कॉलिन वाल्स से RTOS के बारे में पूरी सच्चाई। अनुच्छेद # ३ कार्य और योजना

हमने मल्टीटास्किंग, एक ही समय में कई अर्ध-स्वतंत्र कार्यक्रम चलाने के लिए ऑपरेटिंग सिस्टम की संपत्ति की जांच की। इससे पहले कि हम कार्यों को करीब से देखें, हमें शर्तों से निपटने की जरूरत है।

श्रृंखला में पिछले लेख:
अनुच्छेद # 2 आरटीओएस: संरचना और वास्तविक समय मोड
अनुच्छेद # 1। आरटीओएस: परिचय।

हम "कार्य" शब्द का उपयोग करते हैं, हालांकि इसका कोई सटीक अर्थ नहीं है। अन्य शब्द, "प्रवाह" और "प्रक्रिया", अधिक विशिष्ट हैं, और आपको समझना चाहिए कि उनका क्या मतलब है और वे कैसे भिन्न हैं।

एम्बेडेड अनुप्रयोगों में उपयोग किए जाने वाले कई RTOS एक बहु-थ्रेडेड मॉडल का उपयोग करते हैं। कई थ्रेड्स को एक साथ निष्पादित किया जा सकता है, एक ही पते की जगह पर कब्जा कर सकते हैं:



इसका मतलब है कि संदर्भ स्विचिंग है, सबसे पहले, प्रोसेसर के एक सेट से दूसरे में स्विच करना। यह सरल और तेज है। संभावित खतरा यह है कि प्रत्येक थ्रेड में मेमोरी को एक्सेस करने की क्षमता होती है जो अन्य थ्रेड्स या स्वयं RTOS से संबंधित होती है।

एक विकल्प मल्टी-प्रोसेस मॉडल है। यदि कई प्रक्रियाएं चल रही हैं, तो प्रत्येक प्रक्रिया का अपना पता स्थान होता है और आप अन्य प्रक्रियाओं या RTOS से जुड़ी मेमोरी तक नहीं पहुँच सकते हैं:



यह संदर्भ को और अधिक कठिन और समय लेने वाली बनाता है, क्योंकि ऑपरेटिंग सिस्टम को मेमोरी मैनेजमेंट यूनिट, मेमोरी मैनेजर (इंग्लिश मेमोरी मैनेजमेंट यूनिट, MMU) को उचित रूप से कॉन्फ़िगर करना होगा। बेशक, ऐसी वास्तुकला केवल एक प्रोसेसर के साथ संभव है जो MMU का समर्थन करता है। प्रक्रियाओं को "उच्च-प्रदर्शन" आरटीओएस और अधिकांश डेस्कटॉप ओएस द्वारा समर्थित किया जाता है। इसके अलावा, प्रत्येक प्रक्रिया कई थ्रेड्स में विभाजित होने का समर्थन कर सकती है, लेकिन इस संपत्ति का उपयोग साधारण एम्बेडेड अनुप्रयोगों में शायद ही कभी किया जाता है।

यदि MMU उपलब्ध है, तो समझौता किया जा सकता है:



कई "स्ट्रीमिंग" RTOS स्मृति को अनधिकृत पहुंच से बचाने के लिए MMUs का समर्थन करते हैं। इस प्रकार, जबकि कार्य संदर्भ में है, केवल इसके कोड / डेटा का एक हिस्सा और आरटीओएस के आवश्यक अनुभाग "दृश्यमान" हैं; शेष मेमोरी ब्लॉक अक्षम हैं, और एक एक्सेस प्रयास आपातकालीन (सामान्य लोगों के लिए) / अपवाद (प्रोग्रामर के लिए) का कारण होगा। यह संदर्भ को थोड़ा और मुश्किल बनाता है, लेकिन एप्लिकेशन स्वयं अधिक सुरक्षित है। इस मोड को "थ्रेड प्रोटेक्टेड मोड" या "लाइटवेट प्रोसेस मोड" कहा जा सकता है।

योजनाकारों

जैसा कि हम जानते हैं, प्रत्येक कार्य को पूरा करने के लिए प्रोसेसर समय आवंटित करके कार्यों के एक साथ निष्पादन का भ्रम प्राप्त होता है। यह कर्नेल का मुख्य कार्य है। कार्यों के बीच समय के वितरण की विधि को "नियोजन" कहा जाता है। समयबद्धक - सॉफ्टवेयर जो निर्धारित करता है कि नियंत्रण को स्थानांतरित करने के लिए कौन सा अगला कार्य है। शेड्यूलर और तंत्र का तर्क जो निर्धारित करता है कि कब और क्या निष्पादित किया जाना चाहिए, नियोजन एल्गोरिदम है। इस खंड में, हम कई योजना एल्गोरिदम को देखते हैं। कार्य योजना एक व्यापक विषय है, और कई किताबें इसके लिए समर्पित हैं। हम यह समझने के लिए आवश्यक न्यूनतम प्रदान करेंगे कि कोई विशेष आरटीओएस इस संबंध में क्या पेशकश कर सकता है।

रन पूरा करने के लिए समयबद्धक (आरटीसी)

RTC अनुसूचक (रन-टू-पूरा) बहुत सरल है और न्यूनतम संसाधनों का उपभोग करता है। यह एक आदर्श सेवा है यदि यह एप्लिकेशन की आवश्यकताओं को पूरा करता है। नीचे RTC अनुसूचक का उपयोग कर एक सिस्टम के लिए एक ग्राफ है:



अनुसूचक प्रत्येक कार्य के शीर्ष-स्तरीय कार्यों को लागू करता है। कार्य प्रोसेसर को नियंत्रित करता है (इसे बाधित करता है) जब तक कि शीर्ष-स्तरीय फ़ंक्शन रिटर्न स्टेटमेंट रिटर्न को निष्पादित नहीं करता है। यदि RTOS कार्यों के निलंबन का समर्थन करता है, तो वर्तमान में निलंबित किए गए किसी भी कार्य को निष्पादित नहीं किया जाता है। इस विषय पर नीचे दिए गए लेख में चर्चा की गई है, "एक कार्य को रोकें" देखें।

RTC अनुसूचक का एक बड़ा फायदा, सादगी के अलावा, एक एकल स्टैक और कोड की पोर्टेबिलिटी है (असेंबली की आवश्यकता नहीं है)। नकारात्मक पक्ष यह है कि कार्य प्रोसेसर को "ले" सकता है, इसलिए कार्यक्रम का सावधानीपूर्वक विकास आवश्यक है। इस तथ्य के बावजूद कि हर बार कार्य शुरुआत से किया जाता है (अन्य अनुसूचियों के विपरीत जो आपको रोक स्थान से काम शुरू करने की अनुमति देते हैं), आप स्थैतिक "राज्य" चर की मदद से अधिक लचीलापन प्राप्त कर सकते हैं जो प्रत्येक बाद के कॉल के तर्क को निर्धारित करते हैं।

शेड्यूलर राउंड रॉबिन (RR)

आरआर अनुसूचक ("हिंडोला") आरटीसी के समान है, लेकिन अधिक लचीला और इसलिए अधिक जटिल है:



हालांकि, आरआर शेड्यूलर के मामले में, कार्य को शीर्ष-स्तरीय फ़ंक्शन में रिटर्न स्टेटमेंट को निष्पादित करने की आवश्यकता नहीं है। वह किसी भी समय आरटीओएस कॉल करके प्रोसेसर को मुक्त कर सकता है। यह कॉल कर्नेल को वर्तमान कार्य (स्टैक पॉइंटर और कमांड पॉइंटर सहित सभी रजिस्टर) के संदर्भ को बचाने और अगले कार्य के संदर्भ को कतार में लोड करने का कारण बनता है। कुछ RTOS में, कर्नेल संसाधन की उपलब्धता की प्रत्याशा में प्रोसेसर को मुक्त किया जा सकता है (कार्य को रोक सकता है)। यह अधिक जटिल है, लेकिन सिद्धांत समान है।

आरआर अनुसूचक का लचीलापन आवेदन कोड में परिवर्तन किए बिना, निलंबन के क्षण से कार्यों को जारी रखने की क्षमता से निर्धारित होता है। लचीलेपन के लिए आपको कोड की कम पोर्टेबिलिटी और प्रत्येक कार्य के लिए एक अलग स्टैक का भुगतान करना होगा।

समय टुकड़ा समयबद्धक (टीएस)

शेड्यूलर टीएस (टाइम स्लाइस - "टाइम स्लाइस") आरआर से अधिक जटिल स्तर तक। समय को स्लॉट्स (अंतराल, समय स्लाइस) में विभाजित किया गया है, जहां प्रत्येक कार्य को उसके निर्धारित अंतराल के भीतर किया जा सकता है:



प्रोसेसर को स्वेच्छा से मुक्त करने की क्षमता के अलावा, सिस्टम टाइमर इंटरप्ट हैंडलर द्वारा निष्पादित अनुसूचक को कॉल करके कार्य को बाधित किया जा सकता है। प्रत्येक कार्य के लिए एक निश्चित समयावधि निर्दिष्ट करने का विचार बहुत ही आकर्षक है (जहाँ संभव हो): यह समझना आसान है, और यह बहुत ही अनुमानित है।
टीएस अनुसूचक का नुकसान यह है कि प्रत्येक कार्य के लिए आवंटित सीपीयू समय का प्रतिशत भिन्न हो सकता है, यह इस बात पर निर्भर करता है कि क्या अन्य कार्य निलंबित हैं और स्लॉट के अन्य भाग स्वतंत्र हैं:



यदि पृष्ठभूमि में कार्य कार्यान्वित किए जाते हैं तो TS अनुसूचक अधिक पूर्वानुमानित हो सकता है। पृष्ठभूमि कार्य किसी भी निलंबित कार्य के बजाय किया जा सकता है और कार्य जारी होने पर समय अंतराल ले सकता है (या खुद को रोक देता है)।



जाहिर है, बैकग्राउंड टास्क को टाइम-क्रिटिकल काम नहीं करना चाहिए, क्योंकि इसमें आवंटित प्रोसेसर टाइम का हिस्सा बिल्कुल अप्रत्याशित है: इसे कभी शेड्यूल नहीं किया जा सकता।

ऐसा समाधान मानता है कि प्रत्येक कार्य भविष्यवाणी कर सकता है कि यह फिर से कब नियोजित किया जाएगा। उदाहरण के लिए, यदि आपके पास 10 एमएस और 10 कार्यों के लिए स्लॉट हैं, तो कार्य जानता है कि यदि इसे मुक्त कर दिया जाता है, तो यह 100 एमएस पर निष्पादित होता रहेगा। इस समाधान के साथ, आप एप्लिकेशन कार्यों के लिए समय चक्रों (समय) के अधिक लचीले विन्यास को प्राप्त कर सकते हैं।
RTOS प्रत्येक कार्य के लिए अलग-अलग समय स्लॉट प्रदान कर सकता है। यह अधिक लचीलापन प्रदान करता है, लेकिन एक निश्चित अंतराल आकार के साथ भी अनुमानित है। एक अन्य विकल्प समान कार्य के लिए एक से अधिक अंतराल आवंटित करना है, यदि आपको आवंटित प्रोसेसर समय के अनुपात में वृद्धि करने की आवश्यकता है।

प्राथमिकता समयबद्धक

अधिकांश RTOS प्राथमिकता-आधारित योजना का समर्थन करते हैं। यह विचार सरल है: प्रत्येक कार्य को प्राथमिकता दी जाती है, और किसी भी समय जिस कार्य में सर्वोच्च प्राथमिकता होती है और निष्पादन के लिए "तैयार" होता है, उसे प्रोसेसर में स्थानांतरित कर दिया जाता है:



शेड्यूलर तब शुरू होता है जब कोई घटना होती है (उदाहरण के लिए, एक विशिष्ट कर्नेल सेवा के लिए एक बाधा या कॉल) जो एक कार्य को "प्राथमिकता" बनने के लिए उच्च प्राथमिकता के साथ मजबूर करती है। तीन परिस्थितियां हैं जिनके तहत अनुसूचक काम करना शुरू करता है:
• कार्य निलंबित है; शेड्यूलर को अगले कार्य का समय निर्धारित करना चाहिए।
• एक कार्य एक उच्च प्राथमिकता कार्य (एपीआई कॉल का उपयोग करके) तैयार करता है।
• एक बाधा हैंडलर (इंटरप्ट सर्विस रूट, ISR) एक उच्च प्राथमिकता वाला कार्य तैयार करता है। यह I / O डिवाइस के लिए एक बाधा हैंडलर या सिस्टम टाइमर का परिणाम हो सकता है।
प्राथमिकता स्तर की संख्या भिन्न होती है (8 से कई सौ तक), थ्रेसहोल्ड मान भी भिन्न होते हैं: कुछ आरटीओएस 0 के रूप में सर्वोच्च प्राथमिकता का अनुभव करते हैं, जबकि अन्य में 0 सबसे कम प्राथमिकता को दर्शाता है।
कुछ आरटीओएस प्रत्येक प्राथमिकता के स्तर पर केवल एक कार्य की अनुमति देते हैं; अन्य कुछ की अनुमति देते हैं, जो संबंधित डेटा संरचनाओं को बहुत जटिल करता है। कई ऑपरेटिंग सिस्टम आपको रन टाइम पर कार्यों की प्राथमिकताओं को बदलने की अनुमति देते हैं, जो आगे की प्रक्रियाओं को जटिल बनाता है।

समग्र शेड्यूलर

हमने कई योजनाकारों की जांच की, हालांकि, कई वाणिज्यिक आरटीओएस और भी अधिक परिष्कृत समाधान प्रदान करते हैं जिनमें एक ही बार में कई एल्गोरिदम की विशेषताएं हैं। उदाहरण के लिए, एक आरटीओएस प्रत्येक प्राथमिकता स्तर पर कई कार्यों का समर्थन कर सकता है और फिर उच्चतम स्तर पर कई तैयार कार्यों के बीच के समय को विभाजित करने के लिए टीएस का उपयोग करता है।

कार्य बताता है

किसी भी समय, केवल एक कार्य किया जाता है। इन्टर हैंडलर पर खर्च किए गए प्रोसेसर समय (अगले लेख में इस पर अधिक) या अनुसूचक के अलावा, "वर्तमान" कार्य वह है जिसका कोड वर्तमान में निष्पादित हो रहा है और जिसका डेटा वर्तमान रजिस्टर मानों द्वारा विशेषता है। अन्य कार्य हो सकते हैं जो लॉन्च के लिए "तैयार" हैं, और उन्हें शेड्यूलर द्वारा ध्यान में रखा जाएगा। RTC, RR, या TS शेड्यूलर का उपयोग करते हुए एक सरल RTOS में, यह सब है। लेकिन अधिक बार, और हमेशा प्राथमिकता वाले शेड्यूलर के साथ, कार्य एक निलंबित स्थिति में भी हो सकते हैं, जिसका अर्थ है कि उन्हें शेड्यूलर द्वारा ध्यान में नहीं लिया जाता है जब तक कि वे फिर से शुरू नहीं होते हैं और "तत्परता" की स्थिति में जाते हैं।

किसी कार्य को रोकें

किसी कार्य को रोकना काफी सरल हो सकता है: कार्य अपने आप रुक जाता है (एपीआई को कॉल करके) या कोई अन्य कार्य रोक देता है। एक अन्य एपीआई कॉल के माध्यम से, एक निलंबित कार्य को दूसरे कार्य या बाधित हैंडलर द्वारा फिर से शुरू किया जा सकता है। यह एक "बिना शर्त" या "शुद्ध" निलंबन है। कुछ ऑपरेटिंग सिस्टम इस कार्य को "सो" कहते हैं।

RTOS एक निश्चित अवधि के लिए कार्य को रोकने (सो जाने) की क्षमता प्रदान कर सकता है, जिसके बाद यह (सिस्टम घड़ी के अनुसार) फिर से शुरू होता है। इसे "सोते हुए गिरना" कहा जा सकता है।

यदि RTOS "अवरुद्ध" API कॉल का समर्थन करता है, तो अधिक परिष्कृत निलंबन का उपयोग किया जा सकता है। इस तरह के कॉल से कार्य को किसी सेवा या संसाधन का अनुरोध करने की अनुमति मिलती है जो उपलब्ध होने पर तुरंत प्राप्त होगी। अन्यथा, यह तब तक निलंबित रहेगा जब तक यह उपलब्ध नहीं हो जाता। टाइमआउट को परिभाषित किया जा सकता है, जिस पर कार्य फिर से शुरू होता है यदि संसाधन एक निश्चित अवधि के लिए अनुपलब्ध हो।

अन्य कार्य बताता है

कई आरटीओएस अन्य राज्यों का समर्थन करते हैं, लेकिन अवधारणाएं और परिभाषाएं व्यापक रूप से भिन्न होती हैं। उदाहरण के लिए, राज्य "समाप्त" है, जिसका अर्थ है कि कार्य का बाहरी कार्य समाप्त हो गया है (या तो कोड को वापस करके या केवल बाहरी फ़ंक्शन ब्लॉक को पूरा करके)। पूर्ण कार्य को फिर से शुरू करने के लिए, इसे संभवतः किसी तरह रीसेट करना होगा।

एक अन्य विकल्प समाप्त राज्य है। यह पूर्ण निलंबन (शुद्ध) के समान है, सिवाय इसके कि कार्य को पुनः आरंभ करने के लिए रीसेट किया जाना चाहिए।

यदि RTOS कार्यों के गतिशील निर्माण और विलोपन का समर्थन करता है (निम्न लेख देखें), तो यह कार्य के एक अन्य संभावित स्थिति का अर्थ है - "हटा दिया गया"।

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: blogs.mentor.com/colinwalls , ई-मेल: colin_walls@mentor.com

चक्र के पहले और दूसरे लेख यहां पोस्ट किए गए हैं।