Операционные системы реального времени. Операционные системы реального времени для начинающих

Представлен обзор сравнительных характеристик ОС РВ, присутствующих на российском рынке, применительно к использованию в авиационных системах управления.

05.05.2008, ПН, 23:56, Мск

Благодаря развитию вычислительной техники в последнее время стало возможным возложить на один модуль задачи, выполняемые ранее несколькими процессорными модулями, при этом улучшив массогабаритные характеристики системы управления и снизив ее стоимость. Такая тенденция в авиационной технике привела к появлению концепции интегрированной модульной авионики - ИМА (Integrated Modular Avionics,IMA).

Проблема интеграции функций управления в единый модуль состоит в том, что необходимо разделять ставшие теперь общими ресурсы (процессорное время, память, каналы обмена) между различными задачами, при этом обеспечивая такой же уровень надежности и независимости функций, как и был ранее. Ключевую роль в решении данной проблемы играет операционная система реального времени.

В настоящее время на мировом рынке присутствует несколько коммерческих ОСРВ для ответственных применений (табл. 1). В данной статье приведен обзор ОСРВ, доступных на российском рынке, на основе информации из открытых источников и личного опыта авторов.

Документы, регламентирующие требования к ОСРВ

Стандарт DO-178 (Software Consideration in Airborne Systems and Equipment Certification) определяет требования к процессу разработки программного обеспечения и тщательности его проверки в зависимости от его уровня критичности. Уровень критичности ПО определяется на основе анализа серьезности последствий отказа в ПО. Всего предусмотрено пять уровней критичности ПО (от A до E).

MILS (Multiple Independent Levels of Secutiry) представляет собой специальный подход к проектированию ОС, препятствующий распространению ошибок прикладного программного обеспечения во время выполнения, а также упрощающий верификацию программ за счет модульности ПО. Все приложения помещаются в так называемые разделы (partitions). Разделы имеют выделенные ресурсы (область памяти, процессорное время в течение каждого цикла системы, доступ к каналам обмена и пр). Доступ к выделенным ресурсам гарантируется ОС, работающей в режиме супервизора. Таким образом, на одном процессорном модуле под управлением одной ОС может работать прикладное ПО разного уровня критичности - если сбой произойдет в менее критичном (и, соответственно, менее проверенном) ПО, это никак не повлияет на работу других разделов, так как попытки «узурпировать» чужие ресурсы будут пресечены операционной системой. Идеи MILS перекликаются с идеями ИМА и DO-178B.

Ошибка 404. Не удаётся найти страницу.

Возможно, это случилось по одной из этих причин:

– ошибка при наборе адреса страницы (URL)
– переход по «битой» (неработающей, неправильной) ссылке
– запрашиваемой страницы никогда не было на сайте или она была удалена

Вы можете:

– вернуться назад при помощи кнопки браузера Назад (Back)
– проверить правильность написания адреса страницы (URL)
– воспользоваться картой сайта или перейти на главную страницу

Стандарт ARINC-653 (Avionics Application Software Standard Interface) специфицирует интерфейс прикладного программного обеспечения APEX, поддерживающий концепцию разделов в духе MILS. Данный интерфейс включает функции управления разделами, процессами, разделением времени, коммуникациями между разделами и внутри раздела, мониторинг состояния системы. Надо отметить, что стандарт ARINC-653 описывает общепризнанный подход к реализации идей MILS для ИМА, хотя могут быть и другие реализации. Авиационная ОСРВ, соответствующая ARINC-653, имеет преимущества, так как данный стандарт хорошо известен и понятен международным сертифицирующим органам, поэтому на систему, построенную по этому стандарту, проще получить сертификат соответствия DO-178B.

Стандарт Reusable Software Components. В соответствии с DO-178B программное обеспечение той или иной системы авиационного применения проходит процедуру сертификации полностью, даже если оно использует модули (компоненты), которые уже были сертифицированы ранее в составе другой системы. Одной из последних инициатив FAA (Федеральное агентство по сертификации гражданской авиации, США) является определение критериев возможности многократного использования ПО без повторной сертификации. Компоненты, которые можно повторно не сертифицировать, называются RSC (Reusable Software Components). Чтобы получить сертификат на RSC, нужно затратить больше усилий, но затем RSC дает серьезную экономию.

Российские документы, определяющие требования к ПО (и в том числе к ОСРВ):

ГОСТ Р ИСО/МЭК 51904-2002 ("ПО встроенных систем. Общие требования к разработке и документированию") - аналог DO-178B для военной авиации;
КТ-178А ("Квалификационные требования часть 178А") - аналог DO-178B для гражданской авиации;
ГОСТ Р ИСО/МЭК 12207-99 ("Информационная технология. Процессы жизненного цикла программных средств").

Сравнение ОС РВ проводилось по 13 параметрам, которые учитывают технические критерии, удобство разработки и экономические параметры.

Временные параметры ОС

Одним из основных требований к ОС РВ является минимальное время задержки обработки того или иного события. На практике это означает, что должны быть малы следующие параметры:

время отклика на прерывание - время между фактическим возникновением прерывания и началом обработки первой инструкции обработчика прерывания;
время переключения потока управления - время переключения между двумя потоками в одном процессе;
время переключения контекста процесса (только для ОС, поддерживающих модель процессов) - время переключения между двумя потоками управления, принадлежащими двум различным процессам.

К сожалению, объективно сравнить указанные параметры различных ОС РВ не просто, потому что данные параметры зависят не только от качества ОС, но и от возможностей используемой аппаратной платформы. В идеале, все сравниваемые ОС должны быть установлены на одну и ту же аппаратную платформу, после чего должны быть сделаны соответствующие измерения. Но даже эти измерения не дадут объективного результата, потому что различные ОС могут быть в большей или меньшей степени адаптированы к конкретной аппаратуре.

Для сравнения временных параметров в данной статье использованы фрагментированные данные, найденные в Сети, которые зачастую получены при тестировании ОС на различном оборудовании, при этом не всегда понятен состав и характер тестов.

Достаточно объективными данными можно считать результаты, полученные экспертами журнала Dedicated System, проводившими тестирование и практическое сравнение QNX RTOS 6.1, VxWorks AE 1.1 и Windows CE.NET на x86 платформе. Хотя на сегодняшний момент эти данные устарели, авторам данной статьи не удалось найти более свежего материала. В табл. 2 приведены выборочные данные о сравнении производительности QNX Neutrino 6.1, VxWorks AE 1.1. В отчете Dedicated Systems предпочтение с точки зрения быстродействия было отдано QNX, причем отношение баллов было установлено как 9:5 (QNX:VxWorks), потому как в процессе тестирования в VxWorks были обнаружены две ошибки, за исправлением которых пришлось обращаться в службу поддержки.

В табл. 3 приведены данные о характеристиках LynxOS. Состав использовавшихся тестов не указан. В качестве данных о характеристиках LynxOS интересна четвертая колонка (тестирование на x86-платформе). По сравнению с VxWorks и QNX, ОС РВ LynxOS показывает огромную задержку при реакции на прерывание (более чем в 5 раз). Время переключение контекста (имеется в виду время переключения между двумя потоками в одном процессе) одинаковое с QNX и меньше примерно в 1,5 раза, чем у VxWorks.

Стабильность временных параметров

Помимо временных характеристик для ОС РВ важна также стабильность этих характеристик. Именно этот критерий во многом определяет «жесткость» ОС РВ, т.е. предсказуемость времени обработки данных, момента выдачи результатов и т.д.

Исходя из данных журнала Dedicated System, QNX опережает по этому критерию VxWorks как по разбросу характеристик в серии однотипных тестов (отношение максимума времени к среднему значению существенно меньше), так и с ростом нагрузки (время переключения потока при увеличении числа потоков 2...128 ед. у QNX выросло только в 1,65 раза, тогда как у VxWorks - в 2,24 раза).

По данным, полученным в компании РТСофт, известно, что LynxOS имеет приблизительно те же характеристики, что VxWorks.

Управление доступом к ресурсам

Оценим качество разграничения доступа, предлагаемое той или иной ОС РВ, к критическим ресурсам вычислительной системы, таким как память и процессорное время.

Первый вопрос, на который нужно найти ответ - поддерживает ли ОС модель процессов. Процесс - это логический объект, который владеет одним или несколькими потоками, ассоциированными с ними ресурсами и контекстом - содержимым регистров и счетчиков в каждый отдельный момент времени.

Задача процессов состоит:

в разграничении доступа к оперативной памяти между различными программами в процессе исполнения;
в разграничении областей видимости глобальных переменных в момент компиляции (критично, если прикладное ПО написано на языке Си, который не поддерживает такое разграничение).

Сегментирование также обеспечивает разделение адресных пространств (в этом смысле возможности сегментирования и процессов дублируют друг друга). Кроме того, сегментирование обеспечивает каждому сегменту, содержащему один или несколько процессов (или потоков, если ОС не поддерживает модель процессов), гарантированный бюджет времени. Таким образом, если высокоприоритетный поток зациклится и нарушит работу своего сегмента, все остальные сегменты будут получать процессорное время в соответствии с установками, определенными на стадии проектирования, и продолжать нормально функционировать.

LynxOS и QNX поддерживают как модель процессов, так и сегментирование. ОС VxWorks имеет механизм сегментирования, но не поддерживает процессную модель. В целом, это допустимо, так как сегментирование обеспечивает разделение адресных пространств. Но отсутствие процессов несет некоторые неудобства. Обычно деление на сегменты выполняется исходя из целевого предназначения ПО и его критичности. Например, некоторый сегмент может содержать ПО управления пилотажно-навигационным комплексом, имеющее высокий уровень критичности. Но данное ПО также представляет собой достаточно сложный комплекс, который логично было бы разделить на независимые (по памяти) модули. ОС VxWorks такую возможность не предоставляет, то есть сегмент будет состоять из потоков с общей памятью, что усложняет организацию параллельной разработки и, в конечном счете, снижает надежность ПО.

Поддержка мультипроцессорных и распределенных систем

Стоимость многопроцессорных модулей в последнее время существенно снизилась, и потому они стали все чаще применяться во встроенных системах. Разумеется, ОС РВ должна обеспечивать поддержку таких плат.

Другое перспективное направление в построении САУ - это распределенные системы, где модули разнесены в пространстве, а коммуникация между ними происходит через некоторую сетевую среду. Опять же применяемая ОС РВ должна иметь удобные и надежные средства для организации взаимодействия модулей: поддержка различных сетевых протоколов, средства обеспечения сетевой прозрачности.

ОС РВ QNX предлагает поддержку многопроцессорных плат. Для VxWorks такая поддержка пока только анонсирована. Авиационной версии LynxOS с поддержкой многопроцессорных плат пока тоже не существует.

В отношении поддержки сетевых протоколов нужно отметить, что ОС РВ LynxOS, VxWorks и QNX обладают примерно равными (и широкими) возможностями. Дополнительным плюсом ОС РВ QNX является ее специальная архитектура сетевой подсистемы, обеспечивающая сетевую «прозрачность» прикладных программ: любой процесс может вызвать другой процесс на удаленном модуле так же, как и процесс на локальном модуле.

Поддержка файловых систем

Возможность хранения информации в виде файлов является удобной и традиционной. И наоборот, отсутствие такой возможности создает трудности при хранении редко изменяемых данных и создании распределенных систем.

В табл. 4 показана поддержка файловых систем каждой из рассматриваемых ОС.

QNX обладает наиболее широкой поддержкой файловых систем. Кроме того, ее файловая система на флэш является отказоустойчивой.

Качество документации

Качество документации ОС РВ LynxOS, VxWorks, QNX достаточно высокое. Однако есть и нарекания по поводу документации:

QNX - отличное описание архитектуры и принципов построения, но недостаточное описание интерфейса прикладного программирования (дано описание не всем параметрам, есть несоответствия);
VxWorks - нет объяснения принципов работы и недостаточное описание сложного процесса конфигурирования ОС.

Тем не менее, компании работают над качеством материала. Документация на текущую версию QNX (6.3.2) существенно расширена, налицо переработка некоторых частей.

Качество технической поддержки

По качеству официальной технической поддержки несомненный лидер - это LynxOS. Компания LynuxWorks обещает дать ответ на любой технический вопрос в течение 4 часов с момента опубликования запроса. LynxOS распространяется на территории России компанией РТСофт, имеющей большой штат сотрудников, способных оказать квалифицированную помощь. Недостатком LynxOS является то, что ОС пока что не очень распространена в России, соответственно, нет сформировавшегося сообщества пользователей, и даже нет русскоязычного форума.

Компания QSS (производитель QNX) также предлагает хорошее качество технической поддержки, но быстрота ответа не гарантируется. В отличие от LynxOS ОС РВ QNX имеет хорошо организованное сообщество пользователей как за рубежом, так и в России. Ответы на большинство вопросов можно найти на этих форумах. QNX в нашей стране распространяется компанией «СВД Встраиваемые Системы», сотрудники которой способны оказать грамотную техподдержку и выполнить работы по адаптации ОС на специфичные процессорные платы. Кроме того, компания имеет прямые контакты с QSS и может получить консультации по сложным вопросам у разработчика ОС РВ QNX.

Компания WindRiver, разработчик VxWorks, традиционно придерживается закрытой технической политики, то есть информацию о принципах работы ОС получить достаточно тяжело. Русскоязычного форума у данной ОС также нет. ОС РВ VxWorks у нас в стране распространяется компанией «АВД Системс», которая в основном занимается продажами готовых программно-аппаратных решений зарубежного производства.

Открытость исходных кодов

Открытая ОС РВ имеет по крайней мере три преимущества:

разработчики прикладного ПО могут разобраться в сложных проблемах без привлечения службы технической поддержки;
проще сертифицировать (на отсутствие закладок и т.д.);
динамичнее развитие, так как в компанию-разработчик ОС РВ зачастую приходят не только запросы на исправления ошибок, но и предложения по устранению ошибок, улучшению системы. Сообщества разработчиков открытых ОС РВ, как правило, растут гораздо быстрее, лучше организованы. Появляются независимые эксперты, помогающие решать задачи службы технической поддержки и участвующие в развитии, отладке и тестировании системы.

С сентября 2007 года компания QSS открыла исходные коды ядра QNX (включая пакет сегментирования Adaptive Partitioning, пакет высокой готовности High Availability). Немногим позже были открыты исходные коды сетевой подсистемы. В настоящее время на официальном сайте доступна для скачивания бета-версия 6.4.0.

Надо отметить, что на сегодняшний день не все модули QNX открыты (например, нет кодов для графической и файловой систем), и лицензия налагает ограничение на использование «исходников»: только для некоммерческого применения. Тем не менее, пользователь QNX получает указанные выше преимущества бесплатно.

Исходные коды LynxOS и VxWorks доступны в продаже. Цена на такой продукт договорная.

Инструментальные средства

Наличие хороших инструментальных средств во многом определяет качество и скорость разработки прикладных программ под ту или иную ОС. Надо отметить, что LynxOS, VxWorks и QNX в настоящее время предоставляют хорошего качества инструментальные средства, которые включают интегрированную среду разработки (ИСР) и отладки прикладного ПО, средства профилирования программ (для обнаружения «узких мест» по производительности, памяти и пр.). Эргономика ИСР для данных ОС РВ в целом не уступает развитым средствам разработки для обычных ОС (например, MS Windows).

Переносимость прикладного ПО

Переносимость прикладного ПО обеспечивает возможность его использования под другие ОС (в том числе, не ОС РВ). Переносимость дает определенную независимость разработчику прикладного ПО от ОС РВ: в случае необходимости можно с невысокими издержками перейти на другую ОС.

Возможность написания переносимого ПО определяется в текущий момент соответствием стандарту POSIX. Все рассматриваемые ОС РВ поддерживают стандарт POSIX 1003.1. Преимущество есть у LynxOS - данная ОС обладает бинарной совместимостью с ОС Linux. То есть приложения Linux могут быть запущены под LynxOS без перекомпилирования. И, наоборот, приложения LynxOS могут быть запущены в Linux (версии 2.4.x c библиотекой языка Си glibs версии 2.2.2).

Остальные ОС РВ для запуска Linux-приложений требуют их перекомпиляции. В этом случае зачастую процесс переноса даже POSIX-совместимых приложений может стать достаточно трудоемким из-за разницы в реализации библиотек и компиляторов.

Поддержка процессорных архитектур

Отечественные разработчики систем управления для авиации в сегодняшний период перехода от внутрифирменных ОС к коммерческим зачастую оказываются в ситуации, когда нужно подобрать и адаптировать ОСРВ к уже существующей процессорной плате. В этом случае одним из ключевых аргументов при выборе ОС является поддержка архитектуры процессора, используемого на плате.

Соответствие авиационным стандартам

В зарубежной практике ПО для систем авионики должно иметь сертификат соответствия стандарту DO-178B. Если ПО разных уровней критичности выполняется на одном процессорном модуле, то применяемая ОСРВ должна поддерживать концепцию разделов. (Иначе доказать нераспространение ошибки практически невозможно). Как уже говорилось, лучше, если интерфейс программирования ОСРВ соответствует стандарту ARINC-653, так как стандарт хорошо известен зарубежным сертификационным органам.

LynxOS в части соответствия стандартам является лидером. Она поддерживает ARINC-653, существует достаточно примеров систем, сертифицированных по DO-178B, построенных на ее основе. Ключевым моментом является то, что компания LynuxWorks предлагает набор RSC (правда, авторам статьи ничего не известно о цене).

VxWorks соответствует стандарту ARINC-653, и системы, построенные на ее основе, могут быть сертифицированы по DO-178B (существует большое число примеров).

QNX не соответствует ARINC-653, и пока не существует систем на их основе, сертифицированных по DO-178B.

Надо отметить, что QNX-системы принципиально могут использоваться для построения ИМА, потому что QNX поддерживает свой метод обеспечения концепции разделов, который является весьма хорошей альтернативой ARINC-653 и, кроме того, позволяет экономить процессорное время.

В части аналогичных российских стандартов для военной авиации (ГОСТ Р ИСО/МЭК 51904-2002) нет еще ни одного примера сертифицированной системы, хотя принципиально на основе любой из рассматриваемых ОС можно такую систему разработать. Для ОС РВ QNX в настоящее время ведется работа по подготовке основных модулей ОС к сертификации.

Развитость системы подготовки специалистов

Быстрота и качество обучения персонала, работающего с ОС РВ и различными инструментариями по разработке и отладке ПО напрямую связано со скоростью разработки ПО и его качеством. Ведущие компании в области встроенного и системного ПО, такие как WindRiver, LynuxWorks, QSS, проводят широкомасштабную программу курсов и тренингов по изучению использования продуктов компании, в том числе и ОС РВ.

Результаты сравнения

ОСРВ QNX Neutrino является наиболее совершенной ОС с технической точки зрения, располагает хорошим набором инструментальных средств, имеет относительно невысокую цену. Микроядерная архитектура обеспечивает высокую надежность и модульность разрабатываемых систем. Дополнительным плюсом является открытость исходных кодов. Но есть и «ложка дегтя»: в настоящее время QNX практически нигде не используется в авиации, и по этому параметру данная ОС проигрывает конкурентам (LynxOS и VxWorks). Дополнительный минус QNX: несоответствие стандарту ARINC-653.

Надо отметить, что принципиально QNX Neutrino имеет все необходимые механизмы для работы в системах авионики. Кроме того, надежность и высокая готовность систем на базе QNX доказана в других отраслях, в которых цена ошибки даже выше, чем в авиации (управление ядерным реактором).

Работа по подготовке к сертификации QNX Neutrino по требованиям отечественных авиационных стандартов в настоящее время ведется компанией SWD Software.

ОСРВ LynxOS-178, напротив, имеет все необходимые сертификаты за рубежом, хотя по многим другим критериям выглядит менее предпочтительно, чем QNX Neutrino. Отметим, что для применения в российской авиационной промышленности ОСРВ LynxOS-178 также должна быть сертифицирована по отечественным ГОСТ.

ОС VxWorks имеет давнюю историю применения в ответственных приложениях за рубежом. Тем не менее, наш анализ показывает, что она выглядит менее предпочтительно двух первых ОС по многим критериям. Кроме того, авторитет VxWorks подрывает стратегия закрытой разработки.

Экспертная группа / R&D.CNews

Распечатать

Документы, регламентирующие требования к ОСРВ

Стандарт DO-178 (Software Consideration in Airborne Systems and Equipment Certification) определяет требования к процессу разработки программного обеспечения и тщательности его проверки в зависимости от его уровня критичности. Уровень критичности ПО определяется на основе анализа серьезности последствий отказа в ПО. Всего предусмотрено пять уровней критичности ПО (от A до E).
MILS (Multiple Independent Levels of Secutiry) представляет собой специальный подход к проектированию ОС, препятствующий распространению ошибок прикладного программного обеспечения во время выполнения, а также упрощающий верификацию программ за счет модульности ПО. Все приложения помещаются в так называемые разделы (partitions). Разделы имеют выделенные ресурсы (область памяти, процессорное время в течение каждого цикла системы, доступ к каналам обмена и пр). Доступ к выделенным ресурсам гарантируется ОС, работающей в режиме супервизора. Таким образом, на одном процессорном модуле под управлением одной ОС может работать прикладное ПО разного уровня критичности — если сбой произойдет в менее критичном (и, соответственно, менее проверенном) ПО, это никак не повлияет на работу других разделов, так как попытки «узурпировать» чужие ресурсы будут пресечены операционной системой. Идеи MILS перекликаются с идеями ИМА и DO-178B .
Стандарт ARINC-653 (Avionics Application Software Standard Interface) специфицирует интерфейс прикладного программного обеспечения APEX, поддерживающий концепцию разделов в духе MILS. Данный интерфейс включает функции управления разделами, процессами, разделением времени, коммуникациями между разделами и внутри раздела, мониторинг состояния системы. Надо отметить, что стандарт ARINC-653 описывает общепризнанный подход к реализации идей MILS для ИМА, хотя могут быть и другие реализации. Авиационная ОСРВ, соответствующая ARINC-653 , имеет преимущества, так как данный стандарт хорошо известен и понятен международным сертифицирующим органам, поэтому на систему, построенную по этому стандарту, проще получить сертификат соответствия DO-178B .
Стандарт Reusable Software Components. В соответствии с DO-178B программное обеспечение той или иной системы авиационного применения проходит процедуру сертификации полностью, даже если оно использует модули (компоненты), которые уже были сертифицированы ранее в составе другой системы. Одной из последних инициатив FAA (Федеральное агентство по сертификации гражданской авиации, США) является определение критериев возможности многократного использования ПО без повторной сертификации. Компоненты, которые можно повторно не сертифицировать, называются RSC (Reusable Software Components). Чтобы получить сертификат на RSC, нужно затратить больше усилий, но затем RSC дает серьезную экономию.

Российские документы, определяющие требования к ПО (и в том числе к ОСРВ):

ГОСТ Р ИСО/МЭК 51904—2002 («ПО встроенных систем. Общие требования к разработке и документированию») — аналог DO-178B для военной авиации;
КТ-178А («Квалификационные требования часть 178А») — аналог DO-178B для гражданской авиации;
ГОСТ Р ИСО/МЭК 12207—99 («Информационная технология. Процессы жизненного цикла программных средств»).

Временные параметры ОС

время отклика на прерывание — время между фактическим возникновением прерывания и началом обработки первой инструкции обработчика прерывания;
время переключения потока управления — время переключения между двумя потоками в одном процессе;
время переключения контекста процесса (только для ОС, поддерживающих модель процессов) — время переключения между двумя потоками управления, принадлежащими двум различным процессам.

В табл. 3 приведены данные о характеристиках LynxOS. Состав использовавшихся тестов не указан. В качестве данных о характеристиках LynxOS интересна четвертая колонка (тестирование на x86-платформе). По сравнению с VxWorks и QNX, ОС РВ LynxOS показывает огромную задержку при реакции на прерывание (более чем в 5 раз). Время переключения контекста (имеется в виду время переключения между двумя потоками в одном процессе) одинаковое с QNX и меньше примерно в 1,5 раза, чем у VxWorks.

Стабильность временных параметров

Исходя из данных журнала Dedicated System, QNX опережает по этому критерию VxWorks как по разбросу характеристик в серии однотипных тестов (отношение максимума времени к среднему значению существенно меньше), так и с ростом нагрузки (время переключения потока при увеличении числа потоков 2…128 ед. у QNX выросло только в 1,65 раза, тогда как у VxWorks — в 2,24 раза).

Управление доступом к ресурсам

Первый вопрос, на который нужно найти ответ — поддерживает ли ОС модель процессов. Процесс — это логический объект, который владеет одним или несколькими потоками, ассоциированными с ними ресурсами и контекстом — содержимым регистров и счетчиков в каждый отдельный момент времени.

Задача процессов состоит:

в разграничении доступа к оперативной памяти между различными программами в процессе исполнения;
в разграничении областей видимости глобальных переменных в момент компиляции (критично, если прикладное ПО написано на языке Си, который не поддерживает такое разграничение).

Поддержка мультипроцессорных и распределенных систем

Другое перспективное направление в построении САУ — это распределенные системы, где модули разнесены в пространстве, а коммуникация между ними происходит через некоторую сетевую среду. Опять же применяемая ОС РВ должна иметь удобные и надежные средства для организации взаимодействия модулей: поддержка различных сетевых протоколов, средства обеспечения сетевой прозрачности.

Поддержка файловых систем

В табл. 4 показана поддержка файловых систем каждой из рассматриваемых ОС.

Качество документации

Качество документации ОС РВ LynxOS, VxWorks, QNX достаточно высокое. Однако есть и нарекания по поводу документации:

QNX — отличное описание архитектуры и принципов построения, но недостаточное описание интерфейса прикладного программирования (дано описание не всем параметрам, есть несоответствия);
VxWorks — нет объяснения принципов работы и недостаточное описание сложного процесса конфигурирования ОС.

Качество технической поддержки

По качеству официальной технической поддержки несомненный лидер — это LynxOS. Компания LynuxWorks обещает дать ответ на любой технический вопрос в течение 4 часов с момента опубликования запроса. LynxOS распространяется на территории России компанией РТСофт, имеющей большой штат сотрудников, способных оказать квалифицированную помощь. Недостатком LynxOS является то, что ОС пока что не очень распространена в России, соответственно, нет сформировавшегося сообщества пользователей, и даже нет русскоязычного форума.

Открытость исходных кодов

Открытая ОС РВ имеет по крайней мере три преимущества:

разработчики прикладного ПО могут разобраться в сложных проблемах без привлечения службы технической поддержки;
проще сертифицировать (на отсутствие закладок и т.д.);
динамичнее развитие, так как в компанию-разработчик ОС РВ зачастую приходят не только запросы на исправления ошибок, но и предложения по устранению ошибок, улучшению системы. Сообщества разработчиков открытых ОС РВ, как правило, растут гораздо быстрее, лучше организованы. Появляются независимые эксперты, помогающие решать задачи службы технической поддержки и участвующие в развитии, отладке и тестировании системы.

Исходные коды LynxOS и VxWorks доступны в продаже. Цена на такой продукт договорная.

Инструментальные средства

Переносимость прикладного ПО

Возможность написания переносимого ПО определяется в текущий момент соответствием стандарту POSIX. Все рассматриваемые ОС РВ поддерживают стандарт POSIX 1003.1. Преимущество есть у LynxOS — данная ОС обладает бинарной совместимостью с ОС Linux. То есть приложения Linux могут быть запущены под LynxOS без перекомпилирования. И, наоборот, приложения LynxOS могут быть запущены в Linux (версии 2.4.x c библиотекой языка Си glibs версии 2.2.2).

Поддержка процессорных архитектур

Соответствие авиационным стандартам

В зарубежной практике ПО для систем авионики должно иметь сертификат соответствия стандарту DO-178B . Если ПО разных уровней критичности выполняется на одном процессорном модуле, то применяемая ОСРВ должна поддерживать концепцию разделов. (Иначе доказать нераспространение ошибки практически невозможно). Как уже говорилось, лучше, если интерфейс программирования ОСРВ соответствует стандарту ARINC-653 , так как стандарт хорошо известен зарубежным сертификационным органам.

LynxOS в части соответствия стандартам является лидером. Она поддерживает ARINC-653 , существует достаточно много примеров систем, сертифицированных по DO-178B , построенных на ее основе. Ключевым моментом является то, что компания LynuxWorks предлагает набор RSC (правда, авторам статьи ничего не известно о цене).

VxWorks соответствует стандарту ARINC-653 , и системы, построенные на ее основе, могут быть сертифицированы по DO-178B (существует большое количество примеров).

QNX не соответствует ARINC-653 , и пока не существует систем на их основе, сертифицированных по DO-178B .

В части аналогичных российских стандартов для военной авиации (ГОСТ Р ИСО/МЭК 51904—2002) нет еще ни одного примера сертифицированной системы, хотя принципиально на основе любой из рассматриваемых ОС можно такую систему разработать. Для ОС РВ QNX в настоящее время ведется работа по подготовке основных модулей ОС к сертификации.

Развитость системы подготовки специалистов

Быстрота и качество обучения персонала, работающего с ОС РВ и различными инструментариями по разработке и отладке ПО, напрямую связано со скоростью разработки ПО и его качеством. Ведущие компании в области встроенного и системного ПО, такие как WindRiver, LynuxWorks, QSS, проводят широкомасштабную программу курсов и тренингов по изучению использования продуктов компании, в том числе и ОС РВ.

Результаты сравнения

ОСРВ LynxOS-178 , напротив, имеет все необходимые сертификаты за рубежом, хотя по многим другим критериям выглядит менее предпочтительно, чем QNX Neutrino. Отметим, что для применения в российской авиационной промышленности ОСРВ LynxOS-178 также должна быть сертифицирована по отечественным ГОСТ.

Операционные системы реального времени

1. Введение: Особенности операционных систем реального времени

1.1. Процессы, потоки, задачи

1.2. Планирование, приоритеты

1.3. Память

1.4. Прерывания

1.5. Часы и таймеры

1.6. Стандарты ОСРВ

1.6.1. POSIX

1.6.2. DO-178B

1.6.3. ARINC-653

1.6.4. OSEK

1.6.5. Стандарты безопасности

1.7. Настраиваемость операционных систем

2. Краткие характеристики наиболее распространенных ОСРВ

2.1. VxWorks

2.2. QNX Neutrino RTOS

2.3. RTEMS

2.4. ChorusOS

2.5. Расширения реального времени для Windows NT

2.5.1. RTX для Windows NT

2.5.2. INtime

2.5.3. Microsoft Windows Embedded

2.6. TinyOS

2.7. OSEK/VDX

2.8. OSE RTOS

2.9. Contiki

2.10. pSOS

2.11. INTEGRITY

2.12. LynxOS

2.13. Microware OS-9

2.14. GRACE-OS

2.15. C EXECUTIVE

2.16. CMX-RTX

2.16.1. CMX-TINY+

2.17. Inferno

3. ОС, разработанные специально для портативных устройств

3.1. ITRON

3.2. Windows CE

3.3. JavaOS

3.4. Jbed

3.5. Nucleus RTOS

3.6. EMERALDS

3.7. CORTEX

3.8. DeltaOS

3.9. Palm OS

3.10. Symbian OS (EPOC)

4. Настраиваемость операционных систем

4.1. Адаптация, осуществляемая человеком

4.1.1. Статическая адаптация, инициированная проектировщиком

4.1.2. Динамическая адаптация, инициированная администратором

4.2. Адаптация, инициированная приложением

4.2.1. Адаптация с уровня приложения

4.2.2. Адаптация на уровне ядра

4.3. Автоматическая адаптация

5. Сводные таблицы характеристик свойств ОСРВ

Приложение А. Перечень сокращений

Приложение B. Терминология

Литература

Список ОСРВ, упоминающихся в данном тексте, печати и в Сети

1. Введение: Особенности операционных систем реального времени

Операционные системы реального времени (ОСРВ) предназначены для обеспечения интерфейса к ресурсам критических по времени систем реального времени. Основной задачей в таких системах является своевременность (timeliness) выполнения обработки данных.

В качестве основного требования к ОСРВ выдвигается требование обеспечения предсказуемости илидетерминированности поведения системы в наихудших внешних условиях, что резко отличается от требований к производительности и быстродействию универсальных ОС. Хорошая ОСРВ имеет предсказуемое поведение при всех сценариях системной загрузки (одновременные прерывания и выполнение потоков).

Существует некое различие между системами реального времени и встроенными системами. От встроенной системы не всегда требуется, чтобы она имела предсказуемое поведение, и в таком случае она не является системой реального времени. Однако даже беглый взгляд на возможные встроенные системы позволяет утверждать, что большинство встроенных систем нуждается в предсказуемом поведении, по крайней мере, для некоторой функциональности, и таким образом, эти системы можно отнести к системам реального времени.

Принято различать системы мягкого (soft) и жесткого (hard) реального времени. В системах жесткого реального времени неспособность обеспечить реакцию на какие-либо события в заданное время ведет к отказам и невозможности выполнения поставленной задачи. В большинстве русскоязычной литературы такие системы называют системами с детерминированным временем. При практическом применении время реакции должно быть минимальным. Системами мягкого реального времени называются системы, не попадающие под определение "жесткие", т.к. в литературе четкого определения для них пока нет. Системы мягкого реального времени могут не успевать решать задачу, но это не приводит к отказу системы в целом. В системах реального времени необходимо введение некоторого директивного срока (в англоязычной литературе – deadline), до истечения которого задача должна обязательно (для систем мягкого реального времени – желательно) выполниться. Этот директивный срок используется планировщиком задач как для назначения приоритета задачи при ее запуске, так и при выборе задачи на выполнение.

Мартин Тиммерман сформулировал следующие необходимые требования для ОСРВ :

ОС должна быть многозадачной и допускающей вытеснение (preemptable),

ОС должна обладать понятием приоритета для потоков,

ОС должна поддерживать предсказуемые механизмы синхронизации,

ОС должна обеспечивать механизм наследования приоритетов,

поведение ОС должно быть известным и предсказуемым (задержки обработки прерываний, задержки переключения задач, задержки драйверов и т.д.); это значит, что во всех сценариях рабочей нагрузки системы должно быть определено максимальное время отклика.

В течение последних 25-30 лет структура операционных систем эволюционировала от монолитной к многослойной структуре ОС и далее к архитектуре клиент-сервер. При монолитной структуре ОС состоит из набора модулей, и изменения одного модуля влияют на другие модули. Чем больше модулей, тем больше хаоса при эксплуатации такой системы. Кроме того, невозможно распределить ОС в многопроцессорной системе. В многослойной структуре изменения одного слоя влияют на соседние слои; кроме того, обращение через слой невозможно. Для систем реального времени должно быть обеспечено прямое обращение к каждому слою ОС, а иногда напрямую к аппаратуре.

Основной идеей клиент-серверной технологии в ОС является сведение базиса ОС к минимуму (планировщик и примитивы синхронизации). Вся остальная функциональность выносится на другой уровень и реализуется через потоки или задачи. Совокупность таких серверных задач отвечает за системные вызовы. Приложения являются клиентами, которые запрашивают сервисы через системные вызовы.

Клиент-серверная технология позволяет создавать масштабируемые ОС и упрощает распределение в многопроцессорной системе. При эксплуатации системы замена одного модуля не вызывает эффекта “снежного кома”; кроме того, сбой модуля не всегда влечет за собой отказ системы в целом. Появилась возможность динамической загрузки и отгрузки модулей. Главной проблемой в этой модели является защита памяти, поскольку серверные процессы должны быть защищены. При каждом запросе сервиса система должна переключаться с контекста приложения на контекст сервера. При поддержке защиты памяти время переключения с одного процесса на другой увеличивается.

Как правило, большинство современных ОСРВ построено на основе микроядра (kernel или nucleus), которое обеспечивает планирование и диспетчеризацию задач, а также осуществляет их взаимодействие. Несмотря на сведение к минимуму в ядре абстракций ОС, микроядро все же должно иметь представление об абстракции процесса. Все остальные концептуальные абстракции операционных систем вынесены за пределы ядра, вызываются по запросу и выполняются как приложения.

Рассмотрим концептуальные абстракции операционной системы через призму требований к системам реального времени.

Отличительные черты ОСРВ от ОС общего назначения

ОС общего назначения, особенно многопользовательские, такие как UNIX , ориентированы на оптимальное распределение ресурсов компьютера между пользователями и задачами. В операционных системах реального времени подобная задача отходит на второй план - все отступает перед главной задачей - успеть среагировать на события, происходящие на объекте.Другое отличие - применение операционной системы реального времени всегда связано с аппаратурой, с объектом, с событиями, происходящими на объекте. Операционная система реального времени ориентирована на обработку внешних событий. Операционная система реального времени может быть похожа по пользовательскому интерфейсу на ОС общего назначения, однако устроена она совершенно иначе.Кроме того, применение операционных системах реального времени всегда конкретно. Если ОС общего назначения обычно воспринимается пользователями (не разработчиками) как уже готовый набор приложений, то операционная система реального времени служит только инструментом для создания конкретного аппаратно-программного комплекса реального времени. И поэтому наиболее широкий класс пользователей операционных системах реального времени - разработчики комплексов реального времени, люди проектирующие системы управления и сбора данных. Проектируя и разрабатывая конкретную систему реального времени, программист всегда знает точно, какие события могут произойти на объекте, знает критические сроки обслуживания каждого из этих событий.Система РВ должна успеть отреагировать на событие, произошедшее на объекте, в течение времени, критического для этого события. Величина критического времени для каждого события определяется объектом и самим событием, и может быть разной, но время реакции системы должно быть предсказано (вычислено) при создании системы. Отсутствие реакции в предсказанное время считается ошибкой для систем реального времени.Система должна успевать реагировать на одновременно происходящие события. Даже если два или больше внешних событий происходят одновременно, система должна успеть среагировать на каждое из них в течение интервалов времени, критического для этих событий.

	ОС реального времени	ОС общего назначения
Основная задача	Успеть среагировать на события, происходящие на оборудовании	Оптимально распределить ресурсы компьютера между пользователями и задачами
На что ориентирована	Обработка внешних событий	Обработка действий пользователя
Как позиционируется	Инструмент для создания конкретного аппаратно-программного комплекса реального времени	Воспринимается пользователем как набор приложений, готовых к использованию
Кому предназначена	Квалифицированный разработчик	Пользователь средней квалификации

Системы жёсткого и мягкого реального времени

Различают системы реального времени двух типов - системы жесткого реального времени и системы мягкого реального времени.

Системы жесткого реального времени не допускают никаких задержек реакции системы ни при каких условиях, так как:

результаты могут оказаться бесполезны в случае опоздания
может произойти катастрофа в случае задержки реакции

стоимость опоздания может оказаться бесконечно велика.

Примеры систем жесткого реального времени - бортовые системы управления, системы аварийной защиты, регистраторы аварийных событий.

Системы мягкого реального времени характеризуются тем, что задержка реакции не критична, хотя и может привести к увеличению стоимости результатов и снижению производительности системы в целом.Пример - работа сети. Если система не успела обработать очередной принятый пакет, это приведет к таймауту на передающей стороне и повторной посылке (в зависимости от протокола, конечно). Данные при этом не теряются, но производительность сети снижается.Основное отличие между системами жесткого и мягкого реального времени можно выразить так: система жесткого реального времени никогда не опоздает с реакцией на событие, система мягкого реального времени - не должна опаздывать с реакцией на событие

Ядро операционной системы

Ядро́ - центральная часть операционной системы (ОС), обеспечивающая приложениям координированный доступ к ресурсам компьютера, память, внешнее аппаратное обеспечение, внешнее устройство ввода и вывода информации, переводя команды языка приложений на язык двоичных кодов, которые понимает компьютер.Как основополагающий элемент ОС, ядро представляет собой наиболее низкий уровень абстракции для доступа приложений к ресурсам системы, необходимым для их работы. Как правило, ядро предоставляет такой доступ исполняемым процессам соответствующих приложений за счёт использования механизмов межпроцессного взаимодействия и обращения приложений к системным вызовам ОС.

Монолитное ядро

Монолитное ядро предоставляет богатый набор абстракций оборудования. Все части монолитного ядра работают в одном адресном пространстве. Это такая схема операционной системы, при которой все компоненты её ядра являются составными частями одной программы, используют общие структуры данных и взаимодействуют друг с другом путём непосредственного вызова процедур. Монолитное ядро - старейший способ организации операционных систем. Примером систем с монолитным ядром является большинство UNIX-систем.

Достоинства : Скорость работы, упрощённая разработка модулей.

Недостатки : Поскольку всё ядро работает в одном адресном пространстве, сбой в одном из компонентов может нарушить работоспособность всей системы.

Некоторые старые монолитные ядра, в особенности систем класса UNIX/Linux, требовали перекомпиляции при любом изменении состава оборудования. Большинство современных ядер позволяют во время работы подгружать модули, выполняющие часть функций ядра. В этом случае компоненты операционной системы являются не самостоятельными модулями, а составными частями одной большой программы, называемой монолитным ядром (monolithic kernel), которое представляет собой набор процедур, каждая из которых может вызвать каждую. Все процедуры работают в привилегированном режиме.

Микроядро

Микроядро предоставляет только элементарные функции управления процессами и минимальный набор абстракций для работы с оборудованием. Большая часть работы осуществляется с помощью специальных пользовательских процессов, называемых сервисами. Решающим критерием «микроядерности» является размещение всех или почти всех драйверов и модулей в сервисных процессах.

Достоинства : Устойчивость к сбоям оборудования, ошибкам в компонентах системы. Основное достоинство микроядерной архитектуры - высокая степень модульности ядра операционной системы. Это существенно упрощает добавление в него новых компонентов. В микроядерной операционной системе можно, не прерывая её работы, загружать и выгружать новые драйверы, файловые системы и т. д. Существенно упрощается процесс отладки компонентов ядра, так как новая версия драйвера может загружаться без перезапуска всей операционной системы. Компоненты ядра операционной системы ничем принципиально не отличаются от пользовательских программ, поэтому для их отладки можно применять обычные средства. Микроядерная архитектура повышает надежность системы, поскольку ошибка на уровне непривилегированной программы менее опасна, чем отказ на уровне режима ядра.

Недостатки : Передача данных между процессами требует накладных расходов.

Среда исполнения

Требования, предъявляемые к среде исполнения систем реального времени, следующие:

небольшая память системы - для возможности ее встраивания;
система должна быть полностью резидентна в памяти, чтобы избежать замещения страниц памяти или подкачки;
система должна быть многозадачной - для обеспечения максимально эффективного использования всех ресурсов системы;
ядро с приоритетом на обслуживание прерывания. Приоритет на прерывание означает, что готовый к запуску процесс, обладающий некоторым приоритетом, обязательно имеет преимущество в очереди по отношению к процессу с более низким приоритетом, быстро заменяет последний и поступает на выполнение. Ядро заканчивает любую сервисную работу, как только поступает задача с высшим приоритетом. Это гарантирует предсказуемость системы;
диспетчер с приоритетом - дает возможность разработчику прикладной программы присвоить каждому загрузочному модулю приоритет, неподвластный системе. Присвоение приоритетов используется для определения очередности запуска программ, готовых к исполнению. Альтернативным такому типу диспетчеризации является диспетчеризация типа "карусель", при которой каждой готовой к продолжению программе дается равный шанс запуска. При использовании этого метода нет контроля за тем, какая программа и когда будет выполняться. В среде реального времени это недопустимо. Диспетчеризация, в основу которой положен принцип присвоения приоритета, и наличие ядра с приоритетом на прерывание позволяют разработчику прикладной программы полностью контролировать систему. Если наступает событие с высшим приоритетом, система прекращает обработку задачи с низшим приоритетом и отвечает на вновь поступивший запрос.

Сочетание описанных выше свойств создает мощную и эффективную среду исполнения в реальном времени.

Кроме свойств среды исполнения, необходимо рассмотреть также сервис, предоставляемый ядром ОС реального времени. Основой любой среды исполнения в реальном времени является ядро или диспетчер. Ядро управляет аппаратными средствами целевого компьютера: центральным процессором, памятью и устройствами ввода/вывода; контролирует работу всех других систем и программных средств прикладного характера. В системе реального времени диспетчер занимает место между аппаратными средствами целевого компьютера и прикладным программным обеспечением. Он обеспечивает специальный сервис, необходимый для работы приложений реального времени. Предоставляемый ядром сервис дает прикладным программам доступ к таким ресурсам системы, как, например, память или устройства ввода/вывода.

Ядро может обеспечивать сервис различных типов:

Межзадачный обмен. Часто необходимо обеспечить передачу данных между программами внутри одной и той же системы Кроме того, во многих приложениях возникает необходимость взаимодействия с другими системами через сеть. Внутренняя связь может быть осуществлена через систему передачи сообщений. Внешнюю связь можно организовать либо через датаграмму (наилучший способ доставки), либо по линиям связи (гарантированная доставка). Выбор того или иного способа зависит от протокола связи.
Разделение данных. В прикладных программах, работающих в реальном времени, наиболее длительным является сбор данных. Данные часто необходимы для работы других программ или нужны системе для выполнения каких-либо своих функций. Во многих системах предусмотрен доступ к общим разделам памяти. Широко распространена организация очереди данных. Применяется много типов очередей, каждый из которых обладает собственными достоинствами.
Обработка запросов внешних устройств. Каждая прикладная программа в реальном времени связана с внешним устройством определенного типа. Ядро должно обеспечивать службы ввода/вывода, позволяющие прикладным программам осуществлять чтение с этих устройств и запись на них. Для приложений реального времени обычным является наличие специфического для данного приложения внешнего устройства. Ядро должно предоставлять сервис, облегчающий работу с драйверами устройств. Например, давать возможность записи на языках высокого уровня - таких, как Си или Паскаль.
Обработка особых ситуаций. Особая ситуация представляет собой событие, возникающее во время выполнения программы. Она может быть синхронной, если ее возникновение предсказуемо, как, например, деление на нуль. А может быть и асинхронной, если возникает непредсказуемо, как, например, падение напряжения. Предоставление возможности обрабатывать события такого типа позволяет прикладным программам реального времени быстро и предсказуемо отвечать на внутренние и внешние события. Существуют два метода обработки особых ситуаций - использование значений состояния для обнаружения ошибочных условий и использование обработчика особых ситуаций для прерывания ошибочных условий и их корректировки.

Обзор архитектур ОСРВ

За свою историю архитектура операционных систем претерпела значительное развитие. Один из первых принципов построения, монолитные ОС (рисунок 1), заключался в представлении ОС как набора модулей, взаимодействующих между собой различным образом внутри ядра системы и предоставляющих прикладным программам входные интерфейсы для обращений к аппаратуре.

уровневые ОС (рисунок 2).Примером такой ОС является хорошо известная система MS-DOS. В системах этого класса прикладные приложения могли получить доступ к аппаратуре не только посредством ядра системы или ее резидентных сервисов, но и непосредственно. По такому принципу строились ОСРВ в течение многих лет. По сравнению с монолитными ОС такая архитектура обеспечивает значительно большую степень предсказуемости реакций системы, а также позволяет осуществлять быстрый доступ прикладных приложений к аппаратуре. Недостатком

таких систем является отсутствие в них многозадачности. В рамках такой архитектуры проблема обработки асинхронных событий сводилась к буферизации сообщений, а затем последовательному опросу буферов и обработке. При этом соблюдение критических сроков обслуживания обеспечивалось высоким быстродействием вычислительного комплекса по сравнению со скоростью протекания внешних процессов.

Рисунок 2. Архитектура уровневой ОС

Одной из наиболее эффективных архитектур для построения операционных систем реального времени считается архитектура клиент – сервер. Общая схема ОС работающей по этой технологии представлена на рисунке 3. Основным принципом такой архитектуры является вынесение сервисов ОС в виде серверов на уровень пользователя, а микроядро выполняет функции диспетчера сообщений между клиентскими пользовательскими программами и серверами – системными сервисами. Такая архитектура дает массу плюсов с точки зрения требований к ОСРВ и встраиваемым системам. Среди этих преимуществ можно отметить:

1. Повышается надежность ОС, т.к. каждый сервис является, по сути, самостоятельным приложением и его легче отладить и отследить ошибки.

2. Такая система лучше масштабируется, поскольку ненужные сервисы могут быть исключены из системы без ущерба к ее работоспособности.

3. Повышается отказоустойчивость системы, т.к. «зависший» сервис может быть перезапущен без

перезагрузки системы.

Рисунок 3. Построение ОС с использованием архитектуры клиент-сервер

К сожалению на сегодняшний день не так много ОС реализуется по принципу клиент-сервер. Среди известных ОСРВ реализующих архитектуру микроядра можно отметить OS9 и QNX.

Список использованной литературы:

1) http://ru.wikipedia.org/wiki/Операционная_система_реального_времени

2) http://www.asutp.ru/?p=600591

3) http://www.mka.ru/?p=40774

4) http://www.4stud.info/rtos/lecture1.html

5)http://www.ozon.ru/context/detail/id/3092042/

Отбор для службы в авиации чрезвычайно строг и касается не только летного состава, но и операционных систем реального времени (ОС РВ). Рассмотрим, какие требования предъявляются к коммерческим системам для авиации со стороны организаций, отвечающих за безопасность полетов. Вне всякого сомнения, это поможет понять требования, существенные и для многих других отраслей, - везде, где нужна быстрая реакция на события, высокая надежность, живучесть и безопасность применяемых средств, в том числе и программных средств.

Федеральная администрация по авиации США - одна из авторитетных организаций, отвечающих за безопасность полетов - предъявляет жесткие требования к коммерческим операционным системам реального времени, принятым для эксплуатации (особенно это касается гражданской авиации, где от их работы зависят жизни сотен пассажиров). Среди них:

требования «жесткого» реального времени; детерминированное поведение при различных нагрузках на систему, необходимое в ответственных приложениях и системах повышенной готовности;
высокая «живучесть», чтобы при отказе какой-либо части программного обеспечения другая часть продолжала нормально функционировать;
строгие требования по качеству, что подразумевает соответствие различным отраслевым, национальным и международным стандартам;
требования по надежности; вероятность сбоя в программе должна быть очень маленькой;
требования по безопасности и секретности данных ; в системе должны быть предусмотрены средства защиты наиболее важной информации.

Система регламентации требований

Перечислим основные документы, регламентирующие требования к операционным системам реального времени в области авиации.

Стандарт DO-178 - Software Consideration in Airborne Systems and Equipment Certification. Разработан и поддерживается ассоциацией Radio Technical Commission for Aeronautics (RTCA, www.rtca.org ). Стандартом определено пять уровней серьезности отказа, для каждого из которых указывается набор требований к программному обеспечению, призванных гарантировать работоспособность всей системы в целом при возникновении отказов данного уровня:

уровень A - защита от сбоев, приводящих к катастрофическим последствиям;

уровень B - защита от сбоев, приводящих к опасным последствиям;

уровень C - защита от сбоев, приводящих к большим последствиям;

уровень D - защита от сбоев, приводящих к минимальным последствиям;

уровень E - защита от сбоев, не приводящих ни к каким последствиям.

Стандарт ED-12B. Европейский аналог DO-178B. Определяется ассоциацией The European organization for civil aviation equipment (EUROCAE, www.eurocae.org).

RTCA DO-248B - Final Annual Report For Clarification Of DO-178B. Пояснительный документ к DO-178B. Его основные темы включают такие разделы, как ранее разработанное программное обеспечение, коммерческие программные продукты, процессы верификации, исторические справки, автоматизированные средства и др.

Стандарт DO-254 - Design Assurance Guidance for Airborne Electronic Hardware. Разработан и поддерживается ассоциацией RTCA. Документ создан для того, чтобы помочь производителям самолетов и поставщикам авиационного электронного оборудования гарантировать, что их электронное оборудование безопасно выполняет требуемые функции. Документ регламентирует процессы жизненного цикла аппаратных средств и описывает пути обеспечения нужных свойств изделий с целью их сертификации в соответствии с предъявляемыми требованиями.

ARINC 653 - Avionics Application Software Standard Interface. Разработан компанией ARINC в 1997 году и определяет универсальный программный интерфейс APEX (APplication/EXecutive) между операционной системой бортового компьютера и прикладным программным обеспечением. Требования интерфейса определяются таким образом, чтобы разрешить прикладным программам контролировать диспетчеризацию, связь и состояние внутренних обрабатываемых элементов. В качестве одного из основных требований для операционных систем реального времени в авиации ARINC 653 вводит архитектуру изолированных (partitioning) виртуальных машин.

Общие критерии для оценки секретности информационных технологий (Common Criteria for Information Technology Security Evaluation) . Набор требований и условий секретности (www.commoncriteria.org ), одобренный Агентством национальной безопасности США и Национальным институтом стандартов и технологий США, а также соответствующими органами в других странах (в данный момент еще 13 стран, кроме США). В 1999 году «Общие критерии» получили статус международного стандарта ISO 15408.

MILS - Multiple Independent Levels of Security/Safety. Развивается усилиями заинтересованных организаций, таких, как Исследовательская лаборатория ВВС США, компания Lockheed Martin, Агентство национальной безопасности США и др. Проект MILS делает возможной математическую верификацию программного ядра системы путем уменьшения функциональности за счет предъявления к системам четырех обязательных групп требований (Information Flow, Data Isolation, Period Processing, Damage Limitation). MILS-архитектура представляет собой систему с изолированными разделами, каждый из которых включает ядро, программное обеспечение промежуточного слоя и приложение (рис. 1).

Рис. 1. MILS-архитектура

POSIX - Portable Operating System interface for unIX. Определяет переносимый интерфейс операционной системы на уровне исходных текстов. Основная спецификация разработана как IEEE 1003.1 и одобрена как международный стандарт ISO/IEC 9945-1:1990. С точки зрения операционных систем реального времени наибольший интерес представляют три стандарта: 1003.1a (OS Definition), 1003.1b (Realtime Extensions) и 1003.1c (Threads).

Концепция изолированных разделов

По многим аспектам регламентирующие документы пересекаются, дополняя друг друга. В результате многочисленных исследований в качестве основной была принята концепция изолированных разделов . Удовлетворение требованиям жесткой изоляции должно быть «доказано» поставщиками программных решений в соответствии с методологией сертификации, изложенной в DO-178B. Существуют различные подходы к реализации изолированных разделов, однако сегодня принята архитектура, соответствующая ARINC 653, которая определяет поддержку изолирования для операционной системы реального времени и в качестве языка описания использует Cи и Ada-95.

С точки зрения пользователя, ARINC 653 представляет собой спецификацию интерфейса APEX (APplication/EXecutive) и не определяет его реализацию. Так, некоторые поставщики программных средств реализуют диспетчеризацию с помощью одноуровневого диспетчера, другие с помощью двухуровневого, когда первый уровень управляет разделами, а второй - процессами внутри каждого раздела. Такая ситуация с поддержкой ARINC 653 влечет за собой трудности при сертификации программных продуктов, соответствующих только ARINC 653 - один и тот же API может отображаться на различные подходы к реализации. Как следствие, появилось множество сильно отличающихся операционных систем реального времени, которые, однако, соответствуют спецификации ARINC 653.

На рис. 2 показана архитектура системы с несколькими изолированными разделами, каждый из которых представляет собой самостоятельное приложение. Все данные и программный код в каждом разделе собираются вместе и выполняются в пользовательском режиме. Компоненты «модульная операционная система» (Module Operating System, MOS) и «пакет поддержки платы» (Board Support Package, BSP) выполняются в режиме супервизора. Дополнительно может существовать один специальный раздел с некоторыми специальными возможностями, такими, как средства ввода-вывода и переключения режимов.

ARINC 653 как раз и задает интерфейс для обмена информацией между разделами, каждый из которых представляет собой некоторое приложение плюс операционную систему раздела (Partition Operating System, POS). Этот интерфейс должен гарантировать изоляцию перечисленных ниже элементов.

Оперативная память. Каждому разделу выделяется непрерывное линейное физическое адресное пространство, границы которого не могут меняться в процессе работы системы. Для каждого раздела выделение и освобождение памяти выполняется и контролируется MOS. Операционная система реального времени должна обеспечивать изоляцию информации в адресном пространстве внутри выделенного каждому разделу линейного «куска». Это относится к программному коду, константам, статическим данным, стеку и «куче» (область, откуда берется память по запросу).

Время использования процессора. Процессы в одном разделе могут либо совсем не влиять на поведение процессов в другом разделе, либо влиять на них заранее определенным и контролируемым способом (например, путем установки некоторых флагов или условий). ARINC 653 требует, чтобы процессорное время выделялось каждому разделу строго циклически, причем время владения процессором для каждого раздела должно задаваться заранее в конфигурационной таблице. Внутри каждого раздела процессы могут конкурировать между собой за процессорное время на основе приоритетов («вытеснять»), используя диспетчеризацию с вытеснением по приоритетам.

Программный код. Для некоторых областей памяти MOS устанавливает в режиме супервизора) атрибут «только выполнение». Это означает, что приложения в пользовательском режиме не могут разрушить область кода.

Прерывания. Прерывания являются асинхронными событиями, которые требуют особой внимательности с точки зрения обеспечения изолированности разделов. Важно, чтобы они не «посягали» на время и память в другом разделе. Одним из возможных источников прерывания являются таймеры, которые управляют диспетчеризацией событий как внутри POS, так и внутри MOS.

Для обеспечения изоляции прерываний принят ряд соглашений. Прерывания таймера возникают только в супервизорном режиме; прямой доступ к часам в пользовательском режиме невозможен. Если POS и MOS находятся на различных уровнях защиты, то должен обеспечиваться механизм распространения информации о временных событиях в прикладные разделы, работающие в пользовательском режиме. В те моменты, когда раздел активен (владеет процессорным временем), ему должны передаваться все относящиеся к нему временные события. Когда раздел неактивен, то все относящиеся к нему временные события должны сохраняться и затем при активизации передаваться ему.

Другим источником прерываний являются внешние устройства ввода/вывода. В соответствии с требованиями ARINC 653, для устройств с синхронной передачей данных рекомендуется использовать алгоритм опроса устройства. Однако некоторые устройства требуют обработки прерываний. Эти прерывания должны обрабатываться MOS и затем передаваться в POS в момент активизации раздела. Очевидно, что при этом могут возникать временные задержки и даже потеря информации, и, следовательно, разработчик должен это учитывать.

ARINC 653 определяет не только требования по изолированию разделов, но и механизмы взаимодействия между ними. Введены следующие функции взаимодействия между разделами:

обмен сообщениями путем установления канала связи, который должен быть заранее описан в конфигурационной таблице системы;

обмен через буфер , при котором только один раздел может писать в конкретный буфер, а все другие - только читать; это обеспечивает возможность широковещательного обмена информацией между разделами.

Стандарт DO-178B

Стандарт DO-178B описывает технику и методы, гарантирующие целостность и надежность программного обеспечения, охватывая все этапы его жизненного цикла - планирование, разработку требований, проектирование, кодирование, интеграцию и тестирование.

Планирование согласно DO-178B должно включать следующие планы: план для программных аспектов сертификации; план программного проекта; план верификации программного обеспечения; план управления конфигурацией программного обеспечения; план гарантии качества программного обеспечения. На протяжении всего жизненного цикла должно быть обеспечено соответствие стандарту DO-178 в области формулировки требований, проектирования, кодирования, верификации и документирования. Должны быть разработаны требования к программному обеспечению (требования высокого уровня), проект программного обеспечения (требования и архитектура), программный код в исходном и объектном виде. Каждый из разработанных компонентов должен быть верифицирован по разнообразным критериям. Верификация требований высокого уровня к программному обеспечению включает в себя проверку следующих условий: требования соответствуют системным требованиям и доступны для анализа вместе с системными требованиями; требования являются точными и согласованными; требования совместимы с аппаратными средствами и, следовательно, должны быть подтверждены результатами.

Верификация проекта программного обеспечения включает в себя проверку того, что требования к проекту соответствуют требованиям высокого уровня и могут быть подвергнуты анализу, являются точными и согласованными и, следовательно, должны быть подтверждены результатами. Аналогично должны быть верифицированы архитектура и код программного обеспечения, которые, кроме того, должны соответствовать требованиям, закрепленным в DO-178B. Данный стандарт определяет процесс верификации этапа интеграции программного обеспечения, проверку полноты самого процесса верификации, обеспечение менеджмента конфигураций (в том числе управление версиями), квалификацию автоматизированных средств.

В стандарте определены три уровня структурного тестирования кода:

покрытие утверждений означает, что каждое утверждение в программе вызывается хотя бы один раз;
покрытие решений означает, что каждая точка входа и выхода в программе была выполнена хотя бы один раз, и что каждое решение в программе принимало все возможные (булевские) выходные значения хотя бы один раз;
покрытие решений модифицируемым условием означает, что каждая точка входа и выхода в программе была выполнена хотя бы один раз, что каждое решение в программе принимало все возможные (булевские) выходные значения хотя бы один раз, и что каждое условие в решении приводило к независимому изменению выходного значения.

Определенные в DO-178B уровни сертификации различаются количеством требований (глубиной верификации), которым должно удовлетворять программное обеспечение. Теоретические аспекты верификации кода изложены в различных фундаментальных монографиях, в частности, в работе .

Сертификация на соответствие DO-178B должна проводиться так называемыми «назначаемыми инженерными представителями», которые назначаются Федеральной администрацией по авиации США для проверки данных, используемых при сертификации. Разработчик стремится пройти сертификацию своего программного обеспечения в соответствии с DO-178B для того, чтобы получить разрешение на использование своего программного обеспечения (в том числе операционной системы реального времени) в авиации. Разрешение относится не только к программному обеспечению, но и ко всему изделию (проекту) в целом. Для того чтобы начать процесс сертификации, разработчик должен вначале «открыть» проект и получить от ФАА официальный номер проекта или присоединиться к уже существующему проекту с уже выданным номером. Для «открытия» проекта надо получить сертификат типа или дополнительный сертификат типа. Как правило, сертификат типа присваивается самолету, и все оборудование на нем поставляется именно с этим сертификатом. Дополнительный сертификат типа дается дополнительному оборудованию на самолете, в том числе программному обеспечению.

«Общие критерии» для оценки секретности

«Общие критерии» определяют уровни гарантии секретности Evaluation Assurance Level (EAL) и оценивают не только безопасность и надежность продуктов, но и процессы их разработки и поддержки, гарантирующие быстрое решение проблем. Применительно к операционным системам требования «Общих критериев» подробно изложены в . Выделены семь уровней гарантии секретности :

EAL1 (functionally tested) - применим там, где требуется минимальная конфиденциальность, но обеспечение секретности не рассматривается как важное требование;

EAL2 (structurally tested) - применим при тех обстоятельствах, где разработчики или пользователи требуют средний уровень гарантированной секретности в отсутствии полной информации о всех процедурах разработки;

EAL3 (methodically tested and checked) - применим там, где разработчики или пользователи требуют средний уровень гарантированной секретности и требуют исчерпывающего исследования операционной системы и этапов ее разработки, но не прибегая к существенной переработке ОС;

EAL4 (methodically designed, tested and reviewed) - применим при тех обстоятельствах, где разработчики или пользователи требуют высокий уровень гарантированной секретности операционной системы и требует специальной доработки уже существующей ОС для обеспечения этих требований;

EAL5 (semi formally designed and tested) - применим там, где разработчики или пользователи требуют высокий уровень гарантированной секретности операционной системы и строгого подхода к проектированию, так чтобы эти свойства были заложены уже на этапе проектирования, используя специальные средства обеспечения секретности;

EAL6 (semi formally verified, designed and tested) - применим там, где существует высокий уровень опасных ситуаций и где оправданы высокие затраты на защиту от несанкционированного доступа;

EAL7 (formally verified, designed and tested) - должен применяться в приложениях с очень высокой ценой в случае несанкционированного доступа.

Уровень EAL подтверждается специальной лабораторией Common Criteria Testing Lab.

В таблице приведен перечень максимальных требований гарантии секретности, которым должна удовлетворять система по уровню EAL7.

Система LynxOS-178

Основу LynxOS-178 составляет операционная система реального времени LynxOS v.3, которая выполняется в изолированном разделе. LynxOS v.3 сертифицирована на соответствие стандарту POSIX 1003.1-1996 на платформе Intel и PowerPC.

Ключевое свойство LynxOS-178 - поддержка нескольких полностью разделенных по времени, памяти и ресурсам разделов в соответствии с требованиями ARINC 653. LynxOS-178 (версия 2.0) поддерживает: до 16 разделов (виртуальных машин), включая корневой раздел; до 64 процессов; до 51 нити внутри каждого процесса; диспетчеризацию потоков внутри раздела в реальном времени; функции межпроцессного взаимодействия внутри раздела.

Каждый раздел полностью изолирован, что делает невозможным распространение сбоев между разделами.

С помощью LynxOS-178 фиксированные разделы обслуживаются как виртуальные машины LynxOS. Каждый прикладной процесс оперирует внутри его собственной среды операционной системы, как если бы он работал на своем собственном процессоре. Это применимо ко всем ресурсам процессора и именованным пространствам. Эта абстракция защищает разработчика прикладной системы от дополнительных усилий при программировании сложной системы. Управление разделами контролируется с помощью Таблицы конфигурации виртуальных машин (Virtual-Machine Configuration Table, VCT) и является обязательным в среде LynxOS-178, позволяя разработчику приложений сконцентрироваться на разработке приложений, а не на организации разделения системы. Кроме того, LynxOS-178 поддерживает разделение систем, совместимых с RTCA DO-255, что разрешает выполнять программное обеспечение с различными уровнями безопасности по DO-178B в разных разделах (виртуальных машинах). Это означает, что операционная система может выполнять приложение с уровнем A (по DO-178B) на одной виртуальной машине и приложение с уровнем C на другой, причем оба приложения работают на одном и том же процессоре в рамках одной и той же системы.

Версия LynxOS-178 в составе различных изделий (например, самолет Bombardier Challenger 300 компании Rockwell Collins) сертифицирована по стандарту DO-178B, а архитектура самой операционной системы (рис. 3 ) соответствует требованиям ARINC 653.

LynxOS-178 обеспечивает следующие группы системных сервисов в соответствии с ARINC 653: Partition Management - управление разделами, Process Management - управление процессами, Time Management - управление временем, Interpartition Communication - взаимодействие процессов в различных разделах (Sampling Port Services и Queuing Port Services), Intrapartition Communication - взаимодействие процессов внутри одного раздела (Buffer Services, Blackboard Services, Semaphore Services, Event Services), Health Monitoring - контроль работоспособности операционной системы или оборудования.

В 2006 году должен быть выпущен прототип операционной системы, отвечающий EAL7; разрабатывается новое ядро LynxSecure, совместимое с требованиями MILS, которое будет содержать всего 8 тыс. строк исходного кода и будет соответствовать требованиям EAL7.

Вне сомнения, рассмотренные требования к операционным системам реального времени очень существенны и для многих других отраслей, таких, как морской флот, военные и космические системы, системы связи, средства жизнеобеспечения, системы, предназначенные для использования в чрезвычайных ситуациях, - везде, где нужна быстрая реакция на события, высокая надежность, долговечности и безопасность применяемых средств, в том числе, и программных средств.

Литература

Commercial Off-The-Self Real-Time Operating System and Architectural Consideration. Final Report, U.S. Federal Aviation Administration, DOT/FAA/AR-03/77, February 2004.
Partitioning in Avionics. Architecture: Requirements, Mechanics, and Assurance. Final Report, National Aeronautics and Space Administration, DOT/FAA/AR-99/58, NASA/CR-1999-209347, March 2000.
Study of Commercial Off-The-Self (COTS) Real-Time Operating System (RTOS) in Aviation Application. Final Report, U.S. Federal Aviation Administration, DOT/FAA/AR-02/118, December 2002.
Evaluation of real time operating systems - the role of standards. Avionic Systems Standardization Committee (ASSC), Doc No: ASSC/330/2/141, March 1997.
G. Mayers, The art of Software Testing. John Wiley & Sons, 1979.
COTS Security Protection Profile - Operating Systems (CSPP-OS), NISTIR 6985, April 2003.
Common Criteria for Information Technology Security Evaluation. Part 3: Security Assurance Requirements. August 1999, Version 2.1, CCIMB-99-033.

Сергей Золотарев ([email protected]) - сотрудник компании «РТСофт» (Москва).

Дозаправщик стратегических бомбардировщиков дальнего действия KC-135 Stratotanker было решено модернизировать, чтобы обеспечить соответствие международным нормативам Global Air Traffic Management и требованиям стандарта DO-178B. Аппаратура Integrated Processing Center, разработанная компанией Rockwell Collins, предоставляет вычислительные и сетевые функции, которые могут использоваться для выполнения множества различных задач (обеспечение миссии, управление полетом, поддержка дисплеев). Базовая функциональность расширяется, что позволяет реализовывать дополнительные приложения. Обмен данными с другим оборудованием осуществляется по «авиационной» версии сети Ethernet. Внутри Integrated Processing Center имеется несколько сменных линейных модулей Line Replaceable Module. Сертифицированная операционная система реального времени LynxOS-178 работает на вычислительном модуле Common Computing Module и на концентраторе ввода-вывода Input/Output Concentrator Module.

Самолет-танкер KC-767, в котором также работает операционная система LynxOS-178, готов вывести воздушную заправку в ВВС США на новый уровень и отправить на покой старые заправщики KC-135E, состоящие на вооружении уже более четырех десятилетий. Новое судно не только вместительнее, но и надежнее, что делает его пригодным для более широкого круга операций. Фактически KC-767 - это четыре разных самолета в одном. Ярус, где находится кабина экипажа, легко оборудуется для перевозки пассажиров или грузов без ущерба для функциональности танкера. Причем можно сделать и так, чтобы в зависимости от ситуации судно было то пассажирским, то грузовым, то перевозчиком смешанного типа.

В англоязычной литературе используются два термина - safety и security, которые могут быть похожим образом переведены на русский язык. Однако они обозначают различные понятия, и в этой статье мы будем использовать safety как синоним безопасности, а security - секретности. - Прим. авт.