Témata
Reklama

Operační systémy reálného času s Win32 API

06. 09. 2006

Časy, kdy se do "holého" hardwaru počítače nahrál řídicí program, který vše řešil sám a nepoužíval operační systém, jsou až na výjimky minulostí. Snaha po zobecnění potřeb, hledání a nacházení společných rysů a následná standardizace zavedla používání operačních systémů. To nejdůležitější, co operační systém programátorům nabízí, jsou aplikační funkce (API). Ty jsou jako nedílná součást operačního systému připraveny v knihovnách a pro použití programátory definovány v hlavičkových souborech.

Řídicí průmyslové počítače na bázi architektury PC (IPC) dnes vynikají velkým výpočetním výkonem, vysokou spolehlivostí a stále nižší spotřebou energie. Lze je využít jako řídicí jednotky, které se dají dále propojovat do sítě počítačů s klientskými vizualizačními a parametrizačními programy. K těmto příznivým vlastnostem přistupuje i značná pestrost nabídky na trhu hardwaru a nízká pořizovací cena. Na druhé straně se s rostoucím výkonem hardwarové platformy zvyšuje důležitost role použité softwarové platformy. Zavedení operačních systémů umožnilo výrazně usnadnit vývoj, zvýšit spolehlivost aplikací a podstatně zkrátit dobu od zadání po uvedení výrobku na trh. Dnes je k dispozici celá řada různých operačních systémů s více či méně podobnými rysy, více či méně vhodné, drahé, levné, profesionálně podporované nebo bezplatné.Tento článek si klade za cíl vyzdvihnout a ukázat široké technické veřejnosti způsoby použití operačních systémů s nejznámějším programátorským rozhraním Win32 API v průmyslových a ostatních časově kritických aplikacích.

Reklama
Reklama
Architektura OS Windows s doplňkem RTX

Operační systémy s funkcemi Win32 API

Programátorské rozhraní Win32 API používá velká většina programátorů z celého světa, a to i v řídicích, časově kritických aplikacích. V důsledku toho je zajištěna velká přenositelnost a univerzálnost napsaných zdrojových textů programů a tím i ochrana investic vložených do vývoje.

Existuje více možností, který operační systém reálného času s Win32 API použít, takže se otevírá otázka optimální volby. Podstatnými faktory při volbě jsou:

  • typ použitého procesoru CPU;
  • rozsáhlost a požadovaná komplexnost řešení;
  • počet opakovaného nasazení vyvinutého produktu.
  • Operační systémy pevného reálného času

    Operační systém pevného reálného času (hard real-time) je obecně takový systém, jehož správný provoz závisí nejen na výsledcích, které z něj vzejdou, ale i na tom, kdy je získáme. Je důležité podotknout, že aktivita v pevném reálném čase neznamená nutně rychle - spíše ukazuje, jak deterministické jsou časové charakteristiky reakcí systému.

    Jinými slovy - důležitým výkonovým hlediskem není průměrný čas reakcí, ale čas reakce v tom nejhorším případě, přičemž požadavek na stanovení času reakce je absolutní, bez výjimky.K požadavku na časový determinismus přistupují ještě další požadavky, které systémy reálného času typicky poskytují:

  • preemptivní plánovač s velkým počtem nastavitelných priorit vláken;
  • prediktivní mechanismus synchronizace vláken;
  • systém dědičné priority;
  • rychlé hodiny a časovače.
  • Rozšíření Windows na systém reálného času

  • příliš málo priorit vláken;
  • neprůhledná a nedeterministická rozhodnutí plánovače;
  • vznik inverze priorit, zvláště při zpracování přerušení.
  • Ani Windows XP Embedded, které jsou v podstatě Windows XP s utilitou pro nakonfigurování podle použitého hardwaru, nejsou operační systém reálného času. Teprve po nainstalování doplňku RTX (Real-Time eXtension) od společnosti Ardence se Windows 2000/XP začnou chovat jako opravdový systém reálného času. Rozšíření RTX přidává plánování úloh v reálném čase a zkracuje rozlišitelnou jednotku času z 5 ms přibližně na 10 ?s. Stručně řečeno, doplněk RTX je implementován jako kolekce knihoven - subsystém reálného času (RTSS). Knihovny poskytují přístup k subsystému prostřednictvím funkcí RT API (real-time API), které tak tyto objekty zpřístupňují.Za pozornost stojí, že RT API lze vyvolat jak ze standardního prostředí Win32, tak i v rámci RTSS. Při používání RT API z Win32 ale není k dispozici determinismus poskytovaný v rámci RTSS. Vše, co je nutné ke konverzi programu používající Win32 do programu používající RTSS, je znovu slinkovat aplikaci s jinou kolekcí knihoven.Přidáním RTX k Windows 2000/XP se okna začnou chovat jako opravdový systém reálného času.

    Nezávislý plánovač vláken RTSS v RTX může běžet v popředí i při obsluze vlákna přerušení OS Windows a může být používán jak na jednoprocesorovém, tak symetrickém víceprocesorovém stroji, beze změny jádra Windows a ovladačů zařízení. Aplikace pak také nemusí při startu či restartu počítače čekat, než se spustí operační systém (to znamená, že může být spuštěna za méně než 3 s od startu počítače). K RTX patří i podpůrné nástroje a doplňky - TimeView, Platform Evaluator a RT TCP/IP:

  • TimeView je určeno pro časovou analýzu vzniklých událostí. Zaznamenává v přirozeném pořadí, s časovými značkami, volitelné systémové a aplikační události. Ukazuje sled spouštění a časování událostí, přerušení, přepínaní kontextů vláken a vzájemné interakce aplikací;
  • Platform Evaluator umožňuje dokumentovat a charakterizovat schopnosti reálného času použité hardwarové platformy. S jeho pomocí lze určit optimální konfigurace hardwaru pro dosažení vlastností reálného času;
  • RT TCP/IP umožňuje použít vysoce výkonné síťové protokoly reálného času do aplikace v prostředí Windows + RTX. Umožňuje pokračování běhu síťových aplikací i při obsluze systémové výjimky OS Windows (Blue Screen).
  • PharLap ETS - kompaktní operační systém s Win32 API

    Ačkoliv se může zdát, že je jen málo rozdílů mezi víceúlohovými a víceprocesními systémy, je vhodné si oba pojmy trochu ozřejmit. Každý proces je složen z mnoha vláken a každé vlákno může mít vlastní prioritu pro plánovaní svého provádění (Ve PharLap ETS jsou všechna uživatelská vlákna složkou jediného procesu jádra). Vlákna v procesu sdílejí stejný adresní prostor, globální proměnné, paměťovou hromadu (heap) a proměnné prostředí. Každé vlákno má vlastní zásobník registrů a priority.

    PharLap ETS je operační systém, který používá pouze vlákna k provádění více úloh v rámci jednoho procesu, a má tudíž nejmenší režii pro přepínání kontextů úloh, protože je zde zapotřebí nejmenší množství registrů a dalších informací, jež musí být ukládány a obnovovány v průběhu přepínání mezi úlohami. Tato skutečnost dělá z PharLap ETS neobyčejně rychlý a současně hardwarově nenáročný operační systém pevného reálného času. PharLap ETS je navržen pro "střed trhu" - poskytuje síťové možnosti, podporuje internetový server i GUI (grafické rozhraní). V rámci systémů reálného času se vyznačuje nejlepším poměrem schopností reálného času k ceně systému. Pro mnohé platformy může být operační systém PharLap ETS spuštěn i bez BIOS, napsáním vlastního spouštěcího kódu.

    Plánování běhu programových vláken (scheduling) je deterministické, tzn. že "poběží" vždy povolené programové vlákno s nejvyšší prioritou a bude aktivní, buď dokud není zablokováno jiným právě povoleným vláknem s vyšší prioritou, anebo, je-li povoleno časové sdílení, dokud nevypršel sdílený čas a není zde jiné povolené vlákno se stejnou prioritou. Plánovač běhu programových vláken brání vzniku chybového efektu prioritní inverze zajištěním běhu vlákna s nejvyšší prioritou tak, že se snaží uvolnit blokující vlákno dynamickým zvyšováním priorit.Frekvence, s níž jádro ETS přepíná mezi vlákny se stejnou prioritou - časové sdílení procesoru (slicing), je řízena podle délky časového sdílení procesoru každým vláknem. Standardně je časové sdílení nastaveno na 10 ms. Omezení periody "tiků" systémového časovače závisí na použitém hardwaru. Pro systémy kategorie PC/AT se tato perioda pohybuje mezi 1 až 55 ms. V jádře ETS jsou ovšem i funkce pro stanovení impulzů systémových hodin ve zlomcích milisekund.

    Příklady použití Windows + RTX

    RTX zavádí do Windows subsystém reálného času RTSS a přináší schopnost provádět řídicí operace na průmyslové úrovni, v pevném reálném čase. Dovoluje nahradit funkce DSP (Digital Signal Processor) a jiných pomocných koprocesorů (tzv. "smart" karet) pro funkčnost reálného času čistě softwarovým řešením, pouze v rámci vyvíjeného programu.S příchodem dnešních výkonných a cenově dostupných procesorů se dají funkce zajišťované koprocesory jednoduše nahradit softwarovými úlohami v časově kritickém prostředí RTSS, které "běží" současně se standardními aplikacemi. Toto řešení uspoří značné prostředky, například za ušetřené "smart" karty, tj. V/V karty s vlastním CPU. Ty lze nahradit běžnými kartami, které jsou řízeny v reálném čase přímo z cílové aplikace.Jiným příkladem je realizace směrovače VoIP (Voice over IP) s rozšířenými funkcemi.

    Tato implementace komunikačního zařízení poskytuje současně několik funkcí. Řekněme, že systém musí pro dvě spojení LAN realizovat směrovač, který garantuje kvalitu služby (QoS) a běh aplikačního serveru. Windows XP poskytují tyto služby skoro na všech platformách, avšak realizace směrovače QoS vyžaduje zvýšenou pozornost. Windows XP sice dokážou zabezpečit softwarové směrování, ale nemohou zaručit dobu odezvy, speciálně v případě vysokého zatížení RAS nebo zatížení od aplikačního serveru. Opět existují dvě možná řešení: jedno spočívá v přidání směrovací "smart" karty s QoS, která provádí směrování mezi dvěma spojeními LAN. Druhá možnost spočívá v naprogramování QoS a směrování v reálném čase s pomocí RTX přímo v hostitelském CPU. Pod Windows XP může běžet aplikace serveru a veškeré služby RAS a procesy VPN, zatímco pod RTSS, prioritně před všemi procesy Windows XP, jsou realizovány NIC ovladače a samotné směrování. Výhodou tohoto přístupu je nižší cena, jelikož není potřeba žádný dodatečný speciální hardware, ale stačí nám dvě obyčejné "hloupé" síťové karty.

    Příklady použití PharLap ETS

    Závěr

    RTX jako doplněk reálného času od americké firmy Ardence prokazuje, že s vybranou škálou rozšíření je možné vylepšit systém Windows 2000/XP nebo embedded XP tak, aby měl vlastnosti operačního systému pevného reálného času a zároveň s tím byl nadále používán jako univerzální platforma. Výsledný systém vyhovuje tlakům determinismu, které jsou nutnou součástí světa reálného času a současně poskytuje prostředí, které je blízké pro široké pole uživatelů. Použité řešení umožňuje vystavět takové systémy, které mají nepřekonatelný poměr cena/výkon. Doplněk RTX je vhodný jak pro použití ve vestavěných (embedded) systémech, tak i pro výkonné high-end aplikace. Operační systém PharLap ETS je obecně považován za nejkompaktnější operační systém reálného času postavený na bázi Win32 API pro vestavěné aplikace.

    Jeho portace na 32bitový hardware kompatibilní s IBM x86 a Pentium je bez problémů a celkové použití je snadné. Přestože se nejedná o produkt společnosti Microsoft, používá vývojové prostředí MS .NET a Visual C++, které spolupracuje s linkovacím programem LinkLoc ze softwarového balíku ETS SDK a vytváří tak exekutivní mikrojádro, schopné spuštění dokonce i v paměti ROM. Je až překvapující, že se během deseti let podařilo změnit pomalá, neefektivní a rozměrná PC na vysoce výkonné efektivní embedded systémy pracující v reálném čase, které umožňují realizaci všech druhů časově kritických aplikací. Zároveň s hardwarem se vyvíjí i software, aby dokázal splnit nové náročné požadavky, ovšem krok směrem k univerzálním systémům a jejich dalším aplikacím je stále v začátcích. Podrobnější informace o zmiňovaných operačních systémech reálného času s Win32 API získáte při návštěvě expozice společnosti dataPartner, s. r. o., na MSV 2006.

    Ing. Ladislav Reisner

    Umístění na MSV: pavilon Z, stánek 139

    dataPartner

    www.datapartner.cz

    szylar@datapartner.cz

    Reklama
    Vydání #9
    Kód článku: 60917
    Datum: 06. 09. 2006
    Rubrika: Trendy / MSV 2006
    Autor:
    Firmy
    Související články
    Inovace a zvýšení produktivity obrábění v leteckém průmyslu

    Svět se pod tlakem pandemie mění a s ním se mění i pohled na letecký průmysl. Kvůli těmto změnám je třeba pomáhat zákazníkům jejich výrobu nejen znovu rozbíhat, ale i optimalizovat. O to důležitější je pro firmu Gühring dívat se do budoucnosti a nepodléhat krizovým tendencím. Gühring je tradičním dodavatelem pro letecký průmysl, a to nejen u nás v České republice, ale i celosvětově.

    900 000 nástrojových datových záznamů navíc

    Nové rozhraní výrazně rozšiřuje datovou nabídku pro uživatele systému TDM. Ti mají nově k dispozici nástrojová data od více než 40 výrobců, tedy téměř pro každou obráběcí operaci.

    Japonské brousicí stroje

    Japonská společnost Okamoto působí na trhu již necelých sto let. Za dobu své existence vyprodukovala mnoho typů strojů, všechny však brousicí. Následující článek představuje historii tohoto tradičního japonského výrobce a průřez portfoliem brousících strojů.

    Související články
    Na konstrukci záleží - maximalizace výkonu výrobní linky

    V současné době moderních výrobních technologií požadují různá průmyslová odvětví rychlá a efektivní řešení pro hromadnou výrobu. Pro tento účel byly navrženy výrobní linky. Ty se skládají z několika zpravidla jednoúčelových strojů vybavených různými typy nástrojů pro různé obráběcí operace, jako jsou soustružení, vrtání, frézování anebo vyvrtávání. Každý jednotlivý stroj může být vybaven několika vřeteny s řeznými nástroji pro obrábění různých povrchů obrobku, což znamená, že současně může pracovat i několik desítek nástrojů.

    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Související články
    Broušení ve velkém stylu

    I při velkoformátových dílech je broušení první volbou pro jisté dosažení požadované kvality v závěrečném, vše určujícím pracovním kroku.

    Skutečná tvář zakázkového obrábění

    Jak se společnost Pfeiffer stala beta testerem řídicího systému Sinumerik? A jak se vůbec Jak tento systém dostal do světa zakázkového obrábění a provozu obroben? Nebyl to vůbec lehký začátek a pro projektového manažera Karstena Schwarze ze společnosti Siemens, který stojí za tímto historickým milníkem, to nebylo vůbec snadné.

    Nová generace plně elektrických vstřikovacích strojů

    V říjnu 2020 představí společnost Engel novou generaci plně elektrických vstřikovacích strojů e-mac spolu s náročnou aplikací výroby hrotů pipet. Stroje nové generace budou ještě kompaktnější a přitom maximálně flexibilní s ohledem na nejrůznější individuální požadavky zákazníků.

    Edge computing pomáhá definovat podnikovou přeměnu

    Edge computing už není jen vzdálený koncept. Jak podniky implementují flexibilní řešení pro hybridní cloud a jak se pokrok v open source systémech, jako je Kubernetes, a technologiích pro 5G stává realitou, tak se rozvíjí i edge computing. Kombinací těchto technologických sil vzniká rámec pro podnikové řešení edge computingu, které vezme moc z rukou několika a předá ji do rukou mnoha .

    Kolaborativní roboty - potenciál automatizace v automobilovém průmyslu

    Kolaborativní roboty, neboli koboty, vytvářejí další příležitosti pro automatizaci automobilového průmyslu. Jsou charakteristické svou schopností pracovat ve specifické výrobní oblasti, po boku pracovníků. Dále pak rychlou implementací a snadným přesunem na nové úkoly. V neposlední řadě i intuitivním programováním a obsluhou. Mohou pomoci v procesech jako je vstřikování, při obsluze strojů nebo při balení a paletizaci ve velkých i malých podnicích.

    Stroje a technologie: letět ještě výš

    Okolo nás pole, před námi malá obecní silnice a nápis „Business Park Holzhausen“. Nic nenaznačuje, že v tomto malém městě poblíž letiště v Linci za okamžik objevíme obrovský technologický potenciál. Společnost Peak Technology byla založena v roce 2007 Dieterem Grebnerem. Zaměřuje se na dodávky komplexních ultralehkých kompozitů na bázi karbonových vláken pro Formuli 1 či letecký průmysl.

    Zaměřeno na povrch

    Vývoj výrobních technologií a metod ověřování jejich kvality si vynucuje plynulé zdokonalování způsobů kontroly jakosti výrobků. Společnost Taylor Hobson, přední výrobce metrologických prostředků, rozšířila řadu svých měřících přístrojů pro měření a hodnocení textury, tvaru a kontury povrchu.

    Snížení energetické náročnosti výroby díky digitalizaci

    Digitální transformace výroby je současným největším trendem nejenom v oblasti průmyslu. Přechod na nové, modernější technologie napříč jednotlivými odvětvími, od automobilového průmyslu přes stavebnictví až po farmacii, se závratným tempem zrychluje.

    Budoucnost české výroby

    Česká výroba prochází složitým obdobím. Naši výrobci musí každý den řešit složité úkoly a problémy, za které si z části ani nemohou. Doba už je taková, je potřeba se jí ale postavit čelem.

    Špičková podávací linka vysokopevnostních plechů

    Rodinná firma Iron se díky firemní kultuře neustálého výzkumu a inovací stala významným hráčem ve výrobě zakázkových plecho-tvářecích linek. Vyrábí také systémy pro odvíjení a rovnání svitků ve všech rozměrech, a to od nejmenšího podavače o šířce 100 mm až po největší systémy, až do šířky 2 000 mm. Společnost zaznamenává mimořádný růst produkce a ve svých dvou závodech v Itálii dnes disponuje výrobní plochou více než 6 500 metrů čtverečních.

    Reklama
    Předplatné MM

    Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

    Proč jsme nejlepší?

    • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
    • Vysoký podíl redakčního obsahu
    • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

    a mnoho dalších benefitů.

    ... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

        Předplatit