Sistemas Operativos de Tiempo-Real

Transcripción

1 Sistemas Operativos de Tiempo-Real 1 Por qué un Sistema Operativo? La ejecución de un único programa es fácil. La ejecución de dos o tres programas no es excesivamente complicado, pero la ejecución de mas de cinco programas puede ser difícil sin la solicitud de ninguna ayuda. Se ha de tener control sobre: Las Áreas de Memoria. Los Contadores de Programa. La Planificación (Scheduling), es decir la ejecución de una instrucción en cada instante. Comunicaciones y Sincronización entre Programas. Los Controladores de Dispositivo (Device Drivers) Un Sistema Operativo no es otra cosa que un programa que proporciona funciones comunes requeridas por la mayoría de las aplicaciones. 2 1

2 Definiciones de un Sistema Operativo de Tiempo-Real POSIX Estándard Real time in Operating Systems is the ability of the operating system to provide a required level of service in a bounded response time. Wikipedia, la enciclopedia libre: Is a class of operating system intended for Real- Time applications. A RTOS facilitates the creation of a Real-Time System, but does not guarantee the finished product will be Real-Time; this requires correct development of the software 3 Clasificación de los Sistemas Operativos GPOS: Sistemas Operativos de Propósito General (General Purpose O.S.) Demasiado costosos para aplicaciones empotradas (embedded). Demanda creciente de funcionalidad en Tiempo-Real. ASOS: Sistemas Operativos Específicos para una Aplicación (Application Specific O.S.) Adecuados para aplicaciones empotradas (embedded). Requieren a menudo un elevado proceso de configuración y adaptación (extensiones). 4 2

3 Criterios de Diseño Técnicos en la Selección de un RTOS CPU y requisitos de memoria. Modelo de Kernel. Modelo de Procesos. Modelo de Planificación (scheduling). Modelo de Manejo de la Memoria. Modelo de Interrupciones. Comunicaciones entre Procesos IPC (Inter Process Communications). Modelo de Manejo de Fallos (Fault Management Model). Modelo de Controladores de Dispositivo (Device Driver Model). Modelo de Carga y Desalojo de Programas (bootstrapping & swapping). 5 Criterios de Diseño Técnicos en la Selección de un RTOS Productos adicionales (Protocolos, Protección de Memoria, Sistemas de Archivos, ) Integración con productos de terceros. Prestaciones totales. Provisiones de Seguridad Física (1) (Safety Provisions). Provisiones de Seguridad (1) (Security Provisions) Entorno de desarrollo, Herramientas de desarrollo. (1) Según wordreference.com safety se refiere a la seguridad física mientras que security se refiere a la seguridad en el delito. 6 3

4 Funciones Básicas de un Sistema Operativo Manejo de Procesos (Process Management) Manejo de Memoria (Memory Management) Manejo de Interrupciones (Interrupt Handling) Manejo de Excepciones (Exception Handling) Sincronización de Procesos (Process Synchronization) Planificación de la CPU (CPU Scheduling) Manejo del Sistema de Archivos (Disk Management) 7 Funciones Básicas de un SO de Tiempo-Real (RTOS) Manejo de Tareas (Task Management). Manejo de Interrupciones (Interrupt Handling). Manejo de Memoria (Memory Management). Memoria no virtual para las Tareas de Tiempo- Real Estricto. Manejo de Excepciones (Exception Handling) Sincronización de Tareas (Task synchronization) Evitar la Inversión de Prioridades (Priority Inversion) Manejo del Tiempo (Time Management) Planificación de la CPU (CPU Scheduling) 8 4

5 Estándares en Sistemas Operativos POSIX Unix98 EL/IX µtron OSEK Real-Time Specification for Java (RTSJ) Ada 95 Real-Time CORBA 9 La Tarea: Noción Básica en un RTOS Tarea (Task) = Proceso (Process) = Trabajo (Job) = Hilo (Thread) Un programa secuencial en ejecución. Que se puede comunicar con otras tareas. Que puede utilizar recursos del sistema.... La única diferencia es el Tiempo de Finalización (Deadline) de la Tarea. 10 5

6 Clasificación de las Tareas por sus Deadlines Tareas de Tiempo-Real Estricto (Hard Real-Time Tasks): Deben de concluir su ejecución antes de su Tiempo Máximo de Finalización conocido (Deadline). De otra forma se produce un fallo en el sistema (i.e.. control ABS) Tareas de Tiempo-Real Flexible (Soft Real-Time Tasks): Pueden continuar su ejecución después de su Tiempo Máximo de Finalización conocido (Deadline) (i.e.. Sistemas Multi-Media, la Web, etc.) Tareas Asíncronas de Tiempo-Real (On-Time Real- Time Tasks) (i.e.. alarmas) Tareas que no son de Tiempo-Real (Non RT Tasks or Background Tasks) 11 Clasificación de las Tareas por su modo de comienzo Tareas Periódicas: Su disposición al comienzo ocurre a una frecuencia fija y se caracterizan por 3 parámetros (C, D y T) donde: C Tiempo de Computación (Computing Time) D Tiempo de Finalización (Deadline) T Periodo (i.e.. 20ms, ó 50Hz) Usualmente D = T, pero también D < T ó D > T También se denominan Tareas Activadas por Tiempo (Time-driven Tasks), su activación se realiza mediante temporizadores. Tareas No Periódicas o Aperiódicas: Dirigidas por eventos (event driven) y activadas mediante interrupciones. Tareas Esporádicas Son Tareas Aperiódicas pero con un mínimo intervalo de tiempo T min En el peor de los casos se pueden considerar como tareas periódicas con un periodo T = T min. 12 6

7 (I) Derivaciones de MS Windows: Embedded XP (XP e ), Windows CE (Windows Mobile para Pocket PC y SmartPhones). VxWorks de Wind River Systems ( Variaciones de Linux: Blue Cat Linux ( (Embedded) Red Hat Linux ( FSM RT-Linux ( Monta Vista Linux ( TimeSys Linux ( 13 (II) LynxOS ( QNX ( Extensiones de Tiempo-Real de Solaris (Solaris Real-Time Extensions) TRON Especificación de Sistema Operativo de Tiempo- Real para Sistemas Empotrados en Japón. Dispone de múltiples perfiles para fiferentes tipos de dispositivos. FreeRTOS ( 14 7

8 VxWorks (I) Fabricante: Ind. River Systems, Inc. (USA): Es el S.O. de Tiempo-Real de la plataforma de desarrollo de sistemas empotrados Tornado II (Windows y UNIX). Herramientas de desarrollo cruzado host-target: Compilador, Enlazador (Linker) y Cargador (Loader) para el sistema destino (target). Depurador (debugger) remoto. Determinación de tiempos de ejecución Simulador del sistema sobre el host. Soporte de un gran número de placas comerciales mediante Board Support Packages (> 200): Inicialización del HW Configuración de interrupciones y temporizadores Mapeo de Memoria (Memory Mapping), etc. 15 VxWorks (II) Interfase con varias APIs (más de 1800 funciones) Arquitectura Micro-Kernel que permite adaptarlo a la complejidad particular de cada caso. Utilizado en diferentes tipos de aplicaciones: desde automoción (Antilock Braking Systems) a aplicaciones espaciales (Mars Path-Finder), equipamiento de oficina (impresoras, faxes, etc.) y electrodomésticos (microondas, lavavajillas, etc.). Adaptado a diferentes CPUs: PowerPC, Motorola 68K Intel 80x86, Intel ARM SPARC etc

9 VxWorks (III) Arquitectura Micro-Kernel (Microkernel Wind) de unos pocos KB que incluye : Planificador multitarea basado en prioridades y con desplazamiento: 256 prioridades. Número ilimitado de tareas. Primitivas de sincronización y comunicación entre tareas. Soporte a interrupciones. Gestión de temporizadores de vigilancia (watchdog timers). Gestión de memoria. 17 QNX (I) QNX Software Systems Ltd. (Ontario - CANADA) QNX Neutrino Real-Time OS está compuesto por un Micro-Kernel que gestiona un grupo de procesos cooperantes que proporcionan servicios de alto nivel. La arquitectura NEUTRINO actúa como una especie de bus software que permite incorporar/anular módulos dinámicamente. Micro-Kernel muy optimizado y reducido (12K): Planificadores de Tareas para Tiempo-Real. Comunicación y sincronización entre tareas. Intercambio de recursos. Interfase de red. Manejadores de Interrupción (Interrupt Handlers). 18 9

10 QNX (II) Es un sistema operativo fundamentado en el paso de mensajes a lo largo de todo el sistema y en el procesamiento distribuido: Tanto el paso de mensajes como la gestión de la red son servicios básicos, no añadidos: El paso de mensajes es el mecanismo fundamental de comunicación entre tareas implementado en el mismo kernel. Todos los recursos del sistema están disponibles para cualquier proceso sin ningún tipo de añadido especial al ser diseñado como un sistema de red desde el principio. mayor eficiencia, transparencia y flexibilidad. Los procesos del sistema no se diferencian en nada de los procesos del usuario, incluso los drivers de dispositivo: De esta manera, pueden ser iniciados y detenidos en cualquier momento como cualquier proceso normal. 19 QNX (III) Aplicaciones de QNX: Equipamiento de monitorización de plantas nucleares. Dispositivos de instrumentación médica. Sistemas de procesamiento químico. Space Shuttle. Microprocesadores soportados: 80x , 80386EX, Am386SE/DE, AMD ElanSC400/410, 80486, Cyrix, Pentium, Pentium Pro, Pentium II PowerPC 401, 403, 603e, 604e, 750, etc. MIPS R4000, R5000, etc... Buses soportados: ISA, PCI, VME, STD, STD32, PC/

11 FreeRTOS FreeRTOS.org TM en un Sistema Operativo de Tiempo-Real para Sistemas Empotrados (1) que ha sido portado a numerosos microcontroladores. FreeRTOS se distribuye bajo licencia GPL con una excepción opcional. Esta excepción permite pasar de una solución de código abierto a una licencia comercial. De esta forma se facilita el uso de FreeRTOS en aplicaciones comerciales. FreeRTOS se ha diseñado para ser pequeño y sencillo. Las fuentes del kernel consisten en 3 o 4 archivos en C mas sus respectivas cabeceras. FreeRTOS soporta co-rutinas, tareas y numerosas formas de IPC. Todas las tareas (y co-rutinas) se ejecutan en un solo espacio de memoria (muy similar a los hilos de Linux). El planificador de puede ser configurarse para trabajar en modo preemptivo (2) o cooperativo. SafeRTOS TM es un RTOS con certificación de seguridad SIL3 (3) con el mismo modelo funcional de FreeRTOS. OpenRTOS TM es el FreeRTOS con licencia comercial y sin referencia a la licencia GPL. (1) Embedded (incrustado, embebido, integrado, ). (2) Preemptive: "Se dice que un planificador es preemptivo cuando es capaz de interrumpir y suspender la ejecución de un proceso, en cualquier momento. (3) SIL: Safety Integrity Level (Nivel de Integridad de Seguridad)

12 Referencias Modern Operating Systems - Andrew S. Tanenbaum thor_tanenbaum/custom/mos2e/ Análisis de Sistemas Operativos de Tiempo Real Libres - Diego López Zamarrón oc/sotr.pdf 23 12