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.


Перечень проектов ОС реального времени

  • Chimera - институт Карнеги-Меллона. ОС РВ для многопроцессорных промышленных систем, используемых в таких отраслях, как робототехника и системы автоматического контроля.
  • Chorus - компания Chorus Systemes. Семейство ОС РВ с открытой архитектурой микроядра, совмещающее преимущества распределенных систем при работе в таких отраслях, как телекоммуникации, межсетевые взаимодействия, бортовые комплексы с высокопроизводительными суперкомпьютерными системами и отказоустойчивыми комплексами.
  • Harmony - национальный исследовательский комитет Канады. Многозадачная, многопроцессорная система реального времени для управления роботизированными комплексами и в других приложениях, требующих предсказуемого времени отклика.
  • Lynx - компания Lynx Real-time Systems ОС РВ из клона UNIX-систем, обеспечивающая детерминированное время отклика по запросам. Отличается поддержкой всех стандартов POSIX 1003.1.
  • Mach - институт Карнеги-Меллона. Mach является базой для многих исследовательских проектов, в частности для приложений реального времени. Данный проект получил также поддержку в университете штата Юта и OSF Research Institute. Версии реального времени разрабатываются в рамках проекта Real-Time Mach Project.
  • Maruti - университет Мерилэнд. Универсальная ОС РВ, интегрирующая потребности многих категорий пользователей, с возможностью работать в реальном масштабе времени и разработкой приложений на базе промышленных стандартов.
  • PUMA - проект Sandia National Laboratory, известной своим компьютером Intel/Paragon, объединяющим до 9 тыс. процессоров Pentium. Задача этого нового проекта - создание ОС реального времени для масштабируемых параллельных систем.
  • QNX - распределенная, отказоустойчивая ОС РВ, построенная на архитектуре микроядра, имеет сертификат POSIX для клона ПК x86. Размер микроядра 10 Кбайт позволяет более эффективно использовать небогатые обычно ресурсы промышленных компьютеров для размещения разнообразных сервисов высокого уровня. Данная система QNX на базе обычных ПК дает возможность строить распределенные комплексы, полностью отвечающие требованиям, предъявляемым к индустриальным компьютерам.
  • RTEMS (Real-Time Executive for Military Systems) - Военный Арсенал Redstone. Данная система предназначена для работы в бортовых комплексах, выполняющих следующие задачи: управление неоднородными многопроцессорными системами, обеспечение режима оперативной реакции на события, планирование расписаний и управляющих команд, управление трафиком телекоммуникаций, динамическое размещение ресурсов.
  • RTMX O/S - компания RMX Incorporated. Данная ОС - пример коммерческой реализации известной системы BSD 4.4 для приложений реального времени. Система имеет полный комплект стандартных средств разработчика для построения приложений с BSD networking и X Window, а также развитую среду программирования на языке Си.
  • RTX - это очень компактная и весьма скорострельная система, позволяющая обрабатывать сигналы и синхронизировать запросы от многих процессоров. Распространяется свободно. Spring Real-Time Project - университет Массачусетс. Система построена на базе архитектуры микроядра и предназначена для управления ресурсами распределенных мультипроцессорных комплексов. Поддерживаются все виды интерфейсов с удаленными процессами, обеспечивается дисциплина работы с распределенной памятью и коммуникациями через протоколы низкого уровня. Ядро существует в рамках интегрированной среды Spring, содержащей всю семантическую информацию о состоянии промышленной системы.
  • VxWorks - компания Wind River Systems. Отличительная черта системы - возможность управлять работой сложных комплексов реального времени и бортовых устройств, использующих процессорные элементы различных поставщиков. Три основных компонента данной ОС РВ образуют единую интегрированную среду: собственно ядро системы, управляющее процессором; набор средств межпроцессорного взаимодействия; комплект коммуникационных программ для работы с Ethernet или последовательными каналами связи.
  • Поделитесь материалом с коллегами и друзьями