कॉलिन वाल्स से RTOS के बारे में पूरी सच्चाई

RTOS के बारे में पूरी सच्चाई। अनुच्छेद # 1।

रियल-टाइम ऑपरेटिंग सिस्टम: परिचय

लेखों की यह श्रृंखला वास्तविक समय के ऑपरेटिंग सिस्टम (RTOS) के सभी पहलुओं के गहन अध्ययन के लिए समर्पित है। लेख डेवलपर्स के लिए लक्षित हैं जो सीखने के लिए उत्सुक हैं कि आरटीओएस कैसे काम करता है और उनका उपयोग कैसे करें। प्रारंभिक बिंदु सामान्य रूप से रीयल-टाइम सिस्टम के बारे में चर्चा होगी, और फिर हम इस बारे में बात करेंगे कि आरटीओएस उनके कार्यान्वयन को कैसे सरल बना सकते हैं और परिणामस्वरूप कोड को अधिक विश्वसनीय बना सकते हैं।

RTOS के अंदर देखते हुए, हम देखेंगे कि टास्क शेड्यूलर कैसे काम करता है। मल्टीथ्रेडिंग के लिए धन्यवाद, ऐसा लगता है कि सीपीयू एक ही समय में कई ऑपरेशन करता है। यह जादू नहीं है, कार्य अनुसूचक के सिद्धांतों की समझ एक अनुभवहीन सॉफ्टवेयर इंजीनियर के लिए भी उपलब्ध है। हम आरटीओएस की अन्य वस्तुओं के बारे में बात करेंगे: कार्यों और सिंक्रोनाइज़ेशन के बीच बातचीत के बारे में, रीयल-टाइम मोड के बारे में, मेमोरी मैनेजमेंट के बारे में, आदि सब कुछ कोड उदाहरणों द्वारा सटीक रूप से वर्णित और समर्थित होगा।

डेवलपर के लिए, RTOS का एक प्रमुख पहलू API है, प्रक्रिया कॉल का एक सेट जो RTOS कार्यक्षमता तक पहुंच प्रदान करता है। यह श्रृंखला इस विषय पर लेख प्रस्तुत करेगी कि एपीआई कैसे काम करता है, क्या मानक उपलब्ध हैं, और एक एपीआई से दूसरे में कैसे जाना है।

नीचे उन विषयों की सूची दी गई है, जिन पर हम निकट भविष्य में विचार करेंगे:

• कार्यक्रम की संरचना और वास्तविक समय
• वास्तविक समय ऑपरेटिंग सिस्टम
• कार्य और योजना
• कार्य सहभागिता और सिंक्रनाइज़ेशन
• अन्य ऑपरेटिंग सिस्टम सेवाएं
• न्यूक्लियस एसई
• योजनाकार
• कार्य
• स्मृति के खंड
• संकेत
• इवेंट फ्लैग ग्रुप्स
• सेमाफोर
• मेलबॉक्स
• कतारों
• चैनलों
• सिस्टम का समय
• सॉफ्टवेयर टाइमर
• बीच में आता है
• निदान और त्रुटि जाँच
• इनिशियलाइज़ेशन एंड लॉन्च

लेखों की श्रृंखला किसी विशेष रीयल-टाइम ऑपरेटिंग सिस्टम से जुड़ी नहीं है, अधिकांश सामग्री आरटीओएस को लागू करने के लिए सार्वजनिक रूप से उपलब्ध विकल्पों पर लागू होती है। लेखक के अनुसार, मौजूदा समर्थन के साथ एक तैयार-निर्मित, वाणिज्यिक ओएस का उपयोग काम करने का सबसे विश्वसनीय और सबसे उत्पादक तरीका है। लेखों में से एक आरटीओएस चुनने के लिए "मेक बनाम बाय" और अन्य तरीकों के विषय पर एक विस्तृत चर्चा के लिए समर्पित होगा।

हालांकि, आरटीओएस के आंतरिक डिजाइन को समझाने के लिए, वास्तविक उत्पाद कोड, न्यूक्लियस एसई के उदाहरणों का उपयोग किया जाता है।

स्रोत: http://www.embedded.com/design/operating-systems/4442729/Introducing--RTOS-Revied

RTOS के बारे में पूरी सच्चाई। अनुच्छेद # 2

आरटीओएस: संरचना और वास्तविक समय मोड
कार्यक्रम की संरचना और वास्तविक समय

लेखों की यह श्रृंखला एम्बेडेड सिस्टम के बारे में है और विशेष रूप से, एम्बेडेड सिस्टम पर चलने वाले सॉफ़्टवेयर के बारे में है। चलिए परिभाषा के साथ शुरू करते हैं। एक एम्बेडेड प्रणाली क्या है? 1986 में, जब मैंने इस विषय पर पहली पुस्तक लिखी थी, तब ऐसा कोई शब्द मौजूद नहीं था। "समर्पित प्रणाली" या "माइक्रोसिस्टम्स" की अवधारणाओं का उपयोग किया गया था, लेकिन वे, निश्चित रूप से, पूरे सार को प्रतिबिंबित नहीं करते थे। कुछ वर्षों बाद, "बिल्ट-इन" शब्द प्रयोग में आया और सभी विशेषज्ञ इसे सक्रिय रूप से इस्तेमाल करने लगे।

एक एम्बेडेड सिस्टम की परिभाषा पर वापस। दोस्तों और परिवार को समझाने की कोशिश में कि मैं क्या काम कर रहा हूं, मैं निम्नलिखित स्पष्टीकरण के साथ आया हूं: एक एम्बेडेड सिस्टम कोई भी इलेक्ट्रॉनिक डिवाइस है जिसमें प्रोसेसर होता है, लेकिन जिसे आमतौर पर कंप्यूटर के रूप में स्वीकार नहीं किया जाता है।

ऑपरेटिंग सिस्टम (ओएस) हमेशा कंप्यूटर पर होता है; आधुनिक एम्बेडेड सिस्टम में, केवल कुछ प्रकार के ओएस का उपयोग किया जाता है। इस तथ्य के बावजूद कि कर्नेल का उपयोग उच्च-प्रदर्शन (32- और 64-बिट) सिस्टम में रहता है, कम-शक्ति वाले उपकरणों में इसके उपयोग से लाभ संभव है। इन लेखों का ध्यान सामान्य और विशिष्ट कार्यान्वयन के साथ, ऑपरेटिंग सिस्टम पर है।

ऑपरेटिंग सिस्टम का उपयोग क्यों करें?

आइए देखें कि ऑपरेटिंग सिस्टम सिद्धांत रूप में क्यों उपयोग किए जाते हैं। कई स्पष्टीकरण हैं, उनमें से कुछ मानव कारक और तकनीकी विशेषताओं दोनों पर निर्भर करते हैं। मुझे कहानी याद है। हमारे एक कार्यालय में एक रसोई का कोना था जहाँ आप कॉफ़ी बना सकते थे। दरवाजे पर शिलालेख के साथ एक संकेत था: "कृपया दरवाजा बंद न करें।" इसके तहत, किसी ने लिखा: "क्यों नहीं?", जिसके लिए किसी और ने उत्तर दिया: "क्योंकि।" वाक्यांश का एक छोटा संस्करण "क्योंकि हम आपको ऐसा करने के लिए कह रहे हैं।" उन्हीं कारणों से, कुछ प्रणालियों पर ऑपरेटिंग सिस्टम का उपयोग किया जाता है, बस इसलिए कि इसे करने की आवश्यकता है।

एक अन्य स्पष्टीकरण डेस्कटॉप अनुप्रयोगों का उपयोग है। यदि आप पीसी या मैक के लिए सॉफ्टवेयर लिखते हैं तो आप कहां से शुरू करते हैं? आप कंप्यूटर चालू करते हैं, विंडोज / लिनक्स या मैकओएस शुरू करते हैं और प्रोग्रामिंग शुरू करते हैं। ऑपरेटिंग सिस्टम होना एक दी गई स्थिति है, और यह कई उपयोगी सेवाएं प्रदान करता है। यह संभावना नहीं है कि आप नंगे धातु की प्रोग्रामिंग करते समय खरोंच से शुरू करने का फैसला करेंगे। इसलिए, यह आश्चर्य की बात नहीं है अगर एक इंजीनियर जिसे सॉफ्टवेयर लिखने का अनुभव है, लेकिन जिसके लिए फर्मवेयर नया है, वह उस सिस्टम में एक ऑपरेटिंग सिस्टम की उपस्थिति पर निर्भर करेगा जो वह विकसित करता है।

यह डेस्कटॉप OS का एक महत्वपूर्ण पहलू है, जिसके बारे में उपयोगकर्ताओं को पता है कि यह यूजर इंटरफेस (UI) है। किसी से पूछें कि विंडोज क्या है और वे जवाब देंगे कि वे विंडोज, मेनू, डायलॉग बॉक्स, आइकन हैं, लेकिन फ़ाइल सिस्टम, इंटर-प्रोग्राम संचार और अन्य सिस्टम के साथ बातचीत करने की क्षमता का उल्लेख शायद ही किया जाता है। यह डेस्कटॉप और एम्बेडेड सिस्टम के बीच मुख्य अंतर है: बाद वाले के पास उपयोगकर्ता इंटरफ़ेस नहीं हो सकता है, और यदि ऐसा है, तो यह काफी सीधा है। यह कई महत्वपूर्ण अंतरों में से पहला है:

• एक एम्बेडेड सिस्टम आम तौर पर बिजली से बिजली बंद करने के लिए एक सॉफ्टवेयर अनुप्रयोग चलाता है।
• एंबेडेड सिस्टम में सीमित संसाधन होते हैं। स्मृति की मात्रा काफी बड़ी हो सकती है, लेकिन इस तथ्य से नहीं कि इसका विस्तार किया जा सकता है; प्रोसेसर में सीमित शक्ति है।
• कई एम्बेडेड अनुप्रयोग वास्तविक समय में काम करते हैं। नीचे दिए गए लेख में इस पर अधिक।
• फर्मवेयर विकास उपकरण विशेष हैं और मेजबान कंप्यूटर (जैसे पीसी) पर चलते हैं, और लक्ष्य प्रणाली पर नहीं।
• फर्मवेयर अपडेट करना एक जटिल प्रक्रिया है। जुड़े उपकरणों के कारण दिखाई देने वाले अवसरों के बावजूद, ऑपरेशन के दौरान फर्मवेयर अपडेट अभी भी आदर्श नहीं हैं (नियमित अपडेट और पैच (पैच के विपरीत) डेस्कटॉप सॉफ़्टवेयर के लिए उपयोग किया जाता है)।

इससे पहले कि हम विचार करें कि एम्बेडेड अनुप्रयोगों की संरचना कैसे करें, हम ऑपरेटिंग सिस्टम का उपयोग करके कार्यक्रमों को निष्पादित करने के लिए कंप्यूटर पर उपयोग की जाने वाली अवधारणाओं को समझेंगे।

सबसे पहले, कार्यक्रमों की एक डॉस-शैली निष्पादन है, जब कार्यक्रमों को वैकल्पिक रूप से निष्पादित किया जाता है।



प्रत्येक कार्यक्रम लॉन्च, कार्यान्वित और समाप्त किया जाता है। हम उपयोग करते हैं, कहते हैं, प्रोग्राम 1, फिर प्रोग्राम 2, फिर शायद ब्रेक लें, प्रोग्राम 3 पर जाएं, और फिर प्रोग्राम 2 पर वापस जाएं। प्रोग्राम 2 का दूसरा उपयोग फिर से शुरू होता है: लॉन्च वहां से शुरू नहीं होता है जहां से हमने छोड़ा था यह (उन मामलों को छोड़कर जहां आवेदन स्वयं ऐसा अवसर प्रदान नहीं करता है)।

डॉस के बाद, चीजें थोड़ी जटिल हो गईं, क्योंकि विंडोज आम हो गया है। विंडोज-स्टाइल प्रोग्राम चलाने का मतलब है मल्टीथ्रेडेड मोड में कई प्रोग्राम चलाना।



इस मोड में, ऐसा लगता है कि प्रोग्राम उसी समय चल रहे हैं, और विंडोज इस भ्रम को नियंत्रित कर रहा है। सबसे पहले, प्रोग्राम 1 शुरू होता है, फिर उसी समय प्रोग्राम 2 शुरू होता है, फिर प्रोग्राम 3. प्रोग्राम 2 समाप्त होता है, प्रोग्राम 1 और 3 अभी भी चल रहे हैं। प्रोग्राम 3 समाप्त होता है, केवल प्रोग्राम 1 रहता है। बाद में, प्रोग्राम 2 फिर से शुरू होता है, और प्रोग्राम 1 समाप्त होता है, केवल प्रोग्राम 2 रहता है। यह घटनाओं का एक यथार्थवादी कोर्स है जब विंडोज का उपयोग एक सामान्य उपयोगकर्ता द्वारा किया जाता है। ऑपरेटिंग सिस्टम संसाधनों को आवंटित करता है ताकि सभी प्रोग्राम प्रोसेसर का सही उपयोग करें। यह कार्यक्रमों (जैसे क्लिपबोर्ड) के बीच आसान संचार प्रदान करता है और उपयोगकर्ता इंटरफ़ेस को नियंत्रित करता है।

कुछ पोर्टेबल उपकरणों में डॉस की पेशकश की तुलना में अधिक लचीलेपन की आवश्यकता होती है, लेकिन सीमित संसाधनों को देखते हुए विंडोज की तुलना में कम ओवरहेड्स की आवश्यकता होती है। नतीजतन, हमारे पास आईओएस की शैली में कार्यक्रमों का निष्पादन है, अर्थात्:



कार्यक्रमों को एक समय में लॉन्च किया जाता है, लेकिन उनकी स्थिति स्वचालित रूप से सहेजी जाती है ताकि आप बंद होने पर उसी स्थान से जारी रख सकें। उदाहरण के लिए, प्रोग्राम 1 शुरू होता है, फिर प्रोग्राम 2 का उपयोग करने के लिए रुक जाता है, फिर, उदाहरण के लिए, डिवाइस थोड़ी देर के लिए बंद हो जाता है। फिर से शुरू होने पर, प्रोग्राम 3 लोड हो जाता है (प्रोग्राम 2 की स्थिति स्वचालित रूप से सहेज ली गई थी), और फिर उपयोगकर्ता प्रोग्राम 2 में वापस आ जाता है, इसमें काम करना जारी रखता है। मैं समझता हूं कि एक iOS एप्लिकेशन का निष्पादन मॉडल ऊपर वर्णित वर्णन की तुलना में बहुत अधिक जटिल है, हालांकि, यह विवरण उपयोगकर्ता की प्रारंभिक धारणा का एक संक्षिप्त सारांश है।

अधिकांश अंतर्निहित एप्लिकेशन उपरोक्त किसी भी मॉडल से मेल नहीं खाते हैं। एक नियम के रूप में, डिवाइस प्रोग्राम चालू करता है जब बिजली चालू होती है और केवल अनिश्चित समय के लिए इस सॉफ़्टवेयर के साथ काम करना जारी रखता है। ऐसे कोड की संरचना को सावधानीपूर्वक सोचा जाना चाहिए।

फर्मवेयर मॉडल

डेस्कटॉप सिस्टम लगभग सभी समान हैं। एप्लिकेशन प्रोग्राम के दृष्टिकोण से, विंडोज के साथ सभी व्यक्तिगत कंप्यूटर समान हैं। एंबेडेड सिस्टम अद्वितीय हैं: प्रत्येक दूसरों से अलग है। अंतर तकनीकी हो सकते हैं: प्रोसेसर प्रकार, मेमोरी आकार, परिधीय उपकरणों की संख्या। अनुप्रयोगों के प्राथमिकता पहलू भी गति, ऊर्जा की खपत, सुरक्षा और विश्वसनीयता में भिन्न हो सकते हैं। व्यावसायिक अंतर हो सकते हैं जो मूल्य निर्धारण को प्रभावित करते हैं: उत्पादन मात्रा और कस्टम या मानक हार्डवेयर के बीच का चुनाव।

ये अंतर एम्बेडेड डेवलपर्स के लिए महत्वपूर्ण हैं। उदाहरण के लिए, विकास उपकरण (कंपाइलर, डिबगर, आदि) की पसंद प्रोसेसर के प्रकार पर निर्भर करती है। कई कारक ऑपरेटिंग सिस्टम की पसंद या यहां तक ​​कि इसे सिद्धांत रूप में लागू करने के निर्णय को प्रभावित करते हैं। सॉफ़्टवेयर संरचना (सॉफ़्टवेयर मॉडल) को प्रत्येक व्यक्तिगत एम्बेडेड एप्लिकेशन के लिए सावधानीपूर्वक चुना जाना चाहिए।

आवेदन की आवश्यकताओं के आधार पर, एम्बेडेड सॉफ़्टवेयर में विभिन्न जटिलता स्तरों की विभिन्न संरचनाएं हो सकती हैं, उदाहरण के लिए:



सबसे सरल रूप एक बंद संरचना है जिसमें क्रियाओं का एक ही क्रम दोहराया जाता है। यदि आवेदन इतना सरल है कि इसे इस तरह से लागू किया जा सकता है, तो यह आदर्श है: सरल कोड विश्वसनीय और समझ में आता है। हालांकि, इस तरह की संरचना कोड के हिस्से के लिए बेहद संवेदनशील है जो बहुत अधिक प्रोसेसर समय ले सकती है, अर्थात, कुछ आदेशों को इतने लंबे समय तक निष्पादित किया जाता है कि वे अन्य एप्लिकेशन कार्यों के निष्पादन में देरी करते हैं। इसके अलावा, यह मॉडल अच्छी तरह से स्केल नहीं करता है: कोड में सुधार करना एक समस्या हो सकती है, क्योंकि ऐड-ऑन पुराने कोड के प्रदर्शन को प्रभावित कर सकते हैं।

यदि कुछ अधिक जटिल की आवश्यकता होती है, तो आप मुख्य लूप में कोड के एक गैर-महत्वपूर्ण हिस्से को रखने की कोशिश कर सकते हैं, और बीच के हैंडलर में एक समय-संवेदनशील हिस्सा (इंटरप्ट सर्विस सर्विस, आईएसआर)। बाधा हैंडलर की क्रियाएं मूल रूप से काफी कम हैं, केवल महत्वपूर्ण कार्यों का प्रदर्शन कर रही हैं और जल्द से जल्द काम पूरा करने के लिए मुख्य लूप के अनुभागों को चिह्नित कर रही हैं। जब मुख्य लूप और इंटरप्ट हैंडलर (साथ ही कई डेवलपर्स के बीच) के बीच काम वितरित करना आवश्यक हो तो कठिनाइयाँ उत्पन्न हो सकती हैं।

अधिकतम एप्लिकेशन लचीलेपन के लिए, इसे कई अलग-अलग, अपेक्षाकृत स्वतंत्र कार्यक्रमों में विभाजित करना आवश्यक होगा (चलो उन्हें कार्य या थ्रेड्स कहते हैं), जिसे बहु-थ्रेडेड मोड में निष्पादित किया जाएगा। छोटे रुकावट संचालकों को भी प्रणाली में शामिल किया जा सकता है, लेकिन वे मुख्य रूप से कार्यों को सूचित करेंगे या एक कार्रवाई को ट्रिगर करेंगे। इसे प्राप्त करने के लिए, आपको एक ऑपरेटिंग सिस्टम या कम से कम कर्नेल की आवश्यकता है। मल्टीथ्रेडिंग का उपयोग न केवल सॉफ्टवेयर में कार्यक्षमता का लचीला वितरण प्रदान करता है, बल्कि डेवलपर्स के बीच काम के वितरण की सुविधा भी प्रदान करता है।

वास्तविक समय क्या है?

इससे पहले, मैंने लिखा है कि कई एम्बेडेड अनुप्रयोग वास्तविक समय में काम करते हैं। इस संदर्भ में, यह वास्तविक समय ऑपरेटिंग सिस्टम के बारे में बात करने के लिए प्रथागत है, न कि एक साधारण ओएस के बारे में। चलो शब्दावली को परिभाषित करते हैं।

“एक वास्तविक समय ऑपरेटिंग सिस्टम एक प्रणाली है जिसमें गणना की शुद्धता न केवल गणना की तार्किक शुद्धता पर निर्भर करती है, बल्कि उस समय पर भी होती है जिसके लिए परिणाम प्राप्त किया जाएगा।

यदि सिस्टम के समय की कमी पूरी नहीं होती है, तो यह माना जाता है कि सिस्टम विफलता हुई है। "

इस तरह की प्रणाली की एक महत्वपूर्ण विशेषता इसकी भविष्यवाणी है या, जैसा कि वे अक्सर कहते हैं, नियतत्ववाद।

एक वास्तविक समय ऑपरेटिंग सिस्टम जरूरी बहुत तेज नहीं है; "वास्तविक समय" का अर्थ हमेशा "वास्तव में तेज समय" नहीं होता है। इसका मतलब यह है कि किसी भी आवश्यक कार्रवाई को समय पर पूरा किया जाएगा। यही है, काफी तेज है, लेकिन एक ही समय में बहुत तेज नहीं है (यानी, काफी धीमा है)।

RTOS (जब सही तरीके से उपयोग किया जाता है) कार्यों के लिए प्रोसेसर समय के वितरण पर बहुत सटीक नियंत्रण प्रदान करता है और इसलिए, अनुप्रयोगों को पूरी तरह से निर्धारक बनाता है। केवल एक चीज जो इस तस्वीर को बर्बाद कर सकती है वह है रुकावट। ऐसे RTOS हैं जो पूरी तरह से नियंत्रण को बाधित करते हैं। उनका काम कार्य अनुसूचक के हिस्से के रूप में व्यवधान सेवा का प्रबंधन करना है। इस तथ्य के बावजूद कि इससे पूर्वानुमान योग्य व्यवहार होना चाहिए, यह तंत्र काफी जटिल है और इसमें ओवरहेड लागत शामिल है।

अधिकांश आरटीओएस केवल एक काम से बाधित हैंडलर को "चोरी" समय की अनुमति देते हैं जो कि बाधा के समय चल रहा था। यह बदले में, प्रोग्रामर को संभव के रूप में संक्षिप्त हैंडलर कोड लिखने के लिए मजबूर करता है। परिणामस्वरूप, हमारे पास वास्तविक समय में एक स्वीकार्य त्रुटि है। एकमात्र कठिनाई RTOS सेवाओं के लिए एक हैंडलर कार्य के हिस्से के रूप में कॉल कर रही है। कुछ कॉल काफी हानिरहित हो सकते हैं, जबकि अन्य एक बाधा से लौटने पर एक संदर्भ स्विच का कारण बनेंगे। इस स्थिति को विशेष रूप से संबोधित किया जाना चाहिए, जो विभिन्न आरटीओएस की मदद से संभव है।

स्रोत: https://www.embedded.com/design/operating-systems/4442900/Program-structure-and-real-time

जब हमने अपने स्वयं के वास्तविक समय के OSRV MAX ऑपरेटिंग सिस्टम (इसके बारे में पहले प्रकाशित लेख) पर काम किया , तो हमारी टीम “कॉलिन वाल्स का ब्लॉग”, माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक के विशेषज्ञ और मेंटर ग्राफिक्स के विशेषज्ञ थे। लेख दिलचस्प लग रहे थे, उन्हें खुद के लिए अनुवादित किया, लेकिन "तालिका में लिखने" के लिए नहीं उन्होंने प्रकाशित करने का फैसला किया। मुझे उम्मीद है कि वे भी आपके लिए उपयोगी होंगे। यदि ऐसा है, तो हम श्रृंखला में सभी अनुवादित लेख प्रकाशित करने की योजना बनाते हैं।

लेखक के बारे में: कॉलिन वाल्स तीस वर्षों से इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग में काम कर रहे हैं, अपने अधिकांश समय को फर्मवेयर के लिए समर्पित करते हैं। वह अब मेंटर एंबेडेड (मेंटर ग्राफिक्स का एक प्रभाग) में एक फर्मवेयर इंजीनियर है। कॉलिन वॉल्स अक्सर सम्मेलनों और सेमिनारों में बोलते हैं, कई तकनीकी लेखों के लेखक और फर्मवेयर पर दो किताबें। ब्रिटेन में रहता है। कॉलिन का पेशेवर ब्लॉग: http://blogs.mentor.com/colinwalls , ई-मेल: colin_walls@mentor.com

अनुच्छेद 3 यहाँ प्रकाशित किया गया है।