Print

Operační systém reálného času jak jej neznáte

-- 21.06.07

Zabudované operační systémy reálného času (real-time operating systems – RTOS) se změnily a nyní jsou doplněny o větší konektivitu při zachování bezpečnostních osvědčení a parametrů.

Zabudované operační systémy reálného času zajišťují, že letadla, vlaky a automobily, stejně jako výrobní zařízení, plní své úkoly přesně na čas. Hlavním rysem zabudovaného RTOS musí být předpoklad, absolutní záruka toho, že s tiknutím vnitřních hodin počítače nebo při přijetí přerušení bude systém náležitě reagovat.

Ale dnes to již nestačí. Mezi další požadavky patří bezpečnost, zabezpečení a komunikace. Vezměme si zkušenost dodavatele průmyslové regulace, společnosti Siemens Energy and Automation (SEA) z Norcrossu ve státě Georgia v USA. Společnost chtěla ve výrobních prostorách svého zákazníka využívat PC. Jak uvádí Eric Kaczor, manažer produktového marketingu technického softwaru SEA, technici rychle zjistili, že standardní kancelářské PC zde nebude vhodné. Aby předešli výpadkům a zamrznutí PC, rozhodli se pro RTOS.

Avšak potřeba zachovat kancelářské aplikace pro PC hrála roli při výběru RTOS. „Když jsme si vybírali operační systém reálného času hledali jsme prostředí, v němž bychom mohli snadno používat také naše kancelářské aplikace,“ říká Kaczor.

Více funkcí než PLC

V dnešní době musejí RTOS zvládat konektivitu různého typu, splňovat požadavky bezpečnostních certifikací, požadavky na zabezpečení a v zásadě vypadat jako kancelářský osobní počítač. Dodavatelé RTOS reagovali doplněním funkcí a schopností, které kladou značné nároky na paměť a další omezení. Naštěstí je možné RTOS značně zeštíhlit a zajistit, aby RTOS a jakékoli aplikace pracovaly v rámci dostupného prostoru. Pohled na oblast RTOS v současnosti ukazuje, jak se mění a jak podporují řešení průmyslových, automatizačních a regulačních aplikací.

Společnost SEA se rozhodla pro svá průmyslová PC Simatic Microbox 420 použít RTX RTOS společnosti Ardence, dceřinné společnosti Citrix se sídlem ve Walthamu ve státě Massachusetts. Možnosti RTOS jsou větší, než by se běžnému pozorovateli mohlo zdát. „Podívá se a řekne si – je to jen PLC…, a přitom si neuvědomí, že je jeho funkčnost větší než u PLC,“ říká Kaczor.

Součástí této větší funkčnosti je konektivita. Paul Chen, manažer produktové linie VxWorks dodavatele RTOS Wind River Systems se sídlem v Alamedě v Kaliforni, poznamenává, že spojení s vnějším světem je významným požadavkem u špičkových operačních systémů reálného času. Patří zde technologie žádané uživateli, jako je USB, Ethernet a bezdrátové připojení. Koncoví uživatelé také očekávají standardy, jako jsou Internet nové generace (IPv6), různé varianty bezdrátového protokolu 802.x, MIPv4 a MIPv6 pro mobilní aplikace, společně s IPsec a HTTPS pro potřeby zabezpečení.

Zákazníci dávají dodavatelům RTOS vodítko. „Pokud software operačního systému reálného času tyto technologie neposkytuje, naši zákazníci si tyto vrstvy programují sami,“ říká Chen.

Hrozí ale, že by doplňky koncového uživatele nebo výrobce OEM mohly ovlivnit funkci softwarového plánovače – nejdůležitější součásti RTOS, která zajišťuje jeho determinismus. Protože znají kód, mohou dodavatelé RTOS doplnit funkce bez odstranění té části jejich produktu, která pracuje s reálným časem.

Totéž platí pro bezpečnostní certifikace a zabezpečení. Výše uvedené se objevuje u systémů využívajících přenosu vzduchem, u průmyslových aplikací a lékařského softwaru regulovaného předpisy začínajícími následujícími třípísmennými zkratkami: FAA DO-178B, IEC 61508 a FDA 510(k).

Doplněná konektivita zvyšuje nároky na zabudovaný RTOS, zejména pokud jde o bezpečnost. Jednou variantou zabezpečení je typ používaný v armádě, který v minulosti udržoval různé úrovně zabezpečení u různých systémů. Dnes je snahou přinést všechny úrovně do jedné hardwarové jednotky, což znamená, že kombinace hardwaru a softwaru musí udržet „přísně tajné“ informace v přísném utajení.

Další variantou zabezpečení je typ, který všichni známe z kancelářských počítačů, kde programy mohou pronikat do jiného paměťového prostoru a mohou zaútočit vnější síly.

Chen poznamenává, že hardwarová vylepšení, což je třetím nejvýznamnějším faktorem ve prospěch špičkových zabudovaných RTOS, nabízejí určitou pomoc při prevenci těchto problémů. Zaprvé, výrobci polovodičů doplňují zpracující prvky do svých čipů, takže software může být odlehčen o specializované funkce.

K těmto funkcím například patří šifrování pro zabezpečení a srovnání vzorků pro detekci síťových virů. „Specializovaný hardware je obvykle rychlejší než software, takže RTOS software musí být schopen podporovat a využívat nejrůznější hardwarové technologie,“ říká Chen.

Dodává, že vícejádrové procesory nyní začínají být dostupné pro zabudované aplikace. Rozdělením procesoru na homogenní jednotky neboli jádra, mohou výrobci mikroprocesorů taktovat každý z nich pomaleji, a tím snížit celkovou spotřebu energie při dosažení lepšího výkonu. Proto mohou zabudované RTOS těžit z tohoto hardwaru, pokud software podporuje vícejádrové procesory.

Robert Day, viceprezident marketingu společnosti Lynuxworks se sídlem v San Jose v Kalifornii, poznamenává, že jádra moderních mikroprocesorů nabízejí specializované oddělené paměťové oddíly, které udržují a zajišťují vzájemnou oddělenost. Tuto koncepci lze rozšířit používáním malého RTOS jako hlavního dozorce a umožnit RTOS a jeho aplikacím běžet v jedné části paměti, zatímco aplikace nepracující v reálném čase mohou běžet v jiné.

Dan Mender, ředitel rozvoje obchodu dodavatele RTOS, společnosti Green Hills Software Inc. se sídlem v Santa Barbaře v Kalifornii, doplňuje, že používání principu odděleného jádra zajišťuje zabezpečený systém a má i další přínosy. Říká: „Stejné principy, které izolují a zadržují útoky v jedné oblasti systému lze použít pro vytvoření systémů, které jsou bezpečné proti neúmyslným programátorským chybám“.

Holá nutnost

Kromě schopnosti podpory a využití těchto hardwarových inovací musí RTOS splňovat požadavky na konektivitu, bezpečnost a zabezpečení. Avšak Robert Day rychle poukazuje na další funkce programu, které jsou naprostou nezbytností. Zejména zde musí být určitá forma komunikace, aby aplikace s více úkoly běžícími najednou nepřekážela druhým.

„Většina aplikací s více úlohami tak vyžaduje určitou formu meziúlohové komunikace, jako jsou fronty, semafory a zámky Mutex, přičemž tyto zámky jsou důležité pro aplikace, které si nemohou dovolit mít problémy s inverzí priority, jež by dovolily úlohám s nižší prioritou blokovat životně nezbytné funkce systému,“ říká Robert Day.

Pro aplikace průmyslové automatizace Day dodává, že RTOS by měly dovolovat plánování metodou RMS (frekvenčně monotónní plánování) a časové a prostorové dělení. První metoda je odvozena od taktu vnitřních hodin, takže časová okna pro jednotlivé úlohy jsou rovnoměrně rozdělena, zatímco druhá zajišťuje, že kritické úlohy dostanou konstantní časové okno.

Existují také určitá hlediska související s komunikačními protokoly a aspekty specifické pro automatizační aplikace a zařízení. Mohu být zapotřebí, ale také nemusí, neboť jiné standardy, jako jsou IPv4 a IPv6, mohou být dostatečné. Avšak jistě je užitečné mít tyto protokoly k dispozici. Do seznamu patří Controller Area Network (CAN), OPC, Distributed Common Object Model neboli DCOM, průmyslová WLAN pro bezdrátovou komunikaci, Profinet nebo jiný protokol průmyslového Ethernetu a webové služby běžící pod XML a SOAP (které tvoří základní vrstvu zásobníku webových služeb a poskytující základní komunikační rámec, na kterém mohou stavět více abstraktní vrstvy). V bezdrátové oblasti existují rovněž nové technologie a standardy, jako je ZigBee, které pro RTOS mohou představovat velkou neznámou.

Mark Hamilton, technik provozních aplikací dodavatele middlewaru společnosti Real-Time Innovations, Inc. (RTI) se sídlem v Santa Claře v Kalifornii, má bohaté zkušenosti s navrhováním, vývojem a využíváním systémů reálného času pro zpravodajské služby a armádu. I když je dlouhý seznam protokolů a dalších prvků hezký, a možná i potřebný, upozorňuje, že existuje omezení toho, kolik lze na RTOS naložit.

S tím, jak se součástí systému stává více funkcí, přijde okamžik, kdy plánovač prostě nedokáže řídit softwarová vlákna. V takovém případě utrpí škodu determinismus RTOS. Poté systém může nabízet funkčnost osobního počítače a také se tak chovat.

Není překvapením, když zdůrazňuje, že middleware může pomoci vyhnout se těmto problémům prostřednictvím řízení komunikace mezi softwarovými aplikacemi. Tato schopnost RTOS umožňuje odložit určitou zátěž prostřednictvím své konektivity a nenarážet na omezení plánovače. Middleware může dokonce přidat hodnotu dodáním určitých předem připravených řešení obvyklých problémů.

„Middleware může přinést schopnost přenášet data velmi efektivně mezi procesory, které jsou součástí vašeho systému, a to tak, že se nemusíte bát napsat balík síťového kódu,“ říká Hamilton.

Toto odlehčení a dělení může být nezbytné i z jiného důvodu, než jsou omezení plánovače. Zabudovaný RTOS obvykle pracuje v prostředí s omezenou pamětí a ukládacím prostorem. Zároveň ale zařízení přidávají nové funkce a aplikace se zvětšují. Výsledkem je, že paměťový půdorys RTOS musí zůstat malý a přitom podporovat rostoucí funkčnost zařízení.

Pro splnění těchto protichůdných požadavků volí dodavatelé RTOS několik přístupů. Jeden ze způsobů je nechat konečné rozhodnutí v rukou vývojářů a koncových uživatelů. Konečná konfigurace RTOS je dána přidáním nebo odebráním modulů při budování systému, což umožňuje přesnější kontrolu při řešení dilematu mezi funkční schopností a paměťovým půdorysem. Potenciální úspory dané tímto přístupem mohou být značné.

Například během vývoje a testování se uživatelé mohou rozhodnout, že do kódu umístí body diagnostických informací. Po dokončení vývoje lze tyto diagnostické body odstranit a někdy tak uspořit až dvoumístné procento velikosti paměťového půdorysu.

Moduly samotné proto musí být malé. Tím je zajištěno, že konečná verze a samotný RTOS budou kompaktní. Avšak jiným řešením může být zmenšení velikosti aplikace pečlivým výběrem programovacího jazyka a kompilátorů. Na velikost aplikace mohou mít dramatický vliv. Například software společnosti National Instruments LabView má možnosti pro vývoj, integraci a opětovné použití stávajícího kódu a umožňuje programování pod RTOS pro nejrůznější cíle.

Jak ukazuje interakce mezi RTOS a velikostí aplikace, jakékoli kroky, které podniknete pro zvládnutí těchto omezení, budou dány integrací mezi RTOS, aplikacemi, softwarovými nástroji a hardwarem. Todd Brian, manažer produktového marketingu řady Nucleus Kernals dodavatele automatizace navrhování elektroniky, společnosti Mentor Graphics Corp. se sídlem ve Wilsonvillu v Oregonu, poznamenává, že žádný dodavatel RTOS není izolovaný. Všichni pracují ve stejném ekosystému a tato skutečnost má zásadní význam pro získání nejlepšího výkonu zabudovaného RTOS. „Dodavatel potřebuje partnery, kteří se integrovali s jeho operačním systémem. Tímto způsobem pak nejsou zatěžováni integračním procesem,“ říká Brian.

Tato integrace je ve prospěch dodavatelů RTOS a koncových uživatelů a je něčím, na co bychom se měli zaměřit u zabudovaného RTOS a dodavatele. „Složitost zařízení roste tak rychle, že poskytování softwaru již nestačí. Tento software musí být integrován, takže zákazník již nemusí nést tuto zátěž,“ dodává Brian.

Pro více informací navštivte:
www.ardence.com
www.controleng.com
www.ghs.com
www.lynuxworks.com
www.mentor.com
www.microchip.com
www.ni.com/realtime
www.rti.com
www.sea.siemens.com
www.siliconsystems.com
www.windriver.com


Sponzorované odkazy

 
Aktuální vydání
Reklama

Navštivte rovněž

  •   Události  
  •   Katalog  

Události

Technical Computing Camp 2019
2019-09-05 - 2019-09-06
Místo: Hotel Fontána, Brněnská přehrada
Moderní technologie ve farmacii
2019-09-24 - 2019-09-24
Místo: Brno
Moderní technologie v potravinářství
2019-09-25 - 2019-09-25
Místo: Brno
Mezinárodní strojírenský veletrh 2019
2019-10-07 - 2019-10-11
Místo: Výstaviště Brno
MSV TOUR 2019
2019-10-07 - 2019-10-10
Místo: MSV, Brno

Katalog

EWWH, s. r. o.
EWWH, s. r. o.
Hornoměcholupská 68
102 00 Praha 10
tel. 734 823 339

BALLUFF CZ s.r.o.
BALLUFF CZ s.r.o.
Pelušková 1400
19800 Praha
tel. 724697790

B+R automatizace, spol. s r.o.
B+R automatizace, spol. s r.o.
Stránského 39
616 00 Brno
tel. +420 541 4203 -11

Schneider Electric CZ, s. r. o.
Schneider Electric CZ, s. r. o.
U Trezorky 921/2
158 00 Praha 5
tel. 00420737266673

COGNEX
COGNEX
Emmy-Noether-Str. 11
76131 Karlsruhe
tel. 720 981 181

všechny firmy
Reklama


Tematické newslettery




Anketa


Na internetu
V tištěných médiích
Na veletrzích a výstavách
Jinde

O nás   |   Reklama   |   Mapa stránek   |   Kontakt   |   Užitečné odkazy   |   Bezplatné zasílání   |   RSS   |   
Copyright © 2007-2019 Trade Media International s. r. o.
Navštivte naše další stránky
Trade Media International s. r. o. Trade Media International s. r. o. - Remote Marketing Továrna - vše o průmyslu Control Engineering Česko Řízení a údržba průmyslového podniku Inteligentní budovy Almanach produkce – katalog firem a produktů pro průmysl Konference TMI