Operační systémy reálného času s Win32 API

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.

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:

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:

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:

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.

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.

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