Понятие системы реального времени

Введение 
 
Новый этап научно-технической революции был обусловлен повсеместным распространением вычислительной техники. Сейчас уже трудно найти вид деятельности, который тем или иным способом не поддерживался бы не просто автоматизированными, но и компьютеризированными устройствами. Такая организация жизнедеятельности позволяет не только выполнять заранее заданные алгоритмы управления производством, но и вносить в него элементы автоматизации интеллектуальной деятельности, элементы искусственного интеллекта. Использование таких технологий в жизненно важных отраслях, таких как авиация, банковское дело и других, требующих жёстко заданных требований к принятию решений, накладываемых на время, точность и безопасность деятельности данных систем, обуславливает необходимость создания особо надежных их видов   -   систем реального времени (СРВ). 
В данной работе я попытаюсь раскрыть понятие таких систем. Но большее внимание будет уделено созданию СРВ, а именно анализу и этапам проектирования системы. Будут приведены основополагающие принципы, на которые необходимо опираться при проектировании системы, а также подробно раскрыты все этапы создания систем. 
Проектирование систем такого рода довольно не простое дело. В процессе создания разработчикам приходится сталкиваться с рядом определенных проблем, которые впоследствии необходимо решить.   Основные из этих проблем будут также рассмотрены в данной работе. 
 
Понятие системы реального времени  
 
Прежде чем говорить о проектирования систем реального времени, необходимо сначала выяснить, что же они из себя представляют. 
Вычислительной системой реального времени (СРВ) будем называть систему, связанную с некоторым объектом и обрабатывающую поступающую в нее информацию о его состоянии настолько быстро, чтобы результат обработки мог использоваться для своевременного   воздействия на протекание процессов в объекте. 
 
Укрупненная структура СРВ. 
 
      Таким образом, системы реального времени – это вычислительные системы, предназначенные для работы в условиях жестких временных ограничений и имеющие развитые возможности взаимодействия с внешним миром для получения информации об объектах и передачи им выработанных управляющих воздействий. Такая система должна обладать повышенной надежностью. 
      На рис. 1 приведена примерная структура СРВ. На ней имеется объект управления, от которого посредством датчиков поступает информация о его состоянии. Состояние может меняться как самим объектом управления, так и внешними воздействиями на объект. СРВ анализирует поступающую от объекта информацию и выдает управляющее воздействие, позволяющее скорректировать состояние объекта управления. 
      Принято различать СРВ с мягкими (soft) требованиями (нарушение временных ограничений в некотором диапазоне не приводит к сбою системы), СРВ с жесткими (hard) требованиями (нарушение временных ограничений в определенном диапазоне не приводит к сбою системы с определенной вероятностью). 
Анализ систем реального времени 
 
Перед проектированием системы необходимо её проанализировать. Этап анализа предполагает подробное исследование будущей системы и информации, необходимой для её создания. На этом этапе создается информационная модель.  
Вся информация о системе формализуется и уточняется. Изучаются информационные потребности конечных пользователей, влияние окружающей среды, роль существующей информационной системы. Требования должны быть определены и документированы не только по системе в целом, но и по отдельным ее ресурсам (оборудование, телекоммуникации, программное обеспечение, базы данных), но также и по отдельным информационным процессам (ввод данных, хранение, обработка, вывод, управление данными).  
Особое внимание следует уделить полноте переданной информации, анализу информации на предмет отсутствия противоречий, а также поиску неиспользуемой вообще или дублирующейся информации. Как правило, заказчик не сразу формирует требования к системе в целом, а формулирует требования к отдельным ее компонентам. Поэтому необходимо уделить внимание согласованности этих компонентов. 
 
Проектирование систем реального времени  
 
Проектирование информационных систем всегда начинается с определения цели проекта. Основная задача любого успешного проекта заключается в том, чтобы на момент запуска системы и в течение всего времени ее эксплуатации можно было обеспечить: 
  * требуемую функциональность системы и степень адаптации к изменяющимся условиям ее функционирования;  
  * требуемую пропускную способность системы;  
  * требуемое время реакции системы на запрос;  
  * безотказную работу системы в требуемом режиме, иными словами - готовность и доступность системы для обработки запросов пользователей;  
  * простоту эксплуатации и поддержки системы;  
  * необходимую безопасность.  
Производительность является главным фактором, определяющим эффективность системы. Хорошее проектное решение служит основой высокопроизводительной системы.  
В реальных условиях проектирование   –   это поиск способа, который удовлетворяет требованиям функциональности системы средствами имеющихся технологий с учетом заданных ограничений.  
К любому проекту предъявляется ряд абсолютных требований, например максимальное время разработки проекта, максимальные денежные вложения в проект и т.д.  
 
Основы создания и функционирования СРВ 
 
Для того, чтобы получилась качественная хорошая система, при ее проектировании следует придерживаться следующих принципов: 
  1. Проектирование должно быть комплексным.  
Этот   принцип состоит   в максимально полном анализе связей, существующих как в o6ъекте управления, так и в управляющей системе. Также необходим максимально более полный учет всех факторов, влияющих на качество СРВ, при анализе эффективности. Однако стремление повысить эффективность по каждому фактору в отдельности приводит к противоречивым требованиям, которым должна удовлетворять система. Очевидно, что один и тот же процесс управления не может быть реализован с помощью системы, которая одновременно была бы самой точной, самой надежной и самой дешевой из всех возможных систем. Таким образом, чаще всего оказывавается невозможным улучшить показатель по одному критерию эффективности, не ухудшив при этом показателей по другому. Это обстоятельство заставляет оценивать каждый вариант системы либо по комплексному критерию эффективности, куда входят в той или иной функциональной зависимости все важнейшие критерии, либо решать задачу оптимизации для отдельного критерия, учитывая другие в качестве ограничивающих факторов. Одним из важнейших факторов является экономический. 
  2. Процесс проектирования должен иметь иерархическую структуру. 
Этот принцип определяет последовательность анализа объекта и СРВ при проектировании. В соответствии с ним анализ должен начинаться с выхода системы, рассматриваемой как единое целое. Затем система разбивается на небольшое число достаточно крупных подсистем, исследуется вклад каждой из них в результирующий выход системы. Такой подход позволяет точнее и быстрее устанавливать требования к характеристикам элементов СРВ по заданным требованиям к качеству функционирования системы в целом. 
  3. Проектирование сложной системы должно осуществляться 
помощью метода декомпозиции - разбиение целого на составные части с целью исследования этих частей независимо друг от друга. 
  4. Процесс проектирования системы должен быть итерационным.  
На первых этапах обычно применяют приближенные методы и оценки, пренебрегают второстепенными факторами для того, чтобы изучить и понять главные явления и определить основные характеристики. Только после этого можно перейти к включению в рассмотрение второстепенных, ранее не учтенных факторов. Затем необходимо вернуться к анализу основных явлений, процессов и характеристик, теперь уже с учетом второстепенных факторов. Далее процесс повторяется: следует новый переход к рассмотрению второстепенных факторов и их уточнение и т.д.  
Такая методика придает проектированию циклический характер, приводит к многократному анализу процесса функционирования проектируемой системы. Необходимость применения этого принципа объясняется, в первую очередь, недостаточным объемом исходных данных в начале проектирования, их низкой точностью и достоверностью. 
  5. При проектировании следует предусматривать свойство 
открытости системы.  
Это означает, что не стоит стремиться делать данную систему абсолютно и навсегда совершенной. Ее нужно сделать лишь достаточно хорошей для решения поставленных задач, но обеспечить возможность ее развития, совершенствования и модернизации.  
Это положение обусловлено высоким современным темпом научно-технического прогресса и направлено на продление срока эффективной эксплуатации системы.  
 
Этапы проектирования систем реального времени 
 
Основанием для начала работ по созданию СРВ являются решения директивных органов. В создании СРВ участвуют заказчик (организация, для которой предполагается создать СРВ и которая будет обеспечивать ее эксплуатацию) и исполнитель — специализированный научно исследовательский институт или проектно-технологическая организация, возглавляющая разработку системы и обеспечивающая ее внедрение. К работам по созданию СРВ могут привлекаться дополнительно в качестве соисполнителей некоторые специализированные организации, а часть проектной документации по СРВ может разрабатываться самим заказчиком.   Взаимоотношения между организациями регламентируются соответствующими договорами, заключаемыми между сторонами. Такой же порядок принят по созданию АСУ СРВ.  
Весь период создания СРВ состоит из следующих этапов: 
  * разработка технических предложений;  
  * разработка технических требований к системе; 
  * разработка эскизного проекта; 
  * разработка технического проекта; 
  * изготовление рабочих чертежей; 
  * создание опытного образца; 
  * проведение испытаний опытного образца, корректировка рабочей документации; 
  * изготовление головного образца, корректировка документации; 
  * опытная эксплуатация и доработка головного образца, корректировка документации; 
  * выпуск и ввод в эксплуатацию серийных образцов. 
 
В зависимости от того, в какой степени при проектировании используются готовые или известные технические решения и методология, некоторые из этих этапов могут объединяться. В других случаях, напротив, отдельные этапы (например, эскизное или техническое проектирование) могут дополняться экспериментальными работами для исследования новых решений, схем и методов.  
Остановимся на содержании этих этапов. 
Первый этап — разработка технических предложений в целом. На этом этапе проводятся изучение и анализ существующей системы управления объектом для выявления направления совершенствования методов управления и их автоматизации и формулируется общая постановка задачи создания СРВ. При проектировании приходится сталкиваться с самыми разнообразными вариантами ее постановки. 
1. Заданы цель создания системы, закон ее функционирования, входы и выходы. Необходимо выбрать алгоритм управления системой и методы его реализации. Такая постановка является более полной, однако на практике встречается только при проектировании простых систем. 
2. Заданы цель создания системы и ее выходы. Требуется выбрать входы, алгоритм функционирования и методы его реализации. Такая постановка встречается обычно в АСУ технологического типа. 
3. Заданы цель создания системы и (иногда) некоторые ограничения на средства ее реализации. Требуется выбрать входы, выходы, алгоритм функционирования и метод его реализации. Такая постановка чаще всего встречается в практике построения СРВ.  
Цель создания системы часто формулируется не в виде конкретных технических задач, а в виде некоторых общих положений.  
В функции исполнителя на этом этапе входят: разработка перечня работ по всем этапам обследования объекта или исследования задач и формы представления необходимой информации; методическое руководство всеми работами по обследованию объекта или исследования задач, в том числе работа совместно с представителями заказчика; анализ и обобщение материалов обследования. При этом заказчик, как правило, обеспечивает сбор, систематизацию и представление разработчику всей необходимой информации. На основании проведенных исследований выполняется ориентировочная оценка стоимости системы, сроков ее создания и приводятся соображения о необходимости и эффективности создания.  
Второй этап — разработка технических требований или технического задания (ТЗ). Для некоторых систем эти требования называют тактико-техническими требованиями или тактико-техническим заданием.  
На основании рассмотренных технических предложений заказчик формулирует ограничения для создаваемой системы, состоящие из цели системы и принуждающих связей — факторов, ограничивающих выбор способов достижения цели. Иными словами, заказчик задает исходные требования к системе, обусловленные ее назначением и условиями ее создания или использования.  
Требования к системе должны быть исследованы на совместимость и в случае необходимости уточнены.    
На основании ограничений, определяемых исходными требованиями к системе, заказчик совместно с исполнителем определяют критерии качества построения системы для оценки способа достижения цели. Согласование способов оценки системы между заказчиком и исполнителем на начальной стадии создания системы является необходимым условием для наиболее полного удовлетворения потребностей заказчика. На этом же этапе, при необходимости, между заказчиком и исполнителем должны быть согласованы предположения, облегчающие решение проблемы создания системы. При разработке ТЗ в случае необходимости устанавливаются очереди введения в строй СРВ с указанием подсистем и задач для каждой очереди. При решении вопроса очередности автоматизации функций управления определяющими факторами являются: распределение во времени отпускаемых на создание СРВ финансовых средств; возможность приобретения или разработки в намеченные сроки тех или иных технических средств; возможность разработки соответствующих разделов математического обеспечения системы; подготовленность объекта управления к внедрению СРВ; важность и экономическая эффективность подсистем; возможность использования в последующих разработках результатов внедрения предыдущих очередей СРВ. В ТЗ определяются условия эксплуатации системы в части климатических, механических и при необходимости других воздействий (например, химических, радиационных и др.). Когда СРВ устанавливается на подвижные объекты, в ТЗ записываются требования на массу системы, занимаемый объем или площадь. Специальным разделом в ТЗ записываются требования к надежности работы СРВ и возможности применения материалов и комплектующих изделий.  
Техническое задание оформляется заказчиком в виде документа, подписывается, согласовывается и утверждается заказчиком и исполнителем в соответствии с установленным порядком. 
Третий этап - этап разработки эскизного проекта СРВ. Основываясь на результатах обследования объекта управления или исследованиях задач, согласованных с заказчиком критериях, исполнитель определяет целесообразную степень автоматизации процесса управления. Оценивая целесообразность автоматизации каждой из функций системы, исполнитель стремится перейти от требований заказчика, ориентированных на назначение, к требованиям, ориентированным на оборудование. Другими словами, исполнитель должен получить представление об особенностях оборудования, отвечающего сформулированным заказчиком требованиям. Для этого необходимо для каждой функции системы, относительно которой решается вопрос автоматизации, сформулировать задачу переработки информации математически и разработать алгоритм решения этой задачи. Иногда ввиду сложности алгоритмизации процесса решения задачи целесообразно пересмотреть ее формулировку либо даже соответствующую функцию системы управления (целесообразность изменения функции системы управления может быть установлена еще на этапе обследования объекта). Так что процесс определения совокупности автоматизируемых функций системы и совокупности решаемых системой задач имеет итерационный характер. Здесь выбираются методы решения поставленных функциональных и частных задач. При этом вырабатывается генеральная схема СРВ, определяющая разделение функций между людьми и автоматической аппаратурой, приводится в самом общем виде описание алгоритмов и процессов обработки информации и документов, которые предполагается использовать в новой системе. При разработке алгоритмов и программ проводится оценочное программирование и уточняются требования к техническим средствам. На этом этапе определяются части системы, которые необходимо разрабатывать вновь, и те, которые могут быть выбраны из номенклатуры серийно выпускаемых приборов и устройств; одновременно выбирается техническая база для построения всех технических средств системы. На этапе эскизного проектирования продолжается уточнение организационных вопросов: составляется общий сетевой график создания системы с учетом взаимодействия всех участвующих в разработке организаций.  
В эскизном проекте должно быть предложено несколько вариантов решения тех или иных вопросов, проанализированы их достоинства и недостатки, выполнены оценки надежности. На этапе разработки эскизного проекта производятся согласования всех связей проектируемой системы с источниками и потребителями информации и исполнительными средствами других систем. На этом этапе проводится размещение всех приборов системы на объекте с учетом требований к их расположению.  
Следует уделять внимание определению объемов и последовательности 
финансирования работ по построению СРВ. Оценку затрат на этапе эскизного проектирования можно проводить только по статистическим данным на основании опыта проектирования, причем эти данные в разных организациях могут быть различными, потому что на них сказываются организация работ, структура предприятия и т.д.  
Эскизный проект рассматривается заказчиком, его заключение с учетом согласованных замечаний является основой для разработки технического проекта.  
Четвертый этап - этап разработки технического проекта. Этот этап характеризуется более глубокой проработкой всех основных частей СРВ, причем, в отличие от эскизного проекта, где требуется существование нескольких вариантов, в техническом проекте определяются единственные решения основных вопросов. Эти решения и будут реализовываться в процессе последующего проектирования. Все технические решения по конструированию приборов системы должны быть согласованы с технологами. Это требование определяет уровень детализации проекта и степень конструкторской проработки его элементов. В некоторых случаях для этого может потребоваться макетирование отдельных устройств и приборов системы и их экспериментальное исследование. В итоге этой работы составляются технические условия (ТУ) на поставку системы и на изготовление приборов. 
Математическое обеспечение на этапе разработки технического проекта должно быть полностью определено. Это означает, что должны быть разработаны структурные схемы всех программ, программы решения всех основных задач; проведена проверка основных программ, причем в том случае, когда в качества средства переработки информации (СПИ) используется специализированная ЭВМ, предварительно может быть разработана интерпретирующая программа для универсальной ЭВМ, используемой для моделирования специализированной ЭВМ; разработаны основные программы, организующие работу всей системы; проработаны вопросы обеспечения требуемой надежности.  
На данном этапе окончательно согласовываются схемы размещения приборов системы и ее связи с другими системами. Еще раз уточняются графики изготовления системы и темпы ее финансирования, согласовываются документы, определяющие порядок проверки системы и требования к режиму эксплуатации. Дается детальное описание задач человека при функционировании СРВ с учетом требований инженерной психологии. Приводятся результаты экспериментальной проверки инженерно-психологических требований.  
В составе технического проекта СРВ должны быть следующие разделы: 
  * описание общих принципов функционирования ИВК, общей структуры системы с указанием подсистем, состава обслуживающего персонала; 
  * перечень задач, решаемых в составе каждой подсистемы;  
  * схема потоков информации в ИВК с указанием способов передачи информации; 
  * состав технических средств ИВК; 
  * технические условия на поставку системы и технические условия на изготовление приборов; 
  * исходные данные или постановка задачи расчета экономической эффективности и оценка ИВК в соответствии с установленным критерием; 
  * укрупненный график разработки и внедрения ИВК. 
Среди документов, выпускаемых на стадии технического проектирования разработчиком системы, для каждой задачи имеется документ, носящий название "постановка задачи" или "исходные данные", который дополнительно подписывается заказчиком и заинтересованными смежными организациями. В этот документ включаются: наименование задачи, ее содержательная формулировка, данные о периодичности решения задачи, связи данной задачи с другими задачами и ее место в комплексе задач подсистем очереди, описание способа организации сбора исходных данных и передачи их в память средств переработки информации с указанием используемых при этом периферийных технических средств и носителей информации, описание алгоритма решения задачи, точности решения, методов контроля вычислений, расчет надежности, формулировка временных ограничений на выдачу решения задачи, а также обоснование целесообразности предложенного варианта задачи по сравнению с другими вариантами. Кроме того, в этом же документе либо в приложениях к постановке задачи приводятся описания форм входных документов или макетов сообщений на машинных носителях в случае машинного первичного носителя информации, описание форм выходных документов, форм промежуточных документов, используемых на стадии внедрения при проверке правильности расчетов, сведения о представлении информации, необходимой для связи с другими задачами. Разработанный технический проект ИВК принимается комиссией, назначаемой заказчиком. В состав комиссии входят представители исполнителя и представители смежных систем. Решение комиссии с предложениями и замечаниями утверждается заказчиком и является основой для рабочего проектирования. 
Пятый этап - этап рабочего проектирования. Он представляет собой этап выпуска рабочей документации, по которой изготовляется система, проводятся ее отладка, испытания и передача в эксплуатацию. Разрабатываются рабочие программы и инструкции по их использованию и изменению, инструкции по эксплуатации средств СРВ, должностные инструкции персоналу с указанием действий в случае отказа технических средств. Проводится уточненный расчет экономической эффективности СРВ и других обобщенных показателей. Выполняются решения, принятые на стадии технического проектирования.  
Принципиальные документы, связанные с изготовлением и приемкой системы, согласовываются и утверждаются заказчиком. Документы на эксплуатацию и их состав согласовываются и утверждаются заказчиком. 
Материалы рабочего проекта могут выпускаться поэтапно, по мере их использования в такой последовательности: документация для изготовления; документация для приемки; документация по эксплуатации.  
В состав рабочей документации, кроме документации на приборы системы, обычно входят машинные алгоритмы и программы решения задач, инструкции по их эксплуатации; инструкции по подготовке исходных данных для решения задач и по использованию полученных результатов; должностные инструкции; рабочая документация на размещение, установку и монтаж технических средств; инструкции по эксплуатации технических средств, уточненный расчет экономической эффективности ИВК. 
Следующий этап работ — изготовление системы. Обычно отдельные приборы, комплектующие систему, проходят после изготовления автономную отладку и сдаются отделу технического контроля и заказчику. После этого приступают к отладке системы (в зависимости от размера системы этот процесс может подразделяться на ряд подэтапов). Методика отладки различна для систем разной размерности; различие определяется возможностью или невозможностью собрать всю систему на общем стенде.  
Если систему можно собрать на стенде, то сначала проводится комплексная стыковка всех приборов в режиме совместной работы. Затем выполняется комплексная отладка системы с математическим обеспечением (с программами). В заключение проверяется соответствие характеристик системы требованиям, заданным в ТЗ. Эти работы проводятся ведомственной комиссией по специальной программе испытаний и по методикам, которые согласовываются с заказчиком и с организациями, системы которых связаны с данной.  
Если систему нельзя собрать на стенде, то для обеспечения отладки заранее разрабатываются и изготовляются имитаторы тех ее приборов или подсистем, которые отсутствуют при проведении отладочных работ и испытаний. Схемы имитаторов в ряде случаев целесообразно согласовывать с исполнителями приборов, которые заменяются ими.  
Комплексная стыковка и отладка системы проводятся с программами, в которых предусматривается штатная работа системы, несмотря на наличие имитаторов. Результаты испытаний системы фиксируются в акте и принимается решение о ее поставке на объект. Этот акт утверждается руководством исполнителя.  
После проведения испытаний, устранения выявленных недостатков и показа заказчику система поставляется и устанавливается на объекте, где она должна эксплуатироваться.  
В работе на этапе испытания и сдачи системы на объекте входят автономная проверка работы приборов, комплексная стыковка и комплексная отладка. Необходимость проведения этих работ после отработки приборов на стенде связана с изменением условий работы системы. Действительно, при установке системы на объекте могут измениться длины и взаимовлияние линий передачи информации, появляются другие системы, воздействующие на данную систему, изменяются уровни помех. Эти обстоятельства могут привести к изменениям в режимах работы некоторых схем системы и в программах. После проведения отладочных работ система испытывается по программам и методикам, разработанным исполнителем и утвержденным заказчиком. Эти испытания называют заводскими испытаниями. На них проверяется работа системы, а затем следуют государственные испытания, по результатам которых производится сдача системы и корректировка рабочей документации для изготовления серийных образцов. После выполнения корректировки и выпуска серийных систем любые изменения в документацию могут вноситься только на основании совместных решений заказчика и изготовителя.  
В больших системах отдельные подсистемы могут отлаживаться в иной 
последовательности, а некоторые этапы могут отсутствовать, например, если система создается в единственном экземпляре (например, крупные АСУ административного типа). Для таких систем границы между отдельными этапами, а также время ввода в эксплуатацию не могут быть точно определены, поскольку имеет место поэтапная разработка и внедрение отдельных задач.  
Остальные этапы из числа указанных выше также могут быть изменены или исключены в зависимости от размера и типа системы. 
Последовательность выполнения основных этапов и возможности исключения некоторых показаны на рис. 2. Связи между этапами, идущие в обратном (по отношению к последовательности разработки) направлении, отражают возможность корректировки некоторых решений, принятых на предшествующих этапах, по результатам анализа или исследований, выполненных на последующих этапах. 
 
 
 
 
 
 
Разработка технических предложений 
Разработка технического задания или технических требований 
Эскизное проектирование 
Техническое проектирование 
Разработка рабочих чертежей 
Изготовление опытного образца 
Отладка и испытание опытного образца 
Изготовление и эксплуатация готового образца 
Серийный выпуск 
Макетирование и оценочное программирование 
 
 
 
 
 
 
Рис. 2. Основные этапы создания СРВ 
 
Проблемы при создании СРВ 
 
В процессе создания систем реального времени, возникают проблемы. Рассмотрим основные из них.  
Одна из наиболее серьезных проблем   –   производительность системы. Необходимы не только быстрые алгоритмы обработки данных, но и организация истинной синхронизации различных частей системы. Нет необходимости в быстрых алгоритмах обработки, если пользователь системы будет ожидать обновления данных. Части программ, которые работают в однопроцессорной системе, могут оказаться неэффективными или просто не работать в многопроцессорной системе. Системы реального времени очень требовательны к ресурсам компьютера, поэтому все чаще в СРВ используется несколько процессоров.    
Еще одна проблема, возникающая в процессе создания систем – доступ к промежуточным результатам (например, оценка и отображение на экране параметров регистрируемых сигналов). Само по себе получение их может оказаться сложной задачей, а делать это в ограниченных временных рамках с возможностью их отображения и сохранения не всегда удается.  
Трудоемкость построения систем реального времени во многом связана с жесткой привязкой к конкретным процессорам. Независимость от аппаратуры может быть реализована на уровне операционной системы и (или) за счет перекодирования программ. Если программа позволяет пользователю распределять задачи по процессорам (определять, какой блок программы выполняется тем или иным процессором) и определять временные интервалы (соотношение работа/ожидание для определенного процессора), то пользователь может скорректировать распределение программных модулей между процессорами. Разработка таких систем непосредственно связана с новым направлением – параллельные вычисления с использованием объектно-ориентированного подхода и представляет большой интерес для развития систем реального времени.  
 
Заключение 
 
В данной работе было раскрыто понятие системы реального времени. Особое внимание было уделено анализу и проектированию этих систем. Проектирование системы есть циклический, "итерационный" процесс, проходящий от общего (системы) к частному (элемент системы) и обратно к общему с постепенным уточнением и углублением характеристик на каждом цикле итерации.  
Были выявлены и пояснены этапы анализа и проектирования СРВ. А именно, весь период создания СРВ состоит из следующих этапов: 
  * разработка технических предложений; разработка технических требований к системе; 
  * разработка эскизного проекта; 
  * разработка технического проекта; 
  * изготовление рабочих чертежей; 
  * создание опытного образца; 
  * проведение испытаний опытного образца, 
  * корректировка рабочей документации; 
  * изготовление головного образца, 
  * корректировка документации; 
  * опытная эксплуатация и доработка головного образца, 
  * корректировка документации; 
  * выпуск и ввод в эксплуатацию серийных образцов. 
 
Библиографический список 
 
  1. Чрефанов А. Г., Троценко А. Г., Проектирование систем реального времени. Учебное пособие. – Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005. – 226 с. 
  2. Сулейманова А. М., Системы реального времени: учебное пособие / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. – Уфа, 2004. – 292 с. 
  3.   Ослэндер Д. М., Риджли Дж. Р., Ринггенберг Дж. Д., Управляющие программы для механических систем: объектно-ориентированное проектирование систем реального времени. Учебное пособие. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004. – 413 с., ил. 
  4.   Гвоздева Т. В., Баллод Б. А, Проектирование информационных систем. Учебное пособие. – Ростов н/Д: Феникс, 2009. – 508 с., ил. 
  5.   Разработка информационных систем [Электронный ресурс]. -   Режим доступа: http://www.stion.ru/?page_id=250

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание.

   1. Введение..............................................................................................................3

   2. Понятие системы  реального времени...............................................................4

   3. Анализ систем  реального времени...................................................................5

   4. Проектирование  систем реального времени....................................................6

   5.1.  Основы создания  и функционирования СРВ...........................................6

   5.2.  Этапы проектирования  систем реального времени.................................8

   5.  Проблемы при  создании СРВ.........................................................................20

   6.  Заключение......................................................................................................21

   7.  Библиографический  список............................................................................22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Новый этап научно-технической революции был обусловлен повсеместным распространением вычислительной техники. Сейчас уже трудно найти вид деятельности, который тем или иным способом не поддерживался бы не просто автоматизированными, но и компьютеризированными устройствами. Такая организация жизнедеятельности позволяет не только выполнять заранее заданные алгоритмы управления производством, но и вносить в него элементы автоматизации интеллектуальной деятельности, элементы искусственного интеллекта. Использование таких технологий в жизненно важных отраслях, таких как авиация, банковское дело и других, требующих жёстко заданных требований к принятию решений, накладываемых на время, точность и безопасность деятельности данных систем, обуславливает необходимость создания особо надежных их видов  -  систем реального времени (СРВ).

В данной работе я попытаюсь раскрыть понятие таких систем. Но большее внимание будет уделено созданию СРВ, а именно анализу и этапам проектирования системы. Будут приведены основополагающие принципы, на которые необходимо опираться при проектировании системы, а также подробно раскрыты все этапы создания систем.

Проектирование систем такого рода довольно не простое дело. В процессе создания разработчикам приходится сталкиваться с рядом определенных проблем, которые впоследствии необходимо решить.  Основные из этих проблем будут также рассмотрены в данной работе.

 

Понятие системы реального времени

 

Прежде чем говорить о проектирования систем реального времени, необходимо сначала выяснить, что же они из себя представляют.

Вычислительной системой реального времени (СРВ) будем называть систему, связанную с некоторым объектом и обрабатывающую поступающую в нее информацию о его состоянии настолько быстро, чтобы результат обработки мог использоваться для своевременного  воздействия на протекание процессов в объекте.

 

 Укрупненная структура  СРВ.

 

       Таким  образом, системы реального времени  – это вычислительные системы, предназначенные для работы в  условиях жестких временных ограничений  и имеющие развитые возможности  взаимодействия с внешним миром  для получения информации об  объектах и передачи им выработанных  управляющих воздействий. Такая  система должна обладать повышенной  надежностью.

        На  ней имеется объект управления, от которого посредством датчиков  поступает информация о его  состоянии. Состояние может меняться  как самим объектом управления, так и внешними воздействиями  на объект. СРВ анализирует поступающую  от объекта информацию и выдает  управляющее воздействие, позволяющее  скорректировать состояние объекта  управления.

       Принято  различать СРВ с мягкими (soft) требованиями (нарушение временных ограничений в некотором диапазоне не приводит к сбою системы), СРВ с жесткими (hard) требованиями (нарушение временных ограничений в определенном диапазоне не приводит к сбою системы с определенной вероятностью).

Анализ систем реального времени

 

Перед проектированием системы необходимо её проанализировать. Этап анализа предполагает подробное исследование будущей системы и информации, необходимой для её создания. На этом этапе создается информационная модель.

Вся информация о системе формализуется и уточняется. Изучаются информационные потребности конечных пользователей, влияние окружающей среды, роль существующей информационной системы. Требования должны быть определены и документированы не только по системе в целом, но и по отдельным ее ресурсам (оборудование, телекоммуникации, программное обеспечение, базы данных), но также и по отдельным информационным процессам (ввод данных, хранение, обработка, вывод, управление данными).

Особое внимание следует уделить полноте переданной информации, анализу информации на предмет отсутствия противоречий, а также поиску неиспользуемой вообще или дублирующейся информации. Как правило, заказчик не сразу формирует требования к системе в целом, а формулирует требования к отдельным ее компонентам. Поэтому необходимо уделить внимание согласованности этих компонентов.

 

Проектирование систем реального времени

 

Проектирование информационных систем всегда начинается с определения цели проекта. Основная задача любого успешного проекта заключается в том, чтобы на момент запуска системы и в течение всего времени ее эксплуатации можно было обеспечить:

   * требуемую функциональность  системы и степень адаптации  к изменяющимся условиям ее  функционирования;

   * требуемую пропускную  способность системы;

   * требуемое время  реакции системы на запрос;

   * безотказную работу  системы в требуемом режиме, иными  словами - готовность и доступность  системы для обработки запросов  пользователей;

   * простоту эксплуатации  и поддержки системы;

   * необходимую безопасность.

Производительность является главным фактором, определяющим эффективность системы. Хорошее проектное решение служит основой высокопроизводительной системы.

В реальных условиях проектирование  –  это поиск способа, который удовлетворяет требованиям функциональности системы средствами имеющихся технологий с учетом заданных ограничений.

К любому проекту предъявляется ряд абсолютных требований, например максимальное время разработки проекта, максимальные денежные вложения в проект и т.д.

 

Основы создания и функционирования СРВ

 

Для того, чтобы получилась качественная хорошая система, при ее проектировании следует придерживаться следующих принципов:

   1. Проектирование  должно быть комплексным.

Этот  принцип состоит  в максимально полном анализе связей, существующих как в o6ъекте управления, так и в управляющей системе. Также необходим максимально более полный учет всех факторов, влияющих на качество СРВ, при анализе эффективности. Однако стремление повысить эффективность по каждому фактору в отдельности приводит к противоречивым требованиям, которым должна удовлетворять система. Очевидно, что один и тот же процесс управления не может быть реализован с помощью системы, которая одновременно была бы самой точной, самой надежной и самой дешевой из всех возможных систем. Таким образом, чаще всего оказывавается невозможным улучшить показатель по одному критерию эффективности, не ухудшив при этом показателей по другому. Это обстоятельство заставляет оценивать каждый вариант системы либо по комплексному критерию эффективности, куда входят в той или иной функциональной зависимости все важнейшие критерии, либо решать задачу оптимизации для отдельного критерия, учитывая другие в качестве ограничивающих факторов. Одним из важнейших факторов является экономический.

   2. Процесс проектирования  должен иметь иерархическую структуру.

Этот принцип определяет последовательность анализа объекта и СРВ при проектировании. В соответствии с ним анализ должен начинаться с выхода системы, рассматриваемой как единое целое. Затем система разбивается на небольшое число достаточно крупных подсистем, исследуется вклад каждой из них в результирующий выход системы. Такой подход позволяет точнее и быстрее устанавливать требования к характеристикам элементов СРВ по заданным требованиям к качеству функционирования системы в целом.

   3. Проектирование  сложной системы должно осуществляться

помощью метода декомпозиции - разбиение целого на составные части с целью исследования этих частей независимо друг от друга.

   4. Процесс проектирования  системы должен быть итерационным.

На первых этапах обычно применяют приближенные методы и оценки, пренебрегают второстепенными факторами для того, чтобы изучить и понять главные явления и определить основные характеристики. Только после этого можно перейти к включению в рассмотрение второстепенных, ранее не учтенных факторов. Затем необходимо вернуться к анализу основных явлений, процессов и характеристик, теперь уже с учетом второстепенных факторов. Далее процесс повторяется: следует новый переход к рассмотрению второстепенных факторов и их уточнение и т.д.

Такая методика придает проектированию циклический характер, приводит к многократному анализу процесса функционирования проектируемой системы. Необходимость применения этого принципа объясняется, в первую очередь, недостаточным объемом исходных данных в начале проектирования, их низкой точностью и достоверностью.

   5. При проектировании  следует предусматривать свойство

открытости системы.

Это означает, что не стоит стремиться делать данную систему абсолютно и навсегда совершенной. Ее нужно сделать лишь достаточно хорошей для решения поставленных задач, но обеспечить возможность ее развития, совершенствования и модернизации.

Это положение обусловлено высоким современным темпом научно-технического прогресса и направлено на продление срока эффективной эксплуатации системы.

 

Этапы проектирования систем реального времени

 

Основанием для начала работ по созданию СРВ являются решения директивных органов. В создании СРВ участвуют заказчик (организация, для которой предполагается создать СРВ и которая будет обеспечивать ее эксплуатацию) и исполнитель — специализированный научно исследовательский институт или проектно-технологическая организация, возглавляющая разработку системы и обеспечивающая ее внедрение. К работам по созданию СРВ могут привлекаться дополнительно в качестве соисполнителей некоторые специализированные организации, а часть проектной документации по СРВ может разрабатываться самим заказчиком.   Взаимоотношения между организациями регламентируются соответствующими договорами, заключаемыми между сторонами. Такой же порядок принят по созданию АСУ СРВ.

Весь период создания СРВ состоит из следующих этапов:

   * разработка технических  предложений;

   * разработка технических  требований к системе;

   * разработка эскизного  проекта;

   * разработка технического  проекта;