（通信与信息系统专业论文）基于lan的分布式系统实时性研究与应用.pdf

摘要 本论文的目的是研究和解决分布式系统的实时性问题，文中提出了一种 分布式实时系统的结构模型，扩展了原有的通用实时传输协议，讨论了一种 把实时操作系统和动态实时传输协议结合起来提高分布式系统实时性的方 法，并在舰艇指控系统中进行了应用。 文中首先介绍了实时系统和分布式系统的基本理论，然后提出了一种新 的分布式实时系统结构模型，并应用新模型进行了舰艇指控系统的设计，论 文针对舰艇系统的应用特殊性对已有的实时通信协议进行了改进，扩充了数 据传输和可靠性处理的部分，在文中称改进后的协议为动态实时传输协议， 然后应用v x w o r k s 实时操作系统和动态实时传输协议进行舰艇指控系统中进 行实时任务和实时传输的研究和设计，最后对实时性研究方案进行了仿真试 验并取得了较好的效果。 关键字：实时性；分布式系统；分布式实时结构模型；动态实时传输协议 局域网 a b s t r a c t t h i sp a p e ri st os t u d ya n de n h a n c et h er e a l t i m ep e r f o r m a n c ei n d i s t r i b u t e dr e a l t i m es y s t e m i nt h i sp a p e r ，w ep u tf o r w a r da n a r c h i t e c t u r em o d e lt od e s c r i p td i s t r i b u t e dr e a l t i m es y s t e m ，a n d a d v a n c ear e a l - t i m et r a n s m i s s i o np r o t o c o l ，f o l l o w i n gw et r yt oa p p l y am e t h o dt oe n h a n c et h er e a l - t i m ep e r f o r m a n c ei nd i s t r i b u t e ds y s t e m ， i nt h em e t h o dw eb i n dr e a l t i m eo p e r a t i o ns y s t e mt o g e t h e rw i t hd y n a m i c r e a l t i m et r a n s m i s s i o np r o t o c o lt om a k euseo ft h e i rc a p a b i l i t y f a r t h e s t ，l a t e rw ea p p l yt h i sm e t h o dt on a v a lc h a i no fc o m m a n d f i r s tw eb r i n gi nt h ef u n d a m e n t a lt h e o r yo fr e a l t i m es y s t e ma n d d i s t r i b u t e ds y s t e m t h e nw euseag e n e r a la r c h i t e c t u r em o d e lo f d i s t r i b u t e ds y s t e mf o rr e f e r e n c e ，b ya d d i n gap a r to fn o n r e a l t i m e k e r n e li nt h ek e r n e ll a y e r ，w ea m e l i o r a t et h ea r c h i t e c t u r em o d e la n d a p p l yi tt of r a m et h en a v a lc h a i no fc o r a m a n d i no r d e rt oa d j u s td e m a n d o fn a v a lc h a i no fc o m m a n d ，w eb o o s tt h eg e n e r a lr e a l t i m et r a n s m i s s i o n p r o t o c o lb ya d d i n gm e a s u r e st ot h e o l dp r o t o c o li nt h ea s p e c to fd a t a t r a n s f e r r i n ga n dr e l i a b i l i t yb ys o f t w a r e ，a f t e rw ec a l lt h ei m p r o v e d p r o t o c o ld y n a m i cr e a l t i m et r a n s m i s s i o np r o t o c 0 1 a sa ni n n o v a t i o ni n r e a l t i m ep e r f o r m a n c er e s e a r c ha n dd e s i g n ，w et r yt oi m p r o v et h e r e a l t i m ep e r f o r m a n c eb yu s i n gc a p a b i l i t yo fb o t hv x w o r k sa n d r e a l t i m et r a n s m i s s i o np r o t o c o lf u r t h e s t f i n a l l yt h i sm e t h o di s v a l i d a t e db yu s i n ga n dt e s t i n gi nn a v a lc h a i no fc o m m a n d k e yw o r d s ：r e a l t i m ep e r f o r m a n c e ：d i s t r i b u t e ds y s t e m ；m o d e lo f d i s t r i b u t e d s y s t e m ；d y n a m i cr e a l t i m et r a n s m i s s i o n p r o t o c o l ：l o c a la r e an e t w o r k 。盛鎏璺型兰銎篮篁垒生一一一 1 1 本课题的研究背景 第1 章绪言 随着计算机及通信技术的飞速发展，计算机网络已经渗透到社会经济的 各个领域，对社会经济发展起着越来越重要的作用，也使人们的工作甚至生活 方式发生巨大的变革，基于局域网络的分布式系统应用也越来越广泛，作为 分布式系统，实时性是很重要的特性。 伴随着新世纪的到来，海军在新时期对信息化的要求也越来越高，作为 海军综合电子信息系统的一部分，舰艇作战指挥控制系统是一个分布式实时 系统，在该系统中，如何提高系统的信息传输速度、数据处理速度和实时响 应速度是决定该系统性能的重要因素，本课题就是以提高海军舰艇指挥控制 系统的性能为背景，以该系统的实时性为研究对象展开的，并就当今应用日 益广泛的分布式系统( 局域网) 的实时性问题，主要包括任务实时性和实时 通信等问题进行研究。 在海军舰艇指挥控制系统中，任务可预测性、实时响应能力是两个重要 特性，只有解决了这两个问题，才能满足战斗指挥中快速响应、高可靠性的 要求。同时实时性问题的研究和解决对提高分布式系统性能具有重要的意义。 1 2 分布式实时系统 实时系统是能够在预定的时间内执行完计算、处理完事务并能在预定的 时间内对外部异步事件做出响应的计算机系统，实时系统的正确性不仅依赖 于计算结果的逻辑正确性而且与结果的完成时间有关。这一定义覆盖了一个 很广的范围，包括：多媒体通信系统、在线事务处理系统、报文交换系统、 生产和过程控制系统、舰船作战指挥控制系统、航天控制系统等。 在很多实时应用领域，单处理器下的实时系统已很难满足应用要求，许 多实时系统通常都是庞大而且是分布式的，这种实时系统我们称之为分布式 实时系统。按照分布式系统的硬件组成和在分布式逻辑运算方法，可以划分 ；堕玺鎏三堡盔誊垄圭耋堡篁奎 为两种结构形式： 1 1 分布式系统= 并行处理+ 分布式控制 2 ) 分布式系统= 计算机网络( l a n ) + 分布式操作系统 第一种结构形式是物理上和逻辑上都是紧耦合的形式，主要用于对计算 速度要求比较高的领域，如大型的并行科学运算等。第二种结构形式为在物 理上的松散耦合，但在逻辑上却是紧密耦合的多机系统，在通常情况下表现 局域网( l a n ) 连接起来的形式，这是分布式系统的较为普遍的存在形式，也 是本文的主要研究内容，除了特别说明外，本文后面提到的分布式系统指这 种形式。 1 3 分布式实时系统的特性 分布式实时系统的一般特性如下： 1 分布式： 系统基于个局域网。分布式的要求是由多种因素引起的，如：性能、 可靠性和功能需求等。从目前实时系统的发展来看，分布式的趋势是明显的。 2 时间限制： 系统中的活动带有各种时阀限制，如：周期、期限等。 3 动态特性： 除静态周期活动之外，系统还必须能够处理动态发生的事件。 1 4 实时系统向分布式发展带来的问题 由分布式系统的特性不难看出，在分布式系统给人们带来了大的数据处 理能力、高可靠性和资源共享的同时也带来了很多问题。 由于分布式系统在空间上的分布式，往往是通过网络连接起来的，数据 在空剧上的传输必然会引起时阈延迟和占用网络信道的问题，在分布式实时 系统中，要想保证任务能够实时完成，在网络传输上必然对传输时间有较高 的要求。 根据实时系统的定义，系统的实时任务不仅要求逻辑上的正确性，同时 必须满足时限要求和可预测性，在实时系统呈现多机分布的情况下，在实时 2 堕玺鎏三堡奎耋堡圭耄堡鋈圣。 任务上的要求仍然需要满足。 对于分布式系统中动态发生的实时事件也必须根据实时要求在规定的时 间内能够解决，因此在分布式实时系统中，采用什么样的协议、怎样处理中 断事件对系统的性能有很大的影响。 由实时系统向分布式实时系统发展出现的三个特点决定了分布式实时系 统的关键技术，很显然，在分布式实时系统中，这些技术都与时间有着密不 可分的关系。只有解决好了上面的三个问题，才能建立起安全、可靠的分布 式实时系统，研究实时性对分布式实时系统具有非常重要的意义。 1 5 分布式实时系统的研究现状 随着网络技术，高精度计算技术和高速数据处理系统的发展，分布式系统 的实时应用变得越来越广泛，与单机实时系统相比较，分布式实时系统的系 统结构、调度算法和系统资源管理变得更为复杂，分布式系统涉及到的知识面 非常广泛，在一定程度上是计算机研究和应用中的最具挑战性的课题，代表计 算机技术的最前沿方向。近年来分布式实时系统得到了很多人的研究，根据 实时应用的性质和分布式系统的组成，这些研究大概可以归纳为三个方向： 1 操作系统+ 基于分布式对象技术的实时扩展模块 9 0 年代出现的分布式对象技术为网络计算平台上软件的开发提供了强 有力的解决方案。目前，逐渐形成了3 种具有代表性的主流技术，c o m d c o m 技术、j 2 e e 技术和c o r b a 技术。分布式对象技术的出现和发展为分布式系 统计算和通信提供了强有力的解决方案。在这三种分布式对象技术中现在也 都已经出现了面向实时扩展的模块，如，微软公司的实时c o m 技术，国际 对象组织的r e a l c o b r a 技术等。但是基于分布式系统的特点一物理上分布性， 同时计算机操作系统和网络系统本身存在着很多问题，表现为计算机是否拥 有实时操作系统，网络传输过程当中是否能保证命令、数据的实时传输等问 题还没有得到完全解决，这些实时扩展的模块主要面向弱实时系统。 2 实时操作系统+ 通用操作系统+ 实时通信 实时操作系统是强实时系统的必要组成部分，目前在这种分布式实时系 统中，分布式系统的实时功能模块有实时操作系统来实现，其它非实时任务 3 堕玺鎏苫堡盔耋堡圭耋垡笙耋 可以由通用操作系统来实现，实时通信机制负责实时任务之间的交互a 这是 分布式实时系统应用较为广泛的形式。 3 分布式实时操作系统+ 计算机网络 分布式实时操作系统是近年来各国研究的一个热点，在分布式系统的不 同发展时期，分布式操作系统的研究也分为三个不同的方向。 1 第一个方向是在原有的操作系统的基础上加入分布式的特征，这类操 作系统的研究主要在原有分时系统中( 如u n i x ，m r n i x ) 和应用软件之间插入 一层，实现分布式服务，典型的如u n i v e r s i t yo f m i s s i s s i p p i 的d m i n i x 和b e l l c o m m u n i c a t i o nr e s e a r c h 的d u n i x ，但是人们注意到由于宿主操作系统本身 的复杂性，这种方法造成了系统的整体性能比较差，近期由h i 公司，d e c 公司等提出的d c e ( d i s t r i b u t e dc o m p u t i n ge n v i r o n m e n t ) 也属于同一方向，但 是在不同类型操作系统上实现统一的分布式计算原语。 2 第二个方向是实现独立的通用的分布式操作系统，通过对第一种方法 的重新认识，以及对分布式系统的进一步研究，人们认识到分布式操作系统 和传统的分时操作系统在结构上育很大的差异，所以实现独立的分布式操作 系统称为必然，这其中比较成功的有c m u 的m a t h ，v r i j eu n i v e r s i t y 由a n d r e w s ，t a n e n b a u m 等领导的a m o e b a 和m 1 t 的s p r i t e 等，这一方廊的操作系统比 较多，研究多集中于大学和研究机构中，其中具有商业化潜力的是m a c h 。 3 ，第三个方向是独立的实时应用的分布式操作系统，由于分布式本身所 具有的相对于集中式的优势，人们自然想到分布式的实时应用问题，其中有 u n i v e r s i t yo fm a s s a c h u s e t t s 的s p r i n g ，u n i v e r s i t yo fm i c h i g a n 的h a r t o s ， t e c h n i s h e u n i v e r s i t a t w i e n 的m a r s ，c m u 的a l p h a ，和u n i v e r s i t y o f m a r y l a n d 的m a r u t i 等，这些系统从不周角度提供了设计思路_ 葶日关键技术，有许多值 得借鉴的地方，其中s p r i n g 已应用在个机器人系统上，对系统性能进行了 测试a 目前得到比较广泛应用的是加拿大q s s l 公司( q n xs o f t w a r es y s t e m l t d ) 开发的q n x 分布式实时操作系统。该操作系统能运行于i n t e l x 8 6 、 p e n t i n m 等c p u 环境下，也能运行于p o w e r p c 、m i p s 等的c p u 环境下。q n x 具有分布、实时和可嵌入的特点，能较好的满足分布式实时系统的要求，但 同时在分布式任务的处理方面存在一些尚未解决的技术问题。 国内n q 降g - 个方向的分布式操作系统的有南京大学的z c z o s ，清华大 4 堕玺鎏三垄盔耋堡圭耋堡鎏童一 学的t h u d s o s 。属于第三令方向的有电子科技大学的分布式实时操作系统 u e c n e t 。 1 6 本论文工作概要 本文的研究对象是前面提到的分布式系统的第二种存在形式，基于 l a n ( l o c a la r e an e t w o r k ) 的分布式系统的实时性问题，文中把分布式系统的实 时性归结为两个方面来进行研究，即系统中实时任务的实现和数据在分布式 系统中的实时传输。最后把研究的结果用以解决舰艇指挥控制系统的实时性 问题。 本文首先介绍了实时系统、分布式系统和l a n 的相关技术和理论，在 这些理论的基础上，作者进行了后面自己的工作，在分析和总结分布式实时 系统的共同特点之后，提出了一个分布式实时系统分层结构模型，并根据这个 模型构建了舰艇指挥控制系统的结构模型，然后分别就分布式实时系统的网 络拓扑结构、任务实时性和网络传输的实时性等问题进行了研究并提出了本 论文的解决方案。 在分布式系统的网络结构方面，本文根据系统分布和任务实时的特点和 要求采用了基于以太网协议的双冗余总线网，网络是由菲实时操作系统 ( w i n d o w sn t ) 羊h 实时操作系统( v x w o r k s ) 组成的异构局域网。 系统实时任务研究是本文的研究重点，也是作者的主要工作之一，根据 实时系统理论、实时操作系统的机理以及海军对指控系统的具体要求，解决 舰艇指控系统实时任务的方案如下面所述，首先根据任务对实时响应和可预 测性的要求，对系统的任务进行划分，可以将系统任务分为实时任务模块和 非实时任务模块。系统的实时功能模块( 包括静态实时任务和动态实时任务) 由实时操作系统来运行实现，非实时功能模块主要放在通用操作系统上来运 行实现，这样既可以充分应用实时操作系统的实时机理来保证系统关键任务 的实时性，又可以发挥通用操作系统操作简单、界面友好、使用方便等优点， 来满足舰艇作战指控系统的性能要求。 网络传输的实时性研究是本文的另外一个研究重点和工作重点，本论文 在参考了原有的几种网络实时传输协议“7 “5 ”“原理的基础上，针对舰艇指 5 堕玺鎏三堡盔耋堡主耋丝鎏塞 控系统网络组成的特点和实时传输的要求，进行了扩充和改造，在本文中称 扩充和改造完了的协议为动态实时传输协议d r t p ( d y n a m i cr e a l t i m e t r a n s m i s s i o np r o t o c 0 1 ) ，它是t o k e nb u s 和c s m a c d 的混合协议，这种方案 的基本原理为，在系统没有实时传输要求时，采用基于c s m a c d 以太网协议的 t c p i p 进行传输，在网络需要实时传输的时候，切换为实时令牌协议( r t t p ) ， 保证实时通信消息的传输。这里的实时令牌协议是在现有的以太网协议的基 础上进行了一些改进，不对网络硬件作任何修改，完全保留原有t c p i p 协议， 在数据链路层之上增加实时通信功能。在第四、五章重点讨论动态实时传输 协议的设计和实现。 最后一章介绍实时性解决方案在舰艇指控系统中的设计、仿真验证过程 和结果。 6 。；堕玺鋈三堡盔耋堡圭鲨i 鎏。 。一 第2 章实时系统和r t o s 2 1 实时系统的基本理论 计算机实时系统是( c o m p u t e rr e a l t i m es y s t e m ) 是计算机应用领域里的 一个重要分支。从最简单的工业控制到非常复杂的太空系统，它都能一显身 手。过程控制、工厂自动化、海底探测、机器人系统、空中交通管理、武器 系统、作战指挥控制系统、航天测控、空间站和太空防御系统等都是典型的 实时系统。 如果一定要给实时系统下一个定义，我们可以这么说，“a n ys y s t e m w h e r eat i m e yr e s p o n s eb yt h ec o m p u t e rt oe x t e r n a ls t i m u l ii sv i t a l i sar e a l t i m es y s t e m ”，翻译成中文为，任何对外部的激励有及时地可预 测响应的计算机系统都可以称为是实时系统。 2 1 1 实时系统中时间约束的相关概念 实时系统的一个重要特点就是实时系统中的任务具有时间约束。时间约 束有很多相关概念，只有掌握了这些概念，才能进一步对实时系统进行深入 的讨论。下面介绍一些有关时间约束的基本概念。 时限( d e a d l i n e ) ：表示一个特定时刻或特定的时间间隔，它要求一个任 务在该时刻之前完成。 任务执行时间：一个任务从启动到完成所花费的时间。它分为平均任务 执行时间和最坏任务执行时间。实时系统中一般指最坏任务执行时间，考虑 了可能的等待、阻塞等最不利的情况。 任务余量( 1 a x i t y ) ：时限减去任务执行时间所得的值。它的大小反映了系 统工作的从容程度。 紧时间约束( t i 曲tt i m ec o n s t r a i n o ：又称紧时限，指在满足任务的同时， 留给系统的时间比较紧张。它主要是由任务的余量小而引起的。 松时间约束( 1 0 0 s et i m ec o n s t r a i n t ) ：又称松时限，与紧时限概念相反，指 ! 窒玺鎏三堡奎耋玺土差丝重蚤；一 在满足任务时限的同时，留给系统的时间比较宽松。 时限粒度( d e a d l i n eg r a n u l a r i t y ) ：从任务启动时刻到截止期之间的间隔。 当这个值较小时，称为时限颗粒小( 或小颗粒时限) ；反之，则称为时限颗粒 大( 或大时限颗粒) 。 强实时任务( h a r dr e a l t i m e ) 任务：也称为强时限任务。要求该任务在时限 之前完成，否则其结果将失去可用性。 弱实时任务( s o f tr e a l t i m e ) 任务：也称为弱时限任务。若该任务不能在 时限到来之前完成，其结果的可用性将逐渐下降。 关键任务( c r i t i c a lt a s k s ) ：强调任务的重要程度。一个任务在时限之 前不能完成，则会产生灾难性后果。 21 2 实时系统的可预测性 可预测性是指能够确切断定一个任务的完成时间的能力。它是实时系统 的一项非常重要的性能指标。在实时系统中，由于各个任务有各种各样的时 间约束，任务间还有嵌套现象，其重要性和紧迫程度也不一样，所以要保证 实时系统的可预测性实际上是一个复杂的工作。 尽管可预测性是每个实时系统设计者所追求的目标，但在实际应用中， 并不一定要保证所有任务均是可预测的，而只需要其中的关键任务能百分之 百满足时限要求，所有非关键任务( 包括强实时任务和弱实时任务) 满足总要 求。例如，9 7 的非关键强实时任务和9 5 的非关键弱实时任务必须满足时 限。 2 1 3 有关实时系统的错误观点 当前，有许多人对实时系统还存在着模糊的概念，甚至有些观点还是错 误的。下面就是一些典型的有关实时系统的错误观点： 实时系统设计没有科学性； 超级计算机硬件的发展会照顾到实时要求； 实时计算等价于快速计算 实时编程就是使用汇编语言、安排中断优先级、写驱动程序等； 实时系统设计的问题已经在其它计算机和操作研究领域得到解决； 8 喧玺鎏三耋盔耋垄圭耄堡篁蚤 。 谈论保证实时性能没有意义，因为我们不能保证硬件不失效、软件不 出错、或者实际的操作条件不违反特定的设计要求； 实时系统在静态环境中才发挥作用 对于以上错误观点，这里主要强调两点： 第一，“实时”并不等于“快速”。实时并不意味着时间约束是微秒或纳 秒，虽然我们希望实时系统尽可能快的速度，但首先要求的是可预测性。一 个系统，不论它的速度有多么慢，只要能满足特定应用的时间要求，那么它 就是一个满足该应用的实时系统，而不管它能否满足其它应用的要求。实际 上，现有实时系统都对响应时间和运行速度有特殊的要求，园此实时系统一 般都要求快速的响应时间和运行速度。速度越快的系统，它的实时应用领域 越广，实时性越好：相反，速度越慢的系统，它的实时应用领域就越狭窄。 但是，不能以系统的速度快慢来判断它是否是实时系统。 第二，对强实时任务的理解。强实对任务是指当任务完成超过肘限时， 会造成该任务得到的结果对整个应用毫无用处。至于强实时任务超过时限会 引起什么后果，这要视情况面定。若是关键任务，则会造成灾难性后果，否 则就不会造成灾难性后果。所以强实时任务既是关键任务又是小粒度时限任 务。将这些概念区分清楚，目的在于设计时正确划分任务，避免过强的应用 要求产生一个设计余量过大或灵活性特差的系统。一个实时系统，如果有一 个以上的强实时任务，就称为强实时系统，否则就弥为弱实肘系统。 2 1 4 实时系统的分类 从不同角度出发，对实时系统有不同的分类方法。下面是几种常见的分 类方法。 1 从系统规模上划分 1 ) 单板、单片机实时系统：这是一种最简单的实时系统，一般由传感器、 处理器和控制器三部分组成，广泛用于工业控制和智能机器中。这类系统功 能简单、开发容易、体积小、应用广。 2 ) n z 式实时系统：这是典型的实时系统其有比较精练而完备的实时 操作系统，内核精练，性能较高，应用系统需进行交叉开发。 3 ) 大型实时系统：这类系统的特点是，操作系统功能强大，应用于大型 q 堕笙鎏三堡奎主壅圭耋垡鲨耋 ；。， 系统中。其操作系统既有实时操作系统的特征，又有通用操作系统的功能， 通常应用在高档微机、小型机或大型机上。尽管其硬件无法安装在应用系统 中，因此形式上不是嵌入式的，但是其功能、地位仍从属于嵌入式系统。 2 从实时要求上划分 1 ) 强实时系统：系统中至少有一个强实时任务，系统设计围绕着如何满 足这些强实时任务的时限，而采取的一些必要措施。 2 ) 弱实时系统：系统中的实时任务全是弱实时任务，尽管它们对时限的 要求不如强实时任务那么严格，但它们也是实时任务，满足时限仍是设计时 需要考虑的一个重要园素。 3 从体系结构上划分 1 ) 集中式实时系统：其特点是一个完整的控制处理过程由单机完成。虽 然其优点来自于单机处理，但缺点也在单机处理上。由于应用日益复杂，仅 用一台计算机往往来不及进行必要的处理，无法满足许多复杂的实时应用。 2 ) 分布式实时系统：分布式系统的主要特点是，多机共享资源，共同完 成一个任务。要在分布式系统中引入实对特征，还存在许多困难。难题之一 是网络的实时性，即如何保证网络传输是有界和可预测的。另一个难题是分 布式系统的调度问题，包括负载平衡、信息传送、减少开销、任务粒度划分 等。尽管存在系列问题，但分布式实时系统的发展前景还是十分吸引人的。 2 2 实时操作系统的基本理论 2 2 1 计算机操作系统概述 多数计算机用户都有一些使用计算机的体验，但是要给出操作系统的准 确定义却很困难。下面从两个角度对操作系统进行讨论。 1 作为扩展机器的操作系统 将硬件和软件隔离开来，并提供一个可以读写的命名文件的简洁的方 式，当然就是操作系统。与操作系统屏藏了磁盘硬件，提供了个简明的、 面向文件的接口类似，其他许多包括定时器、存储器管理等低层硬件的特性 也被隐藏了。在这种情况下，操作系统提供的抽象都较底层硬件本身更简单、 1 0 堕玺鎏三鹜盔堂堡圭主堡鎏蚤 更易使用。 从这个角度看，操作系统的作用是为用户提供了一台等价的扩展机器 ( e x t e n d e dm a c h i n e ) ，或称虚拟机，它比底层硬件更容易编程。 2 作为资源管理器的操作系统 把操作系统看作是提供给用户的基本的方便接口的概念是一种自顶向 下的观点。按照一种自顶向上的观点，操作系统则用来管理一个复杂系统的 各个部分。现代计算机包含处理器、存储器、时钟、磁盘、终端、磁带设备、 网络接口、激光打印机以及许多其他设备。从这个角度看，操作系统的任务 是在相互竞争的程序之间有序地控制对处理器、存储器以及其他i o 接口设备 的分配。 这种观点认为操作系统的主要任务是跟踪谁在使用什么资源、满足资源 请求、记录使用状况，以及协调各程序和用户对资源使用请求的冲突。 2 2 2 实时操作系统的定义 r t o s ( r e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m ) 即实时多任务操作系统，是指具 有实时性，能支持实时控制系统和实时信息处理的操作系统。之所以称为实 时操作系统，是根据操作系统的工作特性而言的。实时指物理进程的真实时 间，其首要任务是调度一切可利用的资源完成实时控制任务，其次才着眼于 提高计算机系统的使用效率，重要特点是要满足对时间的限制和要求。 一个好的实时操作系统需要具备以下功能( 必须的但是不充分的) ： 多任务的和可抢占的。 任务具有优先级。 操作系统具备支持可预测的任务同步机制。 支持多任务间的通信。 操作系统具备消除优先级转置的机制。 存储器优化管理( 含r o m 的管理) 。 操作系统的延迟( 含中断延迟、任务切换、驱动程序延迟等) 行为是可 知的和可预测的，这是指在全负荷的情形下，最坏反应时间可知。 实时时钟服务。 1 1 堕玺鎏；三垄奎耋垄圭耋堡丝奎 一一 中断服务。 2 ，2 3 实时操作系统的重要概念 1 系统响应时间 系统发出处理要求到系统给出应答信号的时间 2 任务切换时间 任务之间切换而使用的时间 3 中断延迟 是计算机接收到中断信号到操作系统作出响应，并完成切换转入中断服 务程序的时间。 4 任务 实时操作系统中的任务( t a s k ) 等同于分时操作系统中的进程( p r o c e s s ) 的概念。系统中的任务一般有四种状态；运行( e x e c u t i n g ) 、就绪( r e a d y ) 、 挂起( s u s p e n d e d ) 、睡眠( d o r m a n t ) 。 运行：获得c p u 管理权。 就绪：进入任务等待队列，可通过调度转为运行状态。 挂起：任务发生阻塞，移出任务等待队列，等待系统实时事件的发生 而唤醒。从而转为就绪或运行。 睡眠：任务完成或错误等原因而被清除的任务。也可以认为是系统中 不存在了的任务。 单c p u 系统中只能有一个任务在运行状态，各任务按级别( 一般是优先 级) 通过时间片分别获得c p u 的访问权。 2 2 4 实时操作系统的评价指标 我们知道，通用操作系统的目的是方便用户管理计算机资源，追求系统 资源的最大利用率和公平对待所有的系统请求。而实时操作系统追求的是实 对性、可确定性、可靠性。评价一个实对操作系统一般可以从下雨叔叔几个 方面来衡量。 任务调度机制 1 2 堕玺鎏三垄奎兰堡圭耋堡鲨塞 一 实时操作系统的实时性和多任务能力在很大程度上取决于它的任务调 度机制。从调度策略上来讲，分优先级调度策略和时间片轮转调度策略；从 调度方式上来讲，分可抢占、不可抢占、选择可抢占调度方式。 最小内存开销 r t o s 的设计过程中，最小内存开销是一个较重要的指标，这是因为实时 系统特别是包括消费类电子产品在内的嵌入式系统中，由于基于降低成本的 考虑，其内存的配置般都不大，而在这有限的空间内不仅要装载实时操作 系统，还要装载用户程序。因此，在r t o s 的设计中，其占用内存大小是一个 很重要的指标，这是r t o s 设计与其他操作系统设计的明显区别之一。 最大中断禁止时间 当r t o s 运行在核态( 指操作系统的管理程序执行时机器所处的状态) 或 执行某些系统调用的时候，是不会因为外部中断的到来而中断执行的。只要 当r t o s 重新回到用户状态时才响应外部中断请求，这过程所需的最大时间 就是最大中断禁止时间， 任务切换时间 当由于某种原因使一个任务退出运行时，实时操作系统必须要保存它的 运行现场信息、插入相应队列、并依据一定的调度算法重新选择一个任务使 之投入运行，这一过程所需时间称为任务切换时间。 上述几项中，最大中断禁止时间和任务切换时间是评价一个r t o s 实时性 的最重要的两个技术指标。 2 3 实时系统的设计要点 由于实时系统在应用方面的特殊要求，在实时系统的设计时存在着与原 来的通用系统不网的考虑因素。 首先在实时系统中最基本的是系统应该能够提供对时间正确性进行评 估的方法。也就是在实时系统中不管是用户还是开发人员都需要系统提供一 种指定时间尺度的方法。比如在有的实时系统中指定每隔一段时间就运行一 段程序，或者是提供指定程序必须在某个时闻点之前完成的方法等。在实时 1 喧玺鎏苫堡盔耋堡圭耋售鲨塞 系统中这是最基本的要求，这时通用系统中的功能就完全的不适用了。例如 u n i x $ 口许多类似的通用系统中都提供一种延时的手段，但这种方法在实时系 统中就无法达到要求，因为这种延时手段无法保证应用能够在d e a d l i n e 之前 完成计算。 第二是实时操作系统的设计或选用。在现代的实时系统当中一般都有实 时操作系统的存在。因为操作系统使系统的设计更加的简便，保证系统的质 量以及能够提供其他通用操作系统所提供的服务。这样实时的操作系统就面 临着更高的设计要求。 第三是实时系统的体系结构设计。实时系统的体系结构必须满足1 高运 算速度，2 高速的中断处理，3 高的t o 吞吐率，4 合理的处理器和i o 设备 的拓扑连接，5 高速可靠的和有时间约束的通信，6 体系结构支持的出错处 理，7 体系结构支持的调度，8 体系结构支持的操作系统，9 体系结构支持 的实时语言特性。 2 4 本章小结 本章介绍了实时系统和实时操作系统的基本理论，从这些理论我们可以 得出如下结论： 1 从实时系统的特征和实时系统设计时要考虑的要点可以看出，逻辑正 确性、时间正确性、可预测性是实时系统的基本要求，同时实时操作系统的 设计或选用、实时系统的体系结构在实时系统的实现中也是必须要考虑的条 件。这些条件与操作系统的任务调度机制、任务优先级、任务切换时间、中 断管理和处理速度等性能有关，要满足实时系统的所有这些性能要求，通用 的非实时操作系统是不能保证的。 2 实时操作系统的特点是，具有高速的处理器、具有中断处理能力、具 有多任务优先级支持、具有基于优先级的任务调度能力和支持实时语言等功 能，实时操作系统的特点有利于实现系统的可预测性和实时响应要求，满足 实时系统的需要。 3 有以上两点可知，实时操作系统具备了实现实时系统性能要求的基本 1 4 ! 窒i 鎏i ：堡叁耋堡土耄堡鎏塞 条件，因此实时操作系统在实时系统中得到了广泛的应用，实际上已经成为 很多实时系统中必不可少的组成部分。尤其是在硬实时系统的开发中，实时 操作系统是必须的条件。但是，具有实时操作系统的系统并不就是实时系统， 实时操作系统并不能够保证实时系统所有的性能都能得到满足，除了具有实 时操作系统之外，实时系统还需要可靠的硬件支持、设计合理的软件等，在 分布式实时系统中，还需要实时的分布式消息传输能力、分布式任务间的实 时通信能力、分布式任务调度机制等方面其他条件的保证。 1 5 喧玺鎏三堡盔兰堡土兰垡鲨銮 3 1 概述 第3 章分布式系统与l a n 的理论基础 计算机应用正在经历一场革命。从1 9 4 5 年计算机时代开始直n 1 9 8 5 年， 计算机一直是庞大昂贵的设备。即使小型计算机也要花数万美元。这使得大 多数机构通常只有位数不多的几台机器，并且由于它们之间缺少互联的手段， 这些机器都是各自独立地工作。然而，从8 0 年代开始，两项技术的进步改变 了这种局面。第一项是功能日益强大的微型计算机的发展。最早是8 位的微机， 接着是1 6 位、3 2 位的微机，现在甚至是6 4 位的微机也开始变得普遍。它们当 中很多具有早期大型计算机的计算能力，但价格却低的多。第二项进步是高 速局域网的出现。局域网能将数十台机器、甚至数百台机器连接在一起，数 据在机器之间传输只需要几ns 的时间。大量的数据能以超过l o i b p s 的速率传 输。这两项进步的直接结果是通过高速网络将许多c p u 连接起来构成一个计算 机系统的做法变得可行而且非常容易。这种系统通常被称为分布式系统。它 与传统的单个c p u 、主存、外设和终端所组成的集中式系统形成鲜明的诧异。 本章讨论分布式系统和局域网的基本理论。 3 2 分布式系统的性能 3 2 1 分布式系统相对于集中式系统的优点 l _ 它具有比集中式系统更好的性能价格比。 推动系统走向分布式应用的真正动力来自于经济因素。四分之一个世纪 以前，计算机界的泰斗h e r bg r o s c h 提出了著名的g r o s c h 定律：一个c p u 的计 算能力与它的价格的平方成正比，付出两倍的价格可以获得四倍的性能，这 条定律对当时大型机来说却是如此，所以当时的机构都尽自己所能去购买大 型的栅器。 堕玺鎏王堡查茎堡圭主堡篁圣 对于微型计算机来说，g r o s c h 定律就不再适合了。花几百美元，你能买 到一个性能k l 8 0 年代末的大型机还好的c p u 芯片。如果你花双倍的价钱，你也 可能买到的仅仅是比前一种时钟稍微快一点的c p u 。因此，现在性能价格比最 高的方案是将尽可能多的、廉价的c p u 组织在一个系统内。选择分布式系统的 第一个原因就是因为它具有集中式系统更好的性能价格比。 2 有些应用本身就是分布式的。 在工厂里，自动化系统控制在流水线上的机器人和机器，给每台机器和 机器人安装一个计算机进行控制是很自然的事情。当这些计算机连接在一起 的时候，就形成了商业上的分布式系统。 3 分布式系统具有更高的可靠性。 通过将任务交由多个机器共同承担，单个芯片的故障只会造成一台机器 停下来，而其他的机器将继续工作。理想的情况下，当有5 的机器停止工作 时，系统应该能继续工作，只是性能上有5 的损失。对于一些关键性应用来 说，例如控制核反应堆或飞机，使用分布式系统来达到高可靠性是最主要的 考虑因素。 4 可扩展性也是分布式系统的一大优点。 使用分布式系统，只要加入更多的处理器，系统的性能可以随着需要的 增加而增加。 3 2 2 分布式系统的分类 尽管所有的分布式系统都是由多个c p u 构成的，但存在不同的方法将硬 件组织起来，主要的不同体现在c p u 是如何连接起来的、相互如何通信等方面。 在多机系统中，按照其微处理机间耦合程度的不同，多机系统可以分为两大 类： 1 m u l t i p r o c e s s o r s 系统( 紧耦合系统) 紧耦合系统就是在一个计算机系统里集成几个、几十个甚至成千上万个 微处理机，处理机之间通过总线、交换( s w i t c h ) 结构或者其它部件连接起来。 它们主要通过共享内存来通讯，这也就是叫它紧耦合系统的原因。紧耦合系 统趋向于用作并行系统，通常用于解决同一个问题，多处理器更趋向于是紧 1 7 堕笙鎏圭堡盔耋堡圭兰垡i 塞 ；一 耦合型。在紧耦合系统中，消息在机器之间传输的时延很短，数据传输率很 高，c , e u k ：f 日j 传输数据速率几乎等于主存的速率。典型的紧耦合系统表现为， 两个或以上的c p u 通过总线连接起来、c p u t 明过并行控制算法和并行运算算 法在逻辑上能够互相协作，最终能够共同解决一个比较复杂的问题。 2 毗u l t i c o m p u t e r s 系统( 松耦合系统) 松耦合系统微处理机之间没有直接相连，没有共享内存，而是通过计算 机之间的网络接口或者其它方式相互连接。人们趋向于将松耦合系统看作为 分布式系统，松耦合系统多用于解决多个不相关的问题，多计算机趋向于松 耦合系统。与紧耦合系统相比，松耦合系统的传输时延较大，数据传输率较 低。通过电话线、电缆、双绞线和光纤等连接起来的组成的局域网、城域网 和广域网都可以被认为是松耦合型的分布式系统。 3 2 3 松耦合分布式系统的结构 在松耦合分布式系统中，最为广泛应用的形式是基于局域网的，如第一 章所述，这种物理上松散耦合而逻辑上紧密耦合的分布式系统的组成为： 分布式系统= 计算机网络( n e t w o r k ) + 撂椎磊统( 分布式) 图3 1 分布式系统的构成 如图3 1 所示，按照物理组成和逻辑关系可以把分布式系统分为四层， 自下而上第一层为网络硬件层，包括组成分布式系统的计算机设备、网络设 备和各种网络终端组成；第二层由计算机操作系统、网络协议( 包括和各种硬 件设备的驱动程序等组成) ；第三层为中间层和网络协议层，中问层介于操作 系统和应用软件之间，表现为分布式算法和在操作系统和网络协议的基础之 上所进行的一些二次封装，这些封装的结果是为应用程序的用户提供了一批 1 8 堕釜鎏三垄奎耋鎏圭耋堡鎏塞。一 通用的软件接口，这些接口可以为系统的操作系统和应用程序共同服务。第 四层为应用软件层，在本层主要为用户的应用服务程序。 3 3 局域网技术及其应用 局部区域网络( l o c a a r e an e t w o r k s ，简称l a n ) ，通常简称它为“局域 网”。具有如下三个特点的一个网络可被称为局域网：网络所覆盖的地理 范围很有限，通常在几公里范围之内，甚至只在一座建筑物内；通信系统 的信息传输速率比较高，通常在a m b s 以上；网络拥有权和经营管理权属于 某一个单位，不受电信部门管辖。所以，局域网通常表现为一类专用网络。 局域网的特性主要有三个要素确定。1 ，即：拓扑结构，传输媒质( 包括信号 技术) 和信道接入控制协议。下面逐一介绍。 3 31 局域网的拓扑结构 1 总线形拓扑结构 如图3 2 所示为总线型局域网的结构示意图，总线拓扑是迄今为止最常 见的网络拓扑。在这种结构的网络中，所有的用户工作站( 计算机、终端、外 围设备或电话机等) 都同等地挂接在一条广播式公共传输信道( 总线) 上。 图3 2 总线型局域网结构示意图 2 环形拓扑 图3 3 为环形局域网的示意图，环形局域网的各工作站通过一个环接器 挂接在一个环形配置的传输通路上。由于传输通路是闭合回路，为保证正常 的信号传输，环内的信号必须是单向传播的。为保证单向传播，每个环接器 必须具有一侧接收另侧发送的功能，即具有收发隔离功能。 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 倒3 3 环形局域网示意图 3 星型拓扑 星形拓扑的最大特点是将网络的交换和控制集中在唯一的中心结点( 交 换机或控制器) 上。任一单位内部，可以利用单位现有的专用小交换机( p a b x ) 迅速建成一个星形结构的局域网一基于电话或者