Встра?иваемая систе?ма, встро?енная систе?ма (англ. embedded system) - это специализированная компьютерная система, в которой сам компьютер обычно встроен в устройство, которым он управляет.

Характерные особенности:

• Очень малое энергопотребление, порядка от 0,5 до ~20 ватт
• Маленькие размеры
• Отсутствие больших систем отвода тепла (охлаждения). Зачастую ЦПУ не охлаждается вообще или используется небольшой радиатор.
• ЦПУ и системная логика, а также некоторые другие ИС, часто совмещены на одном кристалле (System On Crystal = SOC)

Основой построения встроенных систем могут служить одноплатные или однокристальные микроконтроллеры , специализированные или универсальные ЦПУ, ПЛИС. Интересной особенностью некоторых видов встроенных систем является использование довольно устаревших процессоров семейства x86 (например i386, i486, Pentium) и их клонов из-за малого энергопотребления и низкой стоимости (порядка 1-5 долларов США). Также многие виды встроенных систем используют ЦПУ архитектуры ARM.

На данный момент достаточно большое количество фирм (в тои числе в России) производит одноплатные компьютеры на основе микроконтроллеров и ЦПУ с RISC архитектурой. Среди них Advantech, AAEON, Advanced Micro Peripherals (AMP), Ampro Computers, Diamond Systems, iBASE, InnoDisk, Fastwel (Россия), Lippert, Octagon Systems, RTD Embedded Technologies, Tri-M Systems — Engineering, SanDisk, STEC. Примерами встроенных систем могут служить банкоматы, авионика, КПК, телекоммуникационное оборудование и тому подобные устройства.

Некоторые встроенные системы используются в массовых количествах (например, устройства RFID). Встроенные системы являются привлекательной целью для создателей вредоносного кода из-за своей распостранённости и относительной беззащитности. Постепенно возникает вредоносный код для встроенных систем (Cabir, RFID-вирус); к счастью, этот процесс пока затрудняется разнородностью встроенных устройств, отсутствием доминирующего ПО, и ограниченной функциональностью некоторых видов устройств. С другой стороны, задача антивирусных компаний и исследователей компьютерной безопасности также осложнена этими обстоятельствами, а также маломощностью встроенных систем, зачастую не позволяющей пользоваться распостранённым антивирусным ПО.

Основными производителями CPU для встраваемых систем являются VIA technologies, Transmeta Corporation, Infineon Technologies.

Операционные системы для встраеваемых систем

Во встраеваемых системах для управления используются операционные системы реального времени (ОС РВ) .

Операционная система реального времени ОС — это ОС, реагирующая в предсказуемое время на непредсказуемое появление внешних событий. Иногда ОСРВ называют интерактивными системами постоянной готовности. В категорию ОСРВ их относят исходя из маркетинговых соображений и если интерактивную программу называют «работающей в реальном времени», то это лишь означает, что запросы от пользователя обрабатываются с задержкой, незаметной для человека. Иногда понятие системы реального времени отождествляют с «быстрой системой», но это не всегда правильно, так как важно не время задержки реакции ОСРВ, а то, чтобы этого времени было достаточно для рассматриваемого приложения и оно было гарантированно.

Иногда различают системы «жёсткого» и «мягкого» реального времени . ОС «жёсткого» реального времени гарантирует выполнение каких-то действий за определённый интервал времени, ОС «мягкого» реального времени, как правило, успевает выполнить действия за заданный промежуток времени, но полностью не гарантирует этого. Большинство программного обеспечения ориентировано на «мягкое» реальное время.

Для подобных систем характерно:

• гарантированное время реакции на внешние события (прерывания от оборудования);
• жёсткая подсистема планирования процессов (высокоприоритетные задачи не должны вытесняться низкоприоритетными, за некоторыми исключениями);
• повышенные требования к времени реакции на внешние события или реактивности (задержка вызова обработчика прерывания не более десятков микросекунд, задержка при переключении задач не более сотен микросекунд)

Классическим примером задачи, где требуется ОСРВ, является управление роботом, берущим деталь с ленты конвейера. Деталь движется, и робот имеет лишь маленький промежуток времени, когда он может её взять. Если он опоздает, то деталь уже не будет на нужном участке конвейера, и следовательно, работа не будет сделана, несмотря на то, что робот находится в правильном месте. Если он спозиционируется раньше, то деталь ещё не успеет подъехать, и он заблокирует ей путь.
Windows CE (она же WinCE) - это вариант операционной системы Microsoft Windows для наладонных компьютеров, мобильных телефонов и встраиваемых систем. Windows CE не является «урезанной» версией Windows для настольных ПК и основана на совершенно другом ядре. К основным недостаткам системы можно отнести полное отсутствие нужных программных приложений. Поддерживаются архитектуры x86, MIPS, ARM и процессоры Hitachi SuperH.

Основные конкуренты WinCE - это VxWorks, eCos, OSE, QNX, LynxOS, Symbian OS, OS-9 , а также различные производные Linux (например, uClinux ) и, наиболее известный, PalmOS . Некоторые производители устройств также изготавливают свою собственную систему.

Windows CE оптимизирована для устройств, имеющих минимальный объём памяти: ядро Windows CE может работать на 32 КБ памяти. С графическим интерфейсом (GWES) для работы Windows CE понадобится от 5 МБ. Устройства часто не имеют дисковой памяти и могут быть сконструированы как «закрытые» устройства, без возможности расширения пользователем (например, ОС может быть «зашита» в ПЗУ). Windows CE соответствует определению операционной системы реального времени.

На базе Windows CE основано множество платформ, включая Handheld PC, Pocket PC, Pocket PC 2002, Pocket PC 2003, Pocket PC 2003 SE, Smartphone 2002, Smartphone 2003, Windows Mobile, а также множество промышленных устройств и встроенных систем. Приставка Sega Dreamcast имела поддержку Windows CE. Самой Windows CE в изначальной поставке не было, но она могла запускаться на приставке с CD. Некоторые игры использовали данную возможность.

Часто названия Windows CE, Windows Mobile, Pocket PC используют как взаимозаменяемые. Это не совсем правильно. Windows CE 3.0 - это модульная операционная система, которая служит основой для устройств нескольких классов. Любой разработчик может купить инструментарий (Platform Builder), который содержит все эти компоненты и программы, позволяющие построить собственную платформу. При этом такие приложения, как Word Mobile / Pocket Word, не являются частью этого инструментария.

Windows Mobile лучше всего представлять себе как набор платформ, основанных на Windows CE. В настоящее время в этот набор входят платформы: Pocket PC, SmartPhone и Portable Media Center. Каждая платформа использует свой набор компонентов Windows CE, плюс свой набор сопутствующих особенностей и приложений.

Windows CE .net - это кодовое название Windows CE версии 4.2.

Windows Embedded CE 6.0 (кодовое имя «Yamazaki») является шестой версией операционной системы Windows Embedded, ориентированной на предприятия, изготавливающие промышленные контроллеры и устройства бытовой электроники. В Windows Embedded CE 6,0 полностью переделано ядро, которое поддерживает свыше 32000 процессов, по сравнению с 32 в предыдущих версиях. С 32 Мб до 2 Гб поднялось выделяемое для процессов виртуальное адресное пространство.

Windows Embedded CE 6.0 был выпущен 1 ноября 2006 года.
Windows CE 6.0 R2 был выпущен 15 ноября 2007 года.
Windows Embedded CE 6.0 также является основой для Windows Mobile 7 (кодовое имя «Photon»).

QNX - коммерческая POSIX-совместимая операционная система реального времени, предназначенная преимущественно для встраиваемых систем. Считается одной из лучших реализаций концепции микроядерных операционных систем.

Как микроядерная операционная система , QNX основана на идее работы основной части своих компонентов, как небольших задач, называемых сервисами. Это отличает её от традиционных монолитных ядер, в которых ядро операционной системы - одна большая программа, состоящая из большого количества «частей», каждая со своими особенностями. Использование микроядра в QNX позволяет пользователям (разработчикам) отключить любую ненужную им функциональность, не изменяя ядро. Вместо этого, можно просто не запускать определённый процесс.

Система достаточно небольшая, чтобы в минимальной комплектации уместиться на одну дискету, вместе с этим она считается очень быстрой и должным образом «законченной» (практически не содержащей ошибок).

QNX Neutrino , выпущенная в 2001 году, перенесена на многие платформы, и сейчас способна работать практически на любом современном процессоре, используемом на рынке встраиваемых систем. Среди этих платформ присутствуют семейства x86, MIPS, PowerPC, а также специализированные семейства процессоров, такие, как SH-4, ARM, StrongARM и xScale.

Версия для некоммерческого использования доступна для скачивания на веб-сайте разработчика.

LynxOS - Unix-подобная операционная система реального времени, разработанная для встраиваемых систем, совместимая со стандартами POSIX и, в последнее время, с операционной системой GNU/Linux. LynxOS используется преимущественно в авиации, системах управления промышленными процессами и в области телекоммуникаций.

ChorusOS - микроядерная операционная система реального времени, разработанная для встраиваемых систем. В 1997 году Sun Microsystems купила Chorus systems, компанию, создавшую ChorusOS. В августе 2002 года Основатели Chorus Systems организовали новую компанию VirtualLogix и занялись разработкой встраиваемых систем, используя Linux и ChorusOS.

Nucleus - операционная система реального времени, созданная Accelerated Systems, подразделением по встраиваемым системам компании Mentor Graphics для различных процессорных платформ. Получила распространение в телевизионных декодерах, мобильных телефонах, и других переносных и карманных устройствах. Nucleus используется Garmin International в GPS-модуле, предназначенном для гражданской авиации.

OS-9 - многозадачная, многопользовательская операционная система реального времени, разработанная Microware Systems Corporation.
Используется для интерактивных и встраиваемых систем. В наши дни OS-9 принадлежит компании RadiSys Corporation расположенной в штате Орегон (США).

VxWorks - операционная система реального времени (ОСРВ), разрабатываемая компанией Wind River Systems (США).
Как и большинство других ОСРВ, VxWorks включает в себя многозадачное ядро с вытесняющим планировщиком и быстрым откликом на прерывания, средства межпроцессного взаимодействия и синхронизации, а также файловую систему и сетевую подсистему (стек протоколов TCP/IP). В комплект поставки входят средства для кросс-компиляции, мониторинга производительности (WindView), удаленной символьной отладки, а также эмуляции различных процессоров. Дополнительно поставляется значительное количество различных стеков протоколов, графических подсистем, и др. как от самой Wind River Systems, так и от третьих фирм. Множество поддерживаемых VxWorks встраиваемых платформ является одним из самых обширных среди ОСРВ.

Последняя версия интегрированной среды разработки Wind River Workbench (поставляющаяся с VxWorks версий 6.x, впрочем как и 5.x) построена на основе среды Eclipse. Предыдущая проприетарная среда разработки называлась Tornado.

Использование:

• Аппарат Mars Reconnaissance Orbiter на орбите Марса (используется система VxWorks)
• Зонды Spirit и Opportunity, а также аппарат Mars Reconnaissance Orbiter используют VxWorks на платформе POWER. Система используется и в других космических миссиях, например Deep Impact.
• Планируется использование в новейших авиалайнерах Boeing 787 .
• Коммуникационное оборудование многих компаний (например, Nortel, 3COM, Alcatel и др.).
  
• Linksys WRT54G (ver.5,6,...), NetGear WGR614 (ver. 5,6,7)
• Некоторые PostScript-принтеры.
• Медицинское оборудование компании Siemens AG (в частности, магнитно-резонансные томографы).
• Последние системы интерфейсов BMW iDrive

ОС2000 - Операционная система реального времени (ОС РВ) разработанная НИИСИ РАН по заказу МО РФ для микропроцессоров MIPS и Intel.
Эта ОС РВ предназначена для разработки программного обеспечения для систем (программно-аппаратных комплексов), работающих в режиме жёсткого реального времени.
Поддержка устройств:

• сетевые устройства Ethernet (протоколы NFS, FTP, Telnet), для Intel-версии поддержка ограничена ISA- и PCI-картами фирмы Realtek, NE2000-совместимых карт.
• накопительные устройства - флоппи- и жёсткие диски (файловые системы vfat и tar)

Имеется поддержка графической клиент-серверной подсистемы X Window System, ипользуемой в Unix-системах.

Привет, Хабр!
Сегодня я расскажу о такой интересной штуке как операционная система реального времени(ОСРВ). Не уверен, что это будет интересно для бывалых программистов, но, думаю, новичкам понравится.

Что такое ОСРВ?

Если мы посмотрим в Википедию, то увидим аж 4 определения.
Если же говорить вкратце - то ОСРВ - это операционная система, реагирующая на внешние события в определенный промежуток времени. Отсюда мы и можем понять основное предназначение ОСРВ - приборы, в которых необходима быстрая реакция на события (однако ни в коем случае не путайте работу ОСРВ с прерываниями).

Зачем она нам нужна?

На то есть довольно много причин.
Во-первых ОСРВ поддерживает многозадачность, приоритеты процессов семафоры и многое другое.
Во-вторых она очень легкая и почти не требует ресурсов.
В-третьих все вышесказанное мы можем получить практически на любом железе (например, FreeRTOS запускается даже на 8-битных AtMega).
Ну и в-четвертых: просто поиграться и получить удовольствие.

Обзор 3 известных ОСРВ.

Внимание: дальше идет мое личное мнение.

FreeRTOS

Одна из самых популярных ОСРВ на сегодняшний день. Портирована на огромное количество железа. Оффициальный сайт .

Плюсы

1) Бесплатная
2) Портирована на большое количество железа
3) Мощный функционал
4) Есть различные библиотеки: графика, интернет и другое.
5) Хорошая документация.

Минусы

1)Довольно-таки сложный процесс портирования на новое железо.

Вывод: Это действительно профессиональная ОСРВ с хорошей документацией. Будет хороша для новичка, если на его железо уже есть порт.

KeilRTX

До последнего времени эта ОСРВ была коммерческой, но недавно стала открытой. Работает только на архитектуре arm. Оффициальный сайт .

Плюсы

1)Бесплатная
2)Легко портируется на новое железо(в пределах архитектуры arm).
3) Есть различные библиотеки: графика, интернет и другое.

Минусы

1)Работать на в Keil с ней практически нереально
2) Немного урезанный функционал
3) Поддерживается только arm.
4)(на личном опыте) Проигрывает многим ОСРВ по скорости.
Вывод: идеально подойдет для новичка и мелких проектов.

uc/os

Мощная коммерческая ОСРВ. Сайт .

Плюсы

1) Огромное количество функций и библиотек.
2) Поддерживает много железа

Минусы

1)Коммерческая.
2) Сложна в использовании.

Вывод: назвать ее ОСРВ для новичка можно с большой натяжкой.

Другие интересные ОСРВ

RTLinux ОСРВ на основе обычного Линукса.
QNX ОСРВ на основе Unix.

Особенности разработки с использованием ОСРВ

Ну во-первых надо понять следующее: ОСРВ- это не Windows. Его нельзя установить. Эта система просто компилируется с Вашей программой.
При написании программ с ОСРВ не используются функции в обычном их понимании. Вместо функций используются процессы(или таски).Отличие в том что процессы, в отличии от функций, являются бесконечными циклами и никогда не заканчиваются(если только кто-то или он сам его не убъет - то есть выгрузит из памяти).
Если включено несколько процессов, то ОСРВ переключает их, выдавая машинное время и ресурсы по очереди. Вот тут то и возникает понятия приоритета процесса- если двум процессам единовременно нужно машинное время, то ОСРВ даст его тому, у кого приоритет больше.
В ОСРВ есть специальные функции задержки- чтобы время зря не пропадало на время задержки одного процесса выполняется второй.
Теперь поговорим о такой вещи как семафор- эта такая штука, которая управляет доступом процесса к ресурсам приложения. Для каждого ресурса есть маркер - когда процессу нужен ресурс - он его забирает и пользуется данным ресурсом. Если маркера нет, то процессу придется ждать, пока его вернут. Приведу пример: разные процессы отправляют информацию по одному UART. Если бы не было семафора, то они бы отправляли байты по очереди и получилась бы неразбериха. А так первый процесс взял маркер на UART отправил сообщение и отдал второму(и так - до бесконечности).

Дополнительные библиотеки ОСРВ.

Часто ОСРВ предлагают различные библиотеки для работы, например, с графикой, интернетом и т.д. Они действительно удобны и не стоит брезгать их использовать. Однако, помните, что без ОСРВ, для которой они написаны, они работать не будут.
Вот примеры:
Для RTX

ОСРВ обеспечивает разработчика основой, на которой выстраиваются и организуются элементы системы. На самом деле преимущества простираются гораздо шире реально-временного аспекта - даже для систем, не нуждающихся в этом, потому что программа может быть гораздо лучше организована, если основана на ОСРВ.

Интеграция ОСРВ позволяет решить множество проблем, которые могут возникнуть с программой приложения, так как она обеспечивает возможность многозадачности и позволяет разбивать приложение на более мелкие части (задачи). Каждая задача получает свой собственный приоритет, основанный на её важности, а преимущественное планирование гарантирует, что микроконтроллер будет выполнять задачу, имеющую наивысший приоритет среди задач, готовых к запуску. В большинстве случаев, добавление задачи с более низким приоритетом не влияет на скорость реакции системы по отношению к высокоприоритетным задачам.

В настоящее время ARM- и Cortex- базируемые микроконтроллеры доступны примерно по той же цене, что и 8-, или 16-битные микроконтроллеры. Предлагаемая ими дополнительная работоспособность означает, что специализированная система отлично справится с работой ОСРВ. Кроме того, возросшая сложность современных приложений позволит извлечь выгоду из проектов, использующих ОСРВ. Однако, микроконтроллер должен иметь по меньшей мере от 16 до 32 КВ флэш-памяти или памяти программ, чтобы можно было успешно использовать ОСРВ.

ВЫБОР ОСРВ

ОСРВ – это лишь один компонент полной экосистемы разработки. Подобная сложность, связанная с широким рядом доступных продуктов, вызывает новые вопросы. Разработчик должен решить - какая ОСРВ идеально подходит к приложению и какая ОСРВ идеальна для микроконтроллера. Хочется надеяться, что в обоих случаях - одна и та же. Вдобавок, разработчик должен выбрать инструменты для программирования и отладки, которые хорошо работают под выбранной ОСРВ. К счастью, сегодня доступны объективные источники информации для разработчиков, которые помогут им ответить на вышеупомянутые вопросы.

ВЫСОКОПРИОРИТЕТНЫЕ / НИЗКОПРИОРИТЕТНЫЕ

Основная проблема в системах реального времени – это время, требуемое для отклика на прерывание и запуска пользовательского кода (задачи), чтобы обработать прерывание. Системы, не использующие ОСРВ, известны как высокоприоритетные/низкоприоритетные (foreground/background) и работают, как показано на рис.1. Приложение вызывает модули для выполнения желаемых операций: низкоприоритетные модули выполняются последовательно в основном цикле программы, а прерывания обрабатывают асинхронные события с высоким приоритетом. Типичные приложения будут выполнять много опросов и программа будет становиться беспорядочной, по мере роста приложения. Без ОСРВ также приходится самому реализовывать такие полезные сервисы как временные задержки и таймеры, необходимые для выполнения программы со множеством конечных автоматов.

рисунок 1

МНОГОЗАДАЧНОСТЬ

Многозадачность (multitasking) – это процесс планирования и переключения процессора между несколькими задачами, делящими между собой процессор. Один из наиболее важных аспектов многозадачности в том, что она позволяет программисту приложения управлять комплексностью, присущей современным приложениям. ОСРВ может сделать программы приложения проще в проектировании и обслуживании, управляя задачами и передачей информации между ними.

Когда системе нужно запустить другую задачу по причине наступления более важного события, текущее содержимое регистров процессора сохраняется как часть текущей задачи. Контекст новой (более важной) задачи – перед выполнением ее кода восстанавливается в прежнее состояние. Эту процедуру выполняет так называемый переключатель контекста или переключатель задач. Текущая вершина стека для каждой задачи наряду с другой информацией хранится в структуре данных, называемой блоком управления задачей (Task Control Block), который управляется ОСРВ.

ПЛАНИРОВАНИЕ

Порядок, в котором выполняются задачи, определяется планировщиком (scheduler) или диспетчером (dispatcher). Существует два типа планировщиков: кооперативный (non pre-emptive) и вытесняющий (pre-emptive).

В кооперативном планировщике задачи взаимодействуют (кооперируются) друг с другом чтобы получить контроль над процессором: когда задача освобождает процессор, ядро выполняет код следующей, наиболее важной, готовой к запуску задачи. Асинхронные события всё ещё обслуживаются обработчиками прерываний, которые могут сделать высокоприоритетную задачу готовой к выполнению, но обработчик прерываний всегда возвращается к прерванной задаче. Новая задача с более высоким приоритетом получит доступ к процессору только тогда, когда текущая задача добровольно освободит процессор, как показано на рисунке 2.

рисунок 2

Когда в вытесняющем планировщике, показанном на рисунке 3, событие, или обработчик прерываний делает задачу с более высоким приоритетом готовой к выполнению, текущая задача немедленно приостанавливается и доступ к процессору получает задача с более высоким приоритетом. Большинство систем реального времени используют вытесняющие планировщики, потому что они реагируют быстрее, нежели кооперативные ядра.

рисунок 3

РЕСУРСЫ

Очевидная выгода от использования ОСРВ в том, что она сокращает время выхода на рынок (time to market), поскольку упрощает разработку, не потребляя при этом большого количества ресурсов процессора. uC/OS-II от Micrium, например, использует только от 6 до 24 КВ памяти программ и от 1 до 8 КВ памяти данных на ARM- устройствах. На небольших 8- или 16-битных платформах затраты ещё меньше – только от 4 до 16 КВ памяти программ.

ОСРВ, как правило, имеет детерминированную характеристику, то есть заданный набор критических задач может быть целиком выполнен к установленному сроку. Опрос (polling) избегается благодаря выполнению задач только во время возникновения событий. Задачи, ожидающие события, не потребляют циклы процессора.

КОММЕРЧЕСКИЕ ПРЕИМУЩЕСТВА ОСРВ

Некоторые компании используют ОСРВ собственной разработки, но их системы могут страдать от недостатка документации и расширенного тестирования. Собственные ОСРВ обычно не могут быть перенесены на другие процессоры и их код зачастую несовершенен. Хуже того, если проектировщик, который их создал, покидает компанию, может оказаться, что систему невозможно обслуживать.

Коммерческая ОСРВ используется в сотнях, если не тысячах проектов, и базируется на испытанном коде, дающем уверенность в ее работоспособности. uC/OS-II от Micrium имеет сертификат FAA/FDA/IEC, что позволяет использовать ее в авиационной электронике, медицине и других типах приложений, требовательных к безопасности. Даже если устройство не нуждается в надежности ОСРВ, сертифицированных для авиационной электроники, всё таки приятно знать, что ОСРВ прошла расширенное тестирование. uC/OS-II также в высшей степени мобильна и может работать на более чем 45 различных процессорах. Код приложения может быть легко перенесён (портирован) с 8-битной на 32-битную архитектуру и даже на DSP. Пользователь обеспечивается полномасштабной поддержкой и документацией.

Большинство сервисов, которые могут потребоваться приложению, уже интегрированы в ОСРВ. Среди них:

Управление временем (time management) – временные задержки и таймеры
- Управление задачами (task management) – создание, удаление, приостановка, возобновление
- Взаимоисключения
- Передача сообщений
- Передача сигналов

Преимущества использования ОСРВ подчеркиваются доступностью полного портфолио компонентов встроенного программного обеспечения (ПО), а также промежуточного ПО, включая стек TCP/IP, стек USB, стек CANbus, UART, файловые системы и графический интерфейс пользователя. Конечно, некоторые компоненты могут потребовать большего быстродействия, чем то, которым располагают low-end процессоры.

Два направления в индустрии коммерческих ОСРВ делают начало работы с ними еще проще. Многие ОСРВ, включая uC/OS-II теперь продаются на основе, не требующей авторских выплат, что гораздо выгоднее, чем использование ОСРВ, которые требуют непрерывной уплаты роялти. Зачастую, ОСРВ входит, в случае приобретения лицензии, во многие стартовые наборы (MCU starter kits).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ОСРВ – бесценный инструмент, упрощающий разработку большинства встраиваемых приложений – реального времени, или нет – и позволяющий добавление новых функций, не требуя больших изменений в ПО. Учитывая небольшие системные издержки, использование ОСРВ в настоящее время оправдано во многих малых 8- и 16-битных встраиваемых системах, а также в системах с 32-х битными или более мощными процессорами.

ОСРВ МАКС - бесплатная российская операционная система реального времени для мультиагентных когерентных систем.

МАКС воплощает классический функционал операционных систем данного типа и обладает рядом преимуществ, позволяющих значительно ускорить разработку встраиваемого ПО при создании новых устройств на основе микроконтроллеров. Особенно ярко преимущества новой ОС проявляются в вопросах организации взаимодействия множества устройств.

ОСРВ МАКС включает:

• Полнофункциональное ядро ОСРВ.
• Полный комплект исходных кодов.
• Документацию.
• Демо-приложения.

Познакомьтесь с проектом на github: https://github.com/AstroSoft-MIR/macs-rtos

Или скачайте стабильную версию в составе среды разработки «MACS Master» на базе Eclipse

Производства STMicroelectronics (включая готовые проекты для отладочного комплекта STM32F429I-DISCO).

Поддержка средств разработки

Eclipse + GCC.

ОСРВ МАКС - это:

Планировщик:

• динамическое создание и удаление задач,
• поддержка режимов вытесняющей и кооперативной многозадачности,
• выбор режима выполнения задач - привилегированного или непривилегированного.

Объекты синхронизации:

• бинарные и считающие семафоры,
• рекурсивные и нерекурсивные мьютексы с поддержкой наследования приоритетов,
• события,
• очереди сообщений.

Использование аппаратных средств защиты памяти:

• для защиты стека процессов от переполнения,
• для защиты памяти по нулевому адресу,
• для защиты портов периферии от непривилегированного доступа.

Обработка прерываний в пользовательских задачах:

• активизация пользовательских задач-обработчиков из предопределённого универсального обработчика прерываний, не требующего дополнительной настройки,
• возможность назначить несколько задач-обработчиков для одного прерывания,
• управление последовательностью обработки через приоритеты задач-обработчиков.

Профилирование:

• измерение времени выполнения секций кода от точки до точки или в области видимости автоматической переменной,
• возможность автоматической настройки (повышение точности измерения за счет вычисления задержек собственной работы),
• формирование статистики замеров с группировкой секций по разделам (полное время выполнения всех секций с учётом и без учёта вложенности, минимальное/среднее/максимальное время выполнение секции, среднеквадратичное отклонение).

Механизм разделяемой памяти на уровне устройств (Shared Memory):

• синхронизация контекста задач между устройствами,
• обмен сообщениями внутри группы устройств.

Устройства под управлением микроконтроллеров используются для решения широкого спектра задач. ОСРВ МАКС - универсальная платформа для разработки встраиваемых приложений, и сфера её применения связана с целесообразностью использования микроконтроллеров в той или иной задаче.

Робототехника, БПЛА

• Система управления

  Электроника управления устанавливается непосредственно на самом роботе и реализует алгоритмы, позволяющие ему решать поставленную задачу.

• Система телеметрии

  Обеспечивает связь между роботом и удалённым терминалом, даёт возможность оператору получать сведения о состоянии робота и отправлять команды.



• Система позиционирования

  Дополнительные внешние устройства позволяют роботам ориентироваться в помещениях и на открытой местности, находить путь до места назначения и к базовым станциям.

Системы «умного дома»

• Управление электропитанием и освещением

  Обеспечение бесперебойного электроснабжения здания, контроль расхода электроэнергии, автоматическое включение/отключение освещения в зависимости от присутствия людей в помещении и контроль уровня освещённости (регулирование яркости света в разное время суток).



• Управление климатом

  Поддержание комфортного микроклимата в помещении (регулирование температуры и влажности, вентиляция и очистка воздуха) осуществляется в зависимости от предпочтений пользователя, присутствия людей в помещении, а также внешних факторов (погода, время суток).



• Системы мониторинга и безопасности

  Видеонаблюдение и контроль доступа в помещения, отслеживание событий, угрожающих безопасности жилища (взлом, возгорание, протечка воды) и автоматическое оповещение о них владельцев и соответствующие службы (охрана, противопожарная служба).

Потребительская электроника и бытовая техника

С развитием технологий бытовые приборы становятся более функциональными и удобными в использовании. Например, в настоящее время потребителю уже доступна техника, управляемая централизованно со смартфона или планшета вместо отдельных пультов ДУ. «Умная» техника требует всё меньше внимания со стороны человека, что даёт возможность пользователю значительно экономить время и деньги (роботы-пылесосы самостоятельно занимаются уборкой, функции отложенного старта и автоотключения контролируют время работы устройства и тем самым оптимизируют расход электроэнергии). Бурно развивающиеся технологии Интернета вещей (Internet of things, IoT) предполагают и вовсе полную автономность устройств, что порождает высокие требования к их программной начинке, а со стороны разработчиков этих устройств растет интерес к ОС, уже «из коробки» предоставляющих сервисы и протоколы взаимодействия, позволяющие обеспечить эту автономность.

Технологии Интернета вещей предполагают полную автономность устройств. Это порождает высокие требования к их программной начинке. Со стороны разработчиков этих устройств растет интерес к ОС, предоставляющих уже «из коробки» сервисы и протоколы взаимодействия, позволяющие обеспечить эту автономность.

Поддержка Mesh-сетей

• Надёжность и отказоустойчивость сети

  Узлы сети соединяются друг с другом, образуя большое количество связей. Между узлами может формироваться несколько маршрутов следования трафика. При наличиии избыточных маршрутов выход из строя одного из промежуточных узлов не нарушит функционирование всей сети. Информация будет динамически перенаправлена по другому маршруту.



• Самоорганизация

  Структура сети формируется автоматически по мере подключения/отключения узлов. При необходимости каждый узел может самостоятельно получить информацию о доступности узла назначения и построить оптимальный маршрут для обмена данными.



• Увеличение дальности связи

  Каждое из устройств может обладать небольшой дальностью связи. Однако территориальное распределение множества соединённых друг с другом устройств позволяет обеспечить гораздо большее покрытие.

Поддержка технологий Интернета вещей

• Оптимальная конфигурация распределённой системы

  Аппаратные ресурсы каждого устройства системы выбираются исходя из его функционального предназначения. Нет необходимости в мощных компьютерах для решения простых задач, например, идентификации объектов или измерения параметров внешней среды. Эти функции могут быть выполнены небольшими автономными модулями, что снижает стоимость распределенной системы.



• Автономное функционирование системы

  Взаимодействуя друг с другом, устройства способны принимать решения и выполнять задачи без участия человека, что позволяет снизить затраты на обслуживание системы.



• Масштабируемость

  Ввод и вывод устройств из сети происходит безболезненно и автоматически. Сеть «сама разберется», какое устройство в ней появилось и как его задействовать.

Сферы применения

• Датчики, сенсоры, преобразователи
• Системы «умного дома», «умного города»
• Интернет вещей (Internet of things, IoT)
• Промышленная автоматика, управление
• Робототехника
• Медицинское оборудование
• Ж/д транспорт
• Потребительская электроника
• Системы связи

Я разработал немногим более 10 электронных устройств и вполне обходился в их низкоруровневой работе без операционной системы. Ситуация поменялась, когда функционал следующего девайса резко расширился. Кроме того, появилась необходимость в задаче, которая вызывается через заданные интервалы времени, причем точность вызова влияет на результат. Также стало понятно, что написать все ПО за выделенное время не получится, и оно будет создано позже. После недолгих размышлений я понял, что в проект необходимо включить операционную систему реального времени (ОСРВ или RTOS).

В отличие от ПК, где ОС – это больше слой для работы с системными ресурсами, для микроконтроллера ОСРВ – это в первую очередь планировщик задач, собственно он и играет главную роль в «реальном времени». На данный момент для меня важно обеспечить так называемое «псевдопараллельное» выполнение задач. То есть существует несколько задач с одинаковым приоритетом и важно вызывать их в заданном порядке через заданные интервалы времени.

Нагляден следующий пример: в проекте Евробот 2011 в системе присутствовало 18 периферийных устройств. 2 электронных платы можно было по функционалу объединить в одно. Снизилась бы их стоимость, повысилась надежность (уменьшили число компонентов в системе), увеличилось количество свободного места в корпусе. Обстоятельство осложняет то, что число задач растет пропорционально и тут уже не обойтись без ОС. Также ОСРВ помогает избежать возможных простоев работы процессора, например, во время преобразования АЦП вы можете заблокировать эту задачу и выполнять другие, тем самым правильно распределяя работу устройства. Важно и то, что теперь устройство не упадет из-за сбоя в задаче, вместо этого возможно сохранение частичной работоспособности (хотя это и может привести к непредсказуемым результатам). За счет чего мы обеспечиваем рост этих показателей? По сути, мы выжимаем из МК все возможное, эффективно используя его вычислительные возможности.

После недолгих поисков выбор пал на freeRTOS. Эта ОСРВ распространяется в исходниках на С и портирована на 27 архитектур. Последнее обстоятельство для меня – решающее. Оно снизит трудозатраты при работе с МК других производителей. Сейчас же меня больше интересует порт для AVR.

Наличие ОСРВ freeRTOS в проекте съедает у вас около 9.8 Кб памяти программ и 1.8 Кб ОЗУ. К примеру для ATmega32 и компиляторе WinAVR это 60% и 85% соответственно. Уже для этой модели создать девайс с большим функционалом сложно – не хватит памяти. Но эта проблема отпадает при использовании новых моделей AVR. Это совершенно нипочем для Mega2560 с ее 256Кб памяти программ и 8 Кб ОЗУ. Тенденция будущих МК только сопутствует успеху ОСРВ.

Бегло пробежавшись по рунету, я с удивлением обнаружил, что нет документации на ОС на русском языке. Да какое тут! Оригинальная документация распространяется за дополнительную стоимость. Ситуацию упростила статья Андрея Курница ([email protected]) из журнала «Компоненты и технологи». По согласию с автором я буду использовать материалы статьи в переработанном варианте. Его статья вполне может послужить документацией на русском языке. Но оригинал недоступен в печатном виде, сайт журнала лежит, поэтому материал придется немного переработать. В целом, автор сделал отличную статью и нет смысла еще раз пройтись по теории, она будет полностью опубликована здесь. Оригинал статьи будет приложен в конце публикации. Также я заметил, что у пользователей возникли трудности при компиляции ОСРВ. Это связано с тем, что используется внешний makefile, в котором прописаны пути к папкам. Поэтому я приложу готовый проект в виде шаблона для AVR Studio и AVR Eclipse. К сожалению, родной makefile не выводит отладочную информацию, такую, как степень занятости ОЗУ и памяти программ, это пришлось пофиксить, добавив соответствующий стандартный вызов.

Итак, кратко про необходимость, в вашем проекте желательно использовать ОСРВ, если необходимо:

Организовать мультизадачность и поочередное выполнение задач

Обеспечить запуск задачи через строго определенные интервалы времени

Передать информацию от одной задачи к другой

Добавлять по мере необходимости новые задачи

Преимущества ОСРВ перед М К:

1. Многозадачность. ОСРВ предоставляет программисту готовый, отлаженный механизм многозадачности. Каждую задачу в простом случае можно программировать отдельно, всю работу разбить между несколькими членами команды. Не нужно заботиться о переключении между задачами, это сделает планировщик.
2. Временная база. Необходимо отмерять интервалы времени. ОСРВ должна иметь этот инструмент. Он позволит выполнять действия через строго выделенные интервалы времени.
3. Обмен данными между задачами. Для этого в ОСРВ используется очередь.
4. Синхронизация. Если разные задачи используют один и тот же ресурс, например последовательный порт, то можно использовать мьютексы и критические секции. Если необходимо выполнять задачи в строгой последовательности или при наступлении определенного события, то можно использовать семафоры или сигналы для синхронизации задач.

Недостатки ОСРВ :

1. Резкое увеличение потребной памяти программ для реализации ядра

2. Увеличение потребной ОЗУ для хранения стека каждой задачи, семафоров, очередей, мьютексов и других объектов ядра системы.

3. Задержки при переключении между задачами на сохранение контекста.

Описание freeRTOS :

FreeRTOS – это бесплатная ОС жесткого реального времени с открытым исходным кодом. Преимущественно написана на С, но присутствуют ассемблерные вставки. Она была разработана компанией Real Time Engineers ltd специально для встраиваемых систем. Недавно начал развиваться проект «SafeRTOS»- доработанный, документированный, протестированный и прошедший сертификацию на соответствие стандарту безопасности IEC 61508 вариант FreeRTOS. Этим проектом занималась немецкая компания и теперь safeRTOS используется в аэрокосмической промышленности и медицинской технике. Также существует проект openRTOS - коммерческая версия с гарантией производителя.

Основные характеристики freeRTOS :

1. Планировщик поддерживает 3 типа многозадачности:

Вытесняющую

Кооперативную

Гибридную

2. Размер ядра составляет 9.8 Кб в скомпилированном виде для AVR. (WINAVR)

3. Основа ядра – 4 файла на С.

4. Поддерживает задачи и сопрограммы. Сопрограммы специально созданы для МК с малым объемом ОЗУ.

5. Богатые возможности трассировки.

6. Есть возможность отслеживать переполнение стека.

7. Нет программных ограничений на количество одновременно выполняемых задач.

8. Нет ограничения на количество приоритетов задач.

9. Нескольким задачам может быть назначен одинаковый приоритет

10. Развитые средства синхронизации «задача-задача» и «задача-прерывание»:

Очереди

Двоичные семафоры

Счетные семафоры

Рекурсивные семафоры

Мьютексы

11. Мьютексы с наследованием приоритета.

12. Поддержка модуля защиты памяти для Cortex-M3

13. Поставляется в отлаженном виде с демо-проектами для различных платформ и компиляторов.

14. Бесплатна. Можно использовать в проектах без раскрытия исходного кода в соответствии с расширенной лицензией GPL.

15. Документация платная, но доступна в онлайн здесь.

16. Время переключения контекста для AVR с кварцем на 16Мгц составит всего 20.8 мкс. Именно столько нужно для сохранения данных в стек задачи и вызов следующей. (Интересное замечание, если сравнить это с PIC18xxx, то контроллер от AVR делает это быстрее в 4 раза!!!, скорее всего это связано с качеством компилятора)

Вытесняющая многозадачность означает, что выполняющаяся задача с низким приоритетом перекрывается готовой задачей с более высоким приоритетом. Переключение между задачами происходит через равные кванты времени. Поэтому прежде, чем выскопоприоритетная задача начнет выполнение, должен закончиться текущий квант времени, когда выполняется низкоприоритетная.

Таким образом, время реакции FreeRTOS на внешние события в режиме вытесняющей многозадачности-не больше одного кванта времени планировщика, который можно за­давать в настройках. По умолчанию он равен 1 мс.

Если готовы к выполнению несколько за­дач с одинаковым приоритетом, то в таком случае планировщик выделяет каждой из них по одному кванту времени, по истечении которого управление получает следующая задача с таким же приоритетом, и так далее по кругу.

Кооперативная многозадачность отличается от вытесняющей тем, что планировщик самостоятельно не может прервать выполнение текущей задачи, даже готовая к выполнению задача с большим приоритетом. Каждая задача должна самостоятельно передать управление планиров­щику. Таким образом, высокоприоритетная задача будет ожидать, пока низкоприоритет­ная завершит свою работу и отдаст управле­ние планировщику. Время реакции системы на внешнее событие становится неопреде­ленным и зависит от того, как долго текущая задача будет выполняться до передачи управ­ления. Кооперативная многозадачность при­менялась в семействе ОС Windows 3.x.

Вытесняющая и кооперативная концеп­ции многозадачности объединяются вместе в гибридной многозадачности, когда вызов планировщика происходит каждый квант времени, но, в отличие от вытесняющей многозадачности, программист имеет воз­можность сделать это принудительно в теле задачи. Особенно полезен этот режим, ког­да необходимо сократить время реакции си­стемы на прерывание. Допустим, в текущий момент выполняется низкоприоритетная за­дача, а высокоприоритетная ожидает насту­пления некоторого прерывания. Далее про­исходит прерывание, но по окончании ра­боты обработчика прерываний выполнение возвращается к текущей низкоприоритетной задаче, а высокоприоритетная ожидает, пока закончится текущий квант времени. Однако если после выполнения обработчика преры­вания передать управление планировщику, то он передаст управление высокоприори­тетной задаче, что позволяет сократить время реакции системы, связанное с внешним событием.

С чего на чат ь?

Начать разработку микроконтроллерного устройства, работающего под управлением FreeRTOS, можно с загрузки ее последней версии .

Дистрибутив FreeRTOS доступен в виде обычного или самораспа­ковывающегося ZIP-архива. Дистрибутив Содержит непосредственно код ядра (в виде нескольких заголовочных файлов и файлов с исходным кодом) и демонстраци­онные проекты (по одному проекту на каж­дую среду разработки для каждого порта). Далее следует распаковать архив в любое подходящее место на станции разработки.

Несмотря на достаточно большое количе­ство файлов в архиве, структура директорий на самом деле проста. Если планируется проектировать устройства на 2-3 архитектурах в 1-2 средах разработки, то большая часть файлов, относя­щихся к демонстрационным проектам и раз­личным средам разработки, не понадобится.

Подробная структура директорий приве­дена на рисупке.

Весь исходный код ядра находится в ди­ректории /Source.

Содержимое:

1.tasks.c - реализация механизма задач, планировщик

2. queue.c - реализация очередей

3. list.c - внутренние нужды планировщика, однако функции могут использоваться и в прикладных программах.

4. croutine.c - реализация сопрограмм (мо­жет отсутствовать в случае, если сопро­граммы не используются).

Заголовочные файлы, которые находятся в директории source/include

1. tasks.h, queue.h, tist.h, croutine.h - заголо­вочные файлы соответственно для одно­именных файлов с кодом.

2. FreeRTOS.h -содержит препроцессорные директивы для настройки компиляции.

3. mpu_wrappers.h - содержит переопреде­ления функций программного интерфейса (API-функций) FreeRTOS для поддержки модуля защиты памяти (MPU).

4. portable.h -платформозависимые на­стройки.

5. projdefs.h -некоторые системные определения

6. semphr.h - определяет API-функции для работы с семафорами, которые реализо­ваны на основе очередей.

7. StackMacros.h - содержит макросы для контроля переполнения стека. Каждая аппаратная платформа требу­ет небольшой части кода ядра, которая реа­лизует взаимодействие FreeRTOS с этой платформой. Весь платформенно-зависимый код находится в поддиректории /Source/Portable , где он систематизирован но средам разработ­ки (IAR, GCC и т.д.) и аппаратным платфор­мам (например, AtmelSAM7S64,MSP430F449). К примеру, поддиректория /Source/Portable/ GCC/ATMega323 содержит файлы port.c и portmacro.h, реализующие сохранение/вос­становление контекста задачи, инициализа­цию таймера для создания временной базы, инициализацию стека каждой задачи и дру­гие аппаратно-зависимые функции для ми­кроконтроллеров семейства mega AVR и ком­пилятора WinAVR (GCC).

Отдельно следует выделить поддиректорию /Source/Portable/MemMang , в которой со­держатся файлы heap_l.c, heap_2.c, heap_3.c , реализующие 3 различных механизма вы­деления памяти для нужд FreeRTOS, которые будут подробно описаны позже.

В директории /Demo находятся готовые к компиляции и сборке демонстрационные проекты. Общая часть кода для всех демонстра­ционных проектов выделена в поддиректо­рию /Demo/Commo n.

Чтобы использовать FreeRTOS в своем про­екте, необходимо включить в него файлы ис­ходного кода ядра и сопутствующие заголо­вочные файлы. Нет необходимости модифи­цировать их или понимать их реализацию.

Например, если планируется использо­вать порт для микроконтроллеров MSP430 и GCC-компилятор, то для создания проекта -с нуля» понадобятся поддиректории /Source/ Portable/GCC/MSP430_GCC и /Source/Portable/ MemMang . Все остальные поддиректории из директории /Source/Portable не нужны и мо­гут быть удалены.

Если же планируется модифицировать существующий демонстрационный проект (что, собственно, и рекомендуется сделать в начале изучения FreeRTOS), то понадобят­ся также поддиректории /Demo/msp430_GCC и /Demo/Common . Остальные поддиректо­рии, находящиеся в /Demo, не нужны и могут быть удалены.

При создании приложения рекомендует­ся использовать makefile (или файл проекта среды разработки) от соответствующего демонстрационного проекта как отправную точку. Целесообразно исключить из сборки (build) файлы из директории /Demo, заменив их своими, а файлы из директории /Source - нетронутыми. Следует упомянуть также о заголовочном файле FreeRTOSConfig.h , который находит­ся в каждом демонстрационном проекте. FreeRTOSConfig.h содержит определения (#define), позволяющие произвести настройку ядра FreeRTOS:

1. Набор системных функций.

2. Использование сопрограмм.

3. Количество приоритетов задач и сопрограмм

4. Размеры памяти (стека и кучи).

5. Тактовая частота МК.

6. Период работы планировщика времени, выделяемый каждой задаче выполнения, который обычно равен 1 мс. Отключение некоторых системных функций и уменьшение количества приоритетов (уменьшает расход памяти).

В дистрибутив FreeRTOS включены также средства для конвертирования трассировочной информации, полученной от планировщика, в текстовую форму (ди­ректория /ТгасеСоn ) и текст лицензии (директория /License ).

Выводы

С помощью первой статьи цикла читатель познакомился с операционной системой ля микроконтроллеров FreeRTOS. Показаны особенности работы. Описапо содержимое дистрибутива FreeRTOS. Приведены основные шаги, с которых следует начинать разработку устройства, работающего под управлением FreeRTOS.

В следующих публикациях внимание бу­дет уделено механизму многозадачности, а именно задачам и сопрограммам. Будет приведен образец работы планировщика на примере микроконтроллеров AVR фирмы Atmel и компилятора WinAVR (GCC).