деловую и финансовую информацию. Это устраняет необходимость в передаче данных от системы к системе.
Сейчас практически все современные западные производственные системы и основные системы управления производством базируются на концепции ERP. Примеры: SAP R/3, Baan, Oracle Applications, Галактика.
4) CSRP (Customer Synchronized Resource Planning) Послединий стандарт охватывает также и взаимодействие с клиентами: оформление наряд-заказа, техзадание, поддержка заказчика на местах и пр. Таким образом, если MRP, MRP-II, ERP ориентировались на внутреннюю организацию предприятия, то CSRP включил в себя полный цикл от проектирования будущего изделия до гарантийного и сервисного обслуживания после продажи. Основная суть концепции CSRP в том, чтобы интегрировать Заказчика (Клиента, Покупателя и пр.) в систему управления предприятием. Пример: SyteLine.
RS-стандарты
RS - Recommended Standard (рекомендованный стандарт). Эти стандарты не были приняты (как, например, IEEE-1394), они просто "рекомендованы", что позволяет производителям отступать от стандарта (например, питание по 9-му пину в RS-232 не оговорено стандартом, но широко используется).
Наиболее распространены RS-232 и RS-485. RS-232 использует небалансный (unbalanced) сигнал, в то время как RS-485 используют балансный (balanced) сигнал.
Небалансный сигнал передается по несбалансированной линии, представляющей собой сигнальную землю и одиночный сигнальный провод, уровень напряжения на котором используется для передачи 1 или 0. Балансный сигнал передается по сбалансированной линии, представляющей сигнальную землю и пару проводов (экранированная витая пара), разница напряжений между которыми используется для передачи бинарной информации. Сбалансированный сигнал передается быстрее и дальше, чем несбалансированный.
| RS-232 | RS-485 | |
| Сигнал | небалансный | балансный |
| Вид протокола | дуплексный | полудуплексный |
| Количество устройств | ||
| Макс. длина линии | ~15 м / 19,2 кбит/с | ~1220 м / 100 кбит/с |
| Макс. скорость передачи при 15 м | 19,2 кбит/с | 10 Мбит/с |
| двоичная 1 | -5…-15 В | 1,5…5 В (B>A) |
| двоичный 0 | +5…+15 В | 1,5…5 В (A>B) |
RS-232 (V.24/V.28)
Разработан в 1969 г. Соответствует ГОСТ 18145-81. Является последовательным асинхронным интерфейсом, т.е. данные передаются по одной линии.
Каждый информационный символ передается в кодировке ASCII (American Standard Code for Information Interchange) отдельным кадром. Символы ASCII представляются семью битами. Так например, латинская буква А имеет код 1000001. Соответствующий сигнал с уровнями ТТЛ при передаче буквы А показан на рис. 3.1.
Рис. 3.1. Представление кода буквы А уровнями ТТЛ (а) и в RS-232 (б)
SB – стартовый бит (всегда 0);
DB - 7 бит данных символа кода ASCII;
PB - бит паритета устанавливается в "1" или "0" так, чтобы общее число единиц в 8-ми битной группе было нечетным (нечетный паритет — нечетность) или четным (четный паритет — четность);
EB - два стоповых бита (1).
Часто используются национальные расширения кода ASCII, который включает 128 стандартных ASCII-символов и дополнительно 128 символов с единицей в старшем бите. Среди дополнительных символов используются буквы ряда европейских алфавитов, буквы греческого алфавита, математические символы и символы псевдографики. В России наибольшее распространение получила альтернативная кодировка ASCII. Число всех символов расширенного кода ASCII равно 256 и, следовательно, каждый такой символ кодируется восьмью битами (2 =256). Для передачи используется формат, состоящий из одного SB, восьми DB и одного EB. При этом PB не используется.
Оборудование, соединяемое по RS-232 комплектуется разъемами DB25F/М (мама/папа)
Так же используется урезанная версия DB9F/M. Контакты передачи и приема информационного сигнала обозначаются как TxD или RxD, остальные контакты несут служебные функции, например определение готовности устройства.
RS-485
RS-485 использует экранированную витую пару, экран служит сигнальной землей. Хотя сигнальная земля обязательна, она не используется для определения логического состояния линии. Устройство, управляющее сбалансированной линией (balanced line driver), может (для RS-485 - обязательно, для RS-422 - нет) иметь входной сигнал "Enable" (Разрешен), который используется для управления выходными терминалами устройства. Если сигнал "Enable" выключен, то это значит, что устройство отключено от линии, причем отключенное состояние устройства обычно называется "tristate" (т.е. третье состояние, вдобавок к двоичным 1 и 0).
Стандарт RS-485 предусматривает соединение только 32 устройств, но его модификации поддерживает от 128 до 255 устройств на одной линии. Используя репитеры можно продлевать длину линии RS-485 практически до бесконечности. Для получения полнодуплексной связи используется четырехпроводная витая пара (4-wire RS-485). В таком случае, необходимо чтобы одно из устройств было сконфигурировано как ведущее (Master), а остальные как ведомые (Slave). Тогда все ведомые устройства общаются только с ведущим устройством, и не передают ничего напрямую друг другу. Стандарт RS-485 является основой ряда промышленных сетей, таких как PROFIBUS, Interbus, Modbus.
Основные характеристики
1) Среда передачи данных в CAN не определена: это может быть витая пара, оптоволокно.
2) Скорость передачи задается программно и может быть до 1 Мбит/с. Пользователь выбирает скорость, исходя из расстояний, числа абонентов и емкости линий передачи.
Рис. Зависимость скорости обмена от длины линии передачи
3) Максимальное расстояние 500 м.
4) Максимальное количество узлов 64
5) Количество байтов данных настраивается от 0 до 8.
6) Если хоть один узел в сети принял сообщение с ошибкой, это сообщение признается ошибочным для всех узлов сети.
7) Отказавшие узлы динамически отключаются от шины.
Принцип работы CAN
Данные, передаваемые одним узлом принимается всеми узлами. Узел, принявший сообщение, может проигнорировать его, если оно не связано его функциями.
Тип передаваемых данных (например, число оборотов двигателя, температура масла и др.) обозначается 11-битным идентификатором, стоящим в начале сообщения и определяющим его приоритет. Такой тип рассылки называется "схема адресации, ориентированная на содержимое". В ней и заключается особенность CAN.
Каждый 11-битный идентификатор уникален. Никакая пара узлов сети не может послать сообщения с одинаковыми идентификаторами и никакой узел не может принять сообщения разных типов, но с одинаковыми идентификаторами. Это важно при распределении доступа узлов к шине.
В результате обеспечивается высокая гибкость сети. Добавление новых узлов приема осуществляется без модификации аппаратной или программной части сети. Протокол не требует назначения физических адресов принимающим узлам. Это позволяет синхронизировать распределенную обработку: информация, требуемая несколькими контроллерами, рассылается по сети, и нет необходимости оснащать каждый контроллер собственным датчиком.
Поразрядный арбитраж
Данные, подлежащие обработке в реальном масштабе времени, должны передаваться быстро, что требует не только высокой скорости передачи, но и быстрого предоставления шины, когда несколько устройств запрашивают ее для пересылки своих сообщений одновременно.
В системах реального времени срочность пересылаемых по сети сообщений бывает разной. Быстро меняющиеся величины, такие, как нагрузка двигателя, должны передаваться более часто и, следовательно, с меньшей задержкой, чем такие параметры, как относительно медленно меняющаяся температура двигателя.
Приоритет передаваемого сообщения входит в состав 11-битного идентификатора. Идентификатор с наименьшим двоичным значением имеет наивысший приоритет. Приоритеты задаются во время проектирования системы и динамически изменяться не могут. Конфликты доступа к шине разрешаются поразрядным сравнением идентификаторов, присвоенных каждой станцией. На рис. 3.5 приведен пример, иллюстрирующий описанную процедуру.
В отличие от метода арбитража CSMA/CD, используемого в Ethernet, недеструктивный метод разрешения конфликтов, применяемый в CAN, обеспечивает передачу только полезной информации.
Эффективность сети CAN определяется тем, что шина используется только теми узлами, у которых есть отложенные ("повисшие") запросы на передачу. Эти запросы обрабатываются в порядке степени важности сообщений для всей системы. Преимущества этого механизма особенно сказываются при сильной загрузке системы. Так как приоритеты доступа к шине базируются на сообщениях, можно гарантировать малое время задержки в системах реального времени.
Для обеспечения надежности в сети CAN реализуется децентрализованное управление шиной. Все основные механизмы связи, включая управление доступом к шине, реализуются в системе несколько раз.
Рис. 3.5. Принцип поразрядного арбитража
Формат кадра CAN
Рис. 3.6. Формат кадра CAN 2.0А
1) SOF (Start of Frame) - стартовый бит "начало кадра".
2) Поле арбитража, содержит 11-битный идентификатор и бит RTR запроса удаленной передачи (Remote Transmission Request). Этот бит указывает, передается ли кадр данных или кадр запроса (в котором отсутствует поле данных).
3) Управляющее поле содержит бит расширения идентификатора (IDE - identifier extension), который указывает тип формата кадра - стандартный или расширенный.
RO - зарезервированный для будущего применения бит
DLC - указание длины поля данных (4 бита).
4) Поле данных (0-8 байт)
5) Поле циклического контроля CRC, используется для определения ошибок (15 бит)..
6) Поле подтверждения (АСК) состоит из области АСК (1 бит) и ограничителя поля. АСК-бит помещается на шину передатчиком как рецессивный (логическая 1). Приемники, корректно принявшие эти данные, переписывают его в логический 0, делая его доминантным. Таким образом, передающий узел получает подтверждение, что хотя бы один приемник правильно принял его сообщение. Сообщения подтверждаются приемниками независимо от результата тестирования данных при приёме.
7) Конец сообщения указывается концом кадра, после которого идет пауза. Длина паузы равна минимальному количеству битов, отделяющих последовательные сообщения. Если в этот момент ни одна из станций не выдает запрос на доступ к шине, то шина остается незанятой.
В настоящее время CAN - интерфейс широко применяется во многих областях, в том числе в промышленной автоматике и в аэрокосмическом приборостроении. Предназначен для организации высоконадежных и недорогих каналов связи в распределенных системах управления.
Протокол CAN определяет только первые два уровня ISO/OSI – физический и уровень доступа к среде передачи данных и реализован в дешевых (менее доллара) широко распространенных микросхемах. Для превращения его в полнофункциональный сетевой протокол необходим дополнительный программный уровень. На базе CAN реализованы сети DeviceNet, SDS, CANOpen и др.
DeviceNet
Происхождение: Allen-Bradley, 1994 год.
Длина соединения: от 100 до 500 метров.
Скорость передачи данных: 125, 250 и 500 Кбит/с.
Максимальный размер сообщения: 8 байт на сообщение для одного узла.
Область применения: в основном сборочные, сварочные и транспортировочные агрегаты. Особенно широкое распространение данная шина получила в автомобильной и полупроводниковой отраслях промышленности.
Достоинства: низкая стоимость, широкое распространение, высокая надежность, эффективное использование пропускной способности, подача питающего напряжения по сетевому кабелю.
Одним из главных достоинств DeviceNet является поддержка нескольких типов обмена сообщениями. Для обеспечения наиболее эффективной передачи сообщений в сети одновременно могут использоваться несколько методов.
1) Опрос (Polling): опрашивающее устройство поочередно запрашивает данные из каждого устройства сети либо посылает данные в это устройство. Данный метод является самым совершенным, но и самым медленным.
2) (Широковещательное) стробирование (Strobing): опрашивающее устройство посылает подчиненным устройствам общий запрос, после чего подчиненные устройства по очереди отсылают главному данные о своем состоянии (первым отвечает узел с номером 1, вторым с номером 2 и т.д.). Меняя порядок нумерации узлов, можно задавать приоритетность сообщений. Опрос и широковещательное стробирование наиболее распространенные способы сбора данных.
3) Периодическая отсылка (Cyclic): сетевые устройства автоматически с установленной периодичностью передают центральному узлу сведения о своем состоянии. Сообщения данного типа, называемые иногда heartbeat-сообщениями (сообщениями типа "я живой"), нередко используются совместно с сообщениями об изменении состояния (Change of State) для индикации текущей работоспособности устройства.
4) Изменение состояния (Change of State): отсылка сообщения происходит только по факту изменения состояния устройства. Отличается наименьшими временными затратами, в крупных сетях его производительность может оказаться выше, чем в сетях с использованием метода опроса. Является самым экономичным с точки зрения временных затрат, но, иногда и наименее точным, поскольку производительность и время отклика становятся непредсказуемыми величинами.
5) Явное сообщение (Explicit Messaging): передача сообщения с одновременным указанием способа его интерпретации устройством. Широко используется для связи с такими сложными устройствами, как приводы и контроллеры в целях получения значений параметров, меняющихся не так быстро и часто, как производственная информация.
6) Фрагментированное сообщение (Fragmented Messaging): если размер передаваемого сообщения превышает восемь байт, оно может быть разделено на несколько восьмибайтовых фрагментов с последующим восстановлением сообщения в принимающем устройстве. Обычно фрагментирование выполняется автоматически, без вмешательства со стороны пользователя.
7) UCCM (UnConnected Massage Manager Менеджер однорангового обмена): UCMM-интерфейсы DeviceNet могут непосредственно взаимодействовать друг с другом на одноранговой (peer-to-peer) основе. В отличие от связи типа "главный-подчиненный", любое UCMM-устройство обменивается данными с другим UCMM-устройством напрямую, без предварительной отсылки информации в главное устройство.
Недостатки: ограниченные пропускная способность, размер сообщений и длина соединения.
CANopen
Происхождение: CAN in Automation, 1993 год.
Максимальное число узлов: 64.
Длина соединения: от 100 до 500 метров.
Скорость передачи данных: 125, 250, 500 и 1000 Кбит/с.
Максимальный размер сообщения: 8 байт на сообщение для одного узла.
Типы сообщений: аналогично DeviceNet.
Область применения: в системах управления перемещением (текстильная и полиграфическая отрасли, упаковочные линии, опрессовка под давлением), сварочных агрегатах, в роботизированном производстве, подъемных и транспортных системах.
Достоинства: по сравнению с другими сетями на базе CAN сеть CANopen в большей степени пригодна для быстродействующих систем управления и контуров регулирования с обратной связью. Высокая надежность, рациональное использование пропускной способности, подача питающего напряжения по сетевому кабелю. Основное отличие CANОpen от других промышленных шин, ориентированных на соединения типа Master/Slave, заключается в способности каждого узла самостоятельно обмениваться данными с другим узлом, минуя главное устройство.
Недостатки: малая распространенность за пределами Европы, сложность протокола, а также общие для всех CAN-сетей недостатки (ограниченная пропускная способность, ограниченный размер сообщений, ограниченная длина соединения).
Операционные системы реального времени (ОСРВ). Параметры ОСРВ, классы ОСРВ.
Задачи реального времени составляют одну из сложнейших и крайне важных областей применения вычислительной техники, связанных с контролем и управлением процессами. Область задач РВ: управление прокатными станами, роботами, транспортными системами, атомными станциями и др. Эти задачи предъявляют к аппаратному и программному обеспечению требования надежности, своевременной реакции на внешние события высокая пропускная способность передающей среды в распределенных системах, и т.д.
Каноническое определение: "Система реального времени, та, в которой правильный результат зависит не только от логической правильности вычислений, а также от времени, за которое будет получен результат. Если временные ограничения не выполняются, считается, что в системе случился сбой".Назовем системой реального времени (далее СРВ) аппаратно-программный комплекс, реагирующий в предсказуемые времена на непредсказуемый поток внешних событий.
Различают 2 типа СРВ:
1) Системы жесткого реального времени не допускают никаких задержек реакции системы ни при каких условиях. Примеры: бортовые системы управления, системы аварийной защиты, регистраторы аварийных событий.
2) Системы мягкого реального времени, в которых задержка реакции допустима, хотя и может привести к увеличению стоимости результатов и снижению производительности системы в целом. Пример - работа компьютерной сети. Если система не успела обработать очередной принятый пакет, это приведет к таймауту на передающей стороне и повторной посылке (в зависимости от протокола, конечно). Данные при этом не теряются, но производительность сети снижается.
Основное отличие между системами жесткого и мягкого реального времени можно выразить так: система жесткого реального времени никогда не опаздает с реакцией на событие, система мягкого реального времени - не должна опаздывать с реакцией на событие.
2 типа ОС:
1) ОС общего назначения (GPOS) ориентированы на оптимальное распределение ресурсов компьютера между несколькими одновременно выполняющимися программами (системы разделения времени),
2) ОСРВ (RTOS - real-time operating system) ориентированы на обработку внешних событий. Главная задача - своевременно обработать события, происходящие на объекте.
Под ОСРВ понимают такую систему, которая может быть использована для построения систем жесткого реального времени.
Применение ОСРВ всегда конкретно. Если ОС общего назначения обычно воспринимается пользователями (не разработчиками) как уже готовый набор приложений, то ОСРВ служит только инструментом для создания конкретного аппаратно-программного комплекса реального времени. И поэтому наиболее широкий класс пользователей ОСРВ - разработчики комплексов реального времени, люди, проектирующие системы управления и сбора данных. Проектируя и разрабатывая конкретную СРВ, программист всегда знает точно, какие события могут произойти на объекте, знает критические сроки обслуживания каждого из этих событий.
Параметры ОСРВ
1) Время реакции системы.События, происходящие на объекте, регистрируются датчиками, информация с которых передается в модули ввода-вывода системы управления. Модули ввода-вывода, получив информацию от датчиков и преобразовав ее, генерируют запрос на прерывание в управляющем компьютере. Получив запрос от модуля ввода-вывода, ОСРВ должна запустить программу обработки этого события.
Интервал времени - от момента возникновения события на объекте до выполнения первой инструкции программы обработки этого события - является временем реакции системы на события. Он складывается из
а) интервала от события на объекте до генерации прерывания (не зависит от ОСРВ и целиком определяется аппаратурой)
б) интервала от возникновения запроса на прерывание и до выполнения первой инструкции его обработчика (определяется свойствами ОСРВ и архитектурой компьютера).
Время реакции нужно оценивать в худшей для системы ситуации, в предположении, что процессор загружен, что в это время могут происходить другие прерывания, что система может выполнять какие-то действия, блокирующие прерывания.
2) Время переключения контекста– время, которое многозадачная ОСРВ затрачивает на передачу управления от процесса к процессу.
3) Размеры системы.Для ОСРВ важным параметром является размер системы исполнения, а именно суммарный размер минимально необходимого для работы приложения системного набора (ядро, системные модули, драйверы и т. д.). Хотя надо признать, что с течением времени значение этого параметра уменьшается, тем не менее, он остается важным, и производители ОСРВ стремятся к тому, чтобы размеры ядра и обслуживающих модулей системы были невелики. Например, размер ядра ОСРВ OS9 на микропроцессорах МС68xxx - 22 кбайт, VxWorks - 16 кбайт.
Время перезагрузки
Процесс проектирования конкретной СРВ начинается с тщательного изучения объекта. Определяются возможные события на нем, критические сроки реакции системы на каждое событие и разрабатываются алгоритмы обработки этих событий. Затем следует процесс проектирования и разработки программных приложений.
Идеальной ОСРВ является "система, управляемая критическими сроками". Разработка приложений РВ в этой системе сводится к описанию возможных событий с указанием: критического времени обслуживания данного события и адреса подпрограммы его обработки. Всю дальнейшую заботу о том, чтобы подпрограмма обработки события стартовала до истечения критического интервала времени, берет на себя ОС.
В реальности разработчик должен перевести язык событий объекта в сценарий многозадачной работы приложений ОСРВ, оптимально используя предоставленные ему специальные механизмы и оценить времена реакций системы на внешние события при этом сценарии.
Классы ОСРВ
1) Исполнительные системы реального времени.Признаки систем этого класса - различные платформы для систем разработки и исполнения. Приложение реального времени разрабатывается на host-компьютере (компьютере системы разработки), затем компонуется с ядром и загружается в целевую систему для исполнения. Как правило, приложение реального времени - это одна задача, и параллелизм здесь достигается с помощью нитей (threads).
Достоинства: высокое быстродействие системы. Достигается наличием только нитей (потоков), которые в отличие от процессов имеют малое время переключения контекста. Качество и функциональность систем разработки, так как они были изначально кроссовыми.
Недостатки: "зависание" всей системы при "зависании" нити, проблемы с динамической подгрузкой новых приложений, высокая цена (порядка $20000).
Область применения: компактные быстродействующие СРВ. Пример: VxWorks.
2) Ядра реального времени.В этот класс входят системы с монолитным ядром, где содержится реализация всех механизмов РВ. Исторически системы этого типа были хорошо спроектированы. В отличие от систем других классов, разработчики этих систем имели время для разработки систем именно РВ и не были ограничены в выборе средств (например, Microware имела в своем распоряжении три года для разработки OS9).
Системы этого класса, как правило, модульные, хорошо структурированные, имеют наиболее развитый набор специфических механизмов реального времени, компактные и предсказуемые.
Одна из особенностей систем этого класса - высокая степень масштабируемости. На базе этих ОС можно построить как компактные системы реального времени, так и большие системы серверного класса.
Пример: OS9, QNX.
3) UNIXы реального времени.Исторически СРВ создавались в эпоху расцвета UNIX и поэтому многие из них содержат те или иные заимствования из этой ОС (пользовательский интерфейс, концепция процессов и т.д.).
Часть разработчиков ОСРВ попыталась просто переписать ядро UNIX, сохранив при этом интерфейс пользовательских процессов с системой, насколько это было возможно. Реализация этой идеи не была слишком сложной, поскольку не было препятствия в доступе к исходным текстам ядра, а результат оказался замечательным. Получили и реальное время, и сразу весь набор пользовательских приложений - компиляторы, пакеты, различные инструментальные системы.
В этом смысле создателям систем первых двух классов пришлось потрудиться не только при создании ядра реального времени, но и продвинутых систем разработки.
Недостатки: СРВ получаются достаточно большими и быстродействие их ниже, чем у систем первых двух классов.
Пример: Lynx OS.
4) Расширения реального времени для Windows NT.Появление расширений реального времени для Windows NT обусловлено широкой распространённостью этой платформы, большому выбору прикладных программ, мощный программный интерфейс Win32 API.
Несмотря на то, что Windows NT создавалась как сетевая ОС, а не ОСРВ, в нее при создании были заложены элементы РВ, а именно: двухуровневая система обработки прерываний (ISR и DPC), классы реального времени (процессы с приоритетами 16-32 планируются в соответствии с правилами РВ). Причина появления этих элементов кроется в том, что у разработчиков Windows NT был опыт создания ОСРВ RSX11М для DEC.
Даже поверхностный анализ Windows NT показывает, что эта система не годится для построения систем жесткого РВ (система непредсказуема - время выполнения системных вызовов и время реакции на прерывания сильно зависит от загрузки системы; система велика; нет механизмов защиты от "зависаний" и пр. и пр.). Поэтому даже в системах мягкого РВ Windows NT можно использовать только при выполнении целого ряда рекомендаций и ограничений.
Разработчики расширений пошли двумя путями:
1. Использование ядра классических ОСРВ в качестве дополнения к ядру Windows NT. Пример: VxWorks (LP Elektroniks), InTime (Radisys). Предоставляется набор функций для связи приложений РВ и приложений Windows NT. Вначале загружается Windows NT, затем с помощью специального загрузчика загружается ОСРВ, распределяя под себя необходимую память Windows (что в дальнейшем позволяет избежать конфликтов памяти между двумя ОС). После этого управление переходит ОСРВ, отдавая процессор ядру Windows NT только в случаях, когда это позволяют приложения РВ. Синхронизацию и обмен данными между Windows NT и VxWorks осуществляет псевдодрайверы TCP/IP. Работу с объектом выполняет приложение РВ, передавая затем результаты приложениям Windows NT для обработки, передачи в сеть, архивирования и т. п.
2. Интеграция РВ в Windows NT путем исследования причин задержек и "зависаний" и устранения их с помощью подсистемы РВ. Решения фирмы VenturCom (RTX 4.2) базируются на модификациях уровня аппаратных абстракций Windows NT (HAL - Hardware Abstraction Layer) - программного слоя, через который драйверы взаимодействуют с аппаратурой. Модифицированный HAL и дополнительные функции (RTAPI) отвечают также за стабильность и надежность системы, обеспечивая отслеживание "зависания" приложений или блокировку прерываний. В состав RTX входит также подсистема РВ RTSS, с помощью которой Windows NT расширяется дополнительным набором объектов (аналогичным стандартным, но с атрибутами РВ). Введены объекты РВ (нити, потоки, процессы), которые управляются специальным планировщиком РВ (256 фиксированных приоритетов, алгоритм - приоритетный с вытеснением). Появляется возможность простого создания программ управления устройствами, так как среди функций RTAPI есть и функции работы с портами ввода-вывода и физической памятью. Предложения VenturCom предоставляют для Windows NT возможность конфигурирования и создания встроенных конфигураций (без дисков, клавиатуры и монитора).
Результаты независимых тестирований показывают, что данные решения можно использовать для построения систем жесткого реального времени.
Область применения расширений реального времени - большие системы РВ, где требуется визуализация, работа с базами данных, доступ в Интернет и т.п.
5) Windows CE версий 2.х не являются ОСРВ. Версия 3.0 и CE .NET позиционируются как ОСРВ. Microsoft открыл прое