Возможность работы в реальном масштабе времени, поддержка стандартов на все виды интерфейсов, обеспечение высокого уровня надежности при работе в достаточно дискомфортных условиях - все это позволяет выделить промышленные вычислительные системы в отдельную группу.
Промышленные системы реального времени находят сегодня все более широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. Они буквально жизненно необходимы в таких областях, как модули слежения за работой сердечно-сосудистой системы человека, комплексы управления космическими полетами, контроль за непрерывными производственными процессами, системы обеспечения безопасности, комплексы управления сетями коммуникаций.
Основное требование к вычислительным системам, специально выделяемым в отдельный класс, - это гарантированное время реакции на произошедшее событие. Уже из одного этого условия можно выделить три отличительных качества промышленных систем: максимально возможно близкая интеграция вычислительного блока к внешним периферийным устройствам и датчикам; использование отработанных и распространенных промышленных стандартов - как правило это VME, для обеспечения совместимости разнообразного оборудования и унификации протоколов работы с ними; использование ОС реального времени (РВ), гарантирующих выработку сигналов обратной связи за фиксированное время.
ОС реального времени
В какой-то степени под понятие ОС РВ можно сегодня подогнать многие современные операционные системы, способные за счет распараллеливания, оптимизации ввода/вывода и аккуратного планирования выполнять "на лету" поступающие запросы. Однако основной принцип построения операционных систем клона UNIX - это разделение времени с целью предоставить каждому пользователю свой ресурс. По своей природе ядро классических систем UNIX имеет достаточно большой размер, иногда не очень гибкую структуру, а главное не позволяет получать откликов в течение заранее определенного интервала времени. Главный критерий, по которому ОС можно разделить на "обычные" и ОС РВ - это детерминированная задержка прерывания или время ожидания, необходимое процессу прежде, чем он получит управление.
Большинство систем реального времени поддерживают стандарты VME, POSIX, а современные реализации также TCP/IP, NFS, X11 и Motif. Насколько сегодня велик интерес к ОС РВ, видно хотя бы из списка проектов (см. врезку), направленных на разработку коммерческих и свободнораспространяемых версий.
Каждая из ведущих фирм-производителей, выпускающих промышленные компьютеры, обязательно имеет сегодня версию своей ОС, для работы в реальном масштабе времени. Для компании HP - это HP RT, для компании SGI - это ОС REACT, а для систем фирмы Motorola - это целая плеяда различных ОС РВ. Среди них можно назвать LynxOS компании Lynx Real-Time Systems Inc. или многопользовательскую, многозадачную OS-9 фирмы Microware Systems Corporation.
Отличительная особенность системы HP RT - ее универсальность и гибкость. Ряд независимых производителей индустриальных систем, использующих оборудование на базе процессоров PA-RISC, поддерживают и применяют в своих решениях эту ОС РВ.
Другой, достаточно хорошо известной отечественным пользователям ОС РВ, является LynxOS, реализованная сегодня на платформах Intel 80386/80486/ Pentium, Motorola MVME, SPARC, R3000, PowerPC 601/603/604 и PA-RISC 7100. Как и большинство других систем реального времени, LynxOS является UNIX-подобной системой. LynxOS поддерживает POSIX.1, POSIX.4, POSIX.4a, Berkeley (BSD), System V (SVID) API. Обеспечивая детерминированные времена реакции в приложениях реального времени, данная система сохраняет полную совместимость с Unix и может использоваться как "обычная" ОС. Лицензией на эту ОС обладают сегодня компании IBM, HP, CDC и др.
Отличительные особенности данной ОС РВ - это полная защита памяти, позволяющая всем процессам работать в защищенном окружении, не конфликтуя с другими процессами и не оставляя незанятых участков памяти; поддержка интерфейсов связи TCP/IP, NFS RPC, STREAMS на стандарте System V UNIX, а также набора rsh, rlogin, rcp и telnet (ряд поставщиков ведут работы по включению в среду LynxOS средств работы с ATM и OSI); поддержка всех средств работы с X11 Window System Release 5, включая инструментарий Motif toolkit и оконные менеджеры от OSF; работа по протоколу SLIP для ассинхронных соединений RS-232. Кроме того,LynxOS способен мирно сосуществовать с другими ОС, причем в рамках одного диска. До четырех систем, среди которых SCO, BSD, SunOS, OS/2 и MS/DOS, могут делить с LynxOS жизненное пространство промышленной системы.
Система LynxOS имеет достаточно развитые средства разработки: компиляторы Си, С++, GCC, отладчики GDB и SKDB, утилиты и редакторы Emacs, make и т.п. Учитывая, что среди приложений LynxOS можно найти такие, как Video-On-Demand Server, системы имитации полетов, робототехнические комплексы и системы управления производством, для данной ОС, как впрочем и для любой другой операционной системы реального времени, имеются свои реализации СУБД. В случае LynxOS это CISAM (Infosoft), Empress RDBMS (Empress Software) и INFORMIX-ESQL/C (Infosoft).
Одно из основных требований к комплектации ОС РВ - модульность, обусловленная разнообразием областей применения и более тесной привязкой к реальному приложению, чем у универсальных систем, занимающихся обслуживанием прикладных пакетов. Принцип модульности хорошо иллюстрируется на примере ОС LynxOS, предполагающей разнообразные варианты поставки: ядро - только для OEM, создающих свои собственные прикладные пакеты и интерфейсные оболочки; Runtime OS - заранее сконфигурированные под конкретного пользователя версии без дополнительных утилит и компиляторов; Development OS - стандартный комплект из ядра, утилит, компиляторов и библиотек; Пакет TCP/IP, Streams, Netboot, SCMP - Development OS и различные дополнительные пакеты, среди которых TCP/IP в версии Berkeley Tahoe Release (BSD), интерфейс Transport Layer Interface по спецификациям AT&T Streams для UNIX Release 3.2, пакет ROM Boot для удаленной загрузки по сети на основе протокола TFTP, подсистема SCMP для работы в мультипроцессорном распределенном режиме MVME; Development Bundle - полный комплект всех имеющихся для LynxOS системных и инструментальных средств.
Три принципа - три категории MSR-ПРО. Из приведенной врезки видно, что в России сейчас имеется большое количество свободно распространяемых ОС РВ. При построении промышленных систем важно учитывать сегодня следующие особенности: низкая цена, простота использования и масштабируемость. Вероятно, именно этими критериями руководствовалось даже богатое министерство энергетики США при выборе суперкомпьютера, включающего 9 тыс. процессоров Pentium Pro и используемого для работ по моделированию систем национальной ядерной безопасности.
В качестве примера развивающейся отечественной промышленной системы можно назвать Многоканальный Регистратор Сигналов (MSR), использование которого позволило финансово-промышленной компании ЭСТРА, работающей в структуре Гособоронпрома, создать очень интересные приложения. Одно из них - цифровой комплекс стенографирования и регистрации фонограмм для автоматизации работы структур государственного управления. Как известно, адекватные протоколы конференций, совещаний и заседаний, особенно проводимых на высоком государственном уровне, необходимо получать достаточно оперативно. Именно для автоматизации подобной деятельности предназначена система MSR-ПРО, обеспечивающая одновременное прослушивание фонограмм и стенографирование с использованием текстового редактора, совмещение фонограмм и текстов, ведение архива выступлений, оперативный анализ и идентификацию материалов. В режиме реального времени одновременно по 16-ти каналам (микрофоны в зале, трансляция, телефон, факсимильная связь) происходит ввод речевой информации, устранение шумов, например вычленение из текста слов-паразитов или многочисленных пауз, отсечение посторонних шумов, наводок, либо выделение речи нужного оратора. Данная информация по сети распределяется на несколько рабочих мест стенографисток, которые, в зависимости от поставленной задачи, могут работать параллельно либо в режиме отложенной записи. После обработки вся информация записывается на магнитооптический диск и может неограниченно долго использоваться последующими поколениями ораторов. Существующая версия системы MSR-ПРО работает в полуавтоматическом режиме, предполагающем участие оператора, однако в следующей версии предусмотрено использование системы MSR-VRS - речевой печатающей машины, способной в реальном времени полностью автоматически формировать корректный, с точки зрения русского языка, текст выступления.
На примере системы MSR видно, как выполняются все перечисленные требования: цена в два-три раза ниже зарубежных аналогов, любое развитие, предполагающее масштабирование и включение новых функциональных возможностей, осуществляется силами российских специалистов даже с опережением спроса. Что касается компании ЭСТРА, то ее надежность и наличие широкого спектра интересов подтверждаются уже списком учредителей, среди которых: ЦНИИ "Электроника", концерн "Карат", "МЭЛЗ", Московский Радио-технический завод, НПК "Энергия", ГАО "Станкоинструмент", "Телекомстройпроект", "ОКА-банк" российских компаний как ЭСТРА. Единую технологию MSR можно также использовать и для построения других, самых разнообразных приложений. Изначальная специфичность областей применения и массовый характер внедрений предполагают простоту и надежность таких промышленных систем.