Архитектура и администрирование систем реального времени

Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1 – 21/01
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
----------------------------------------------------------------------------------------------------
УТВЕРЖДАЮ ......................
Декан АВТФ
__________ С.А.Гайворонский
« ____ » _____________2009 г.
АРХИТЕКТУРА И АДМИНИСТРИРОВАНИЕ
СИСТЕМ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ
Рабочая программа для специальности 010501 «Прикладная математика и информатика»
Факультет Автоматики и вычислительной техники
Обеспечивающая кафедра Прикладная математики
Курс пятый
Семестр осенний
Учебный план набора 2005 года с изменениями ______ года
Распределение учебного времени
Лекции, часов
Лабораторные занятия, часов
Практические, семинарские занятия, часов
Всего аудиторных занятий, часов
Самостоятельная (внеаудиторная) работа, часов
Общая трудоемкость, часов
Форма контроля
Томск 2009
36
54
–
90
90
198
Экзамен
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1 – 21/01
ПРЕДИСЛОВИЕ
1. Рабочая программа составлена на основе ГОС по специальности 010200 «Прикладная
математика и информатика», утвержденного Министерством Образования РФ 23.03.2000г.
№199ен/сп и стандарта СТП ТПУ 2.4.01-02 «Система образовательных стандартов. Рабочая
программа учебной дисциплины. Общие требования к содержанию и оформлению».
РАССМОТРЕНА и ОДОБРЕНА на заседании
протокол № _____ от ____________2009г.
кафедры Прикладной математики,
2. Разработчик:
доцент кафедры прикладной математики _______________ В.П.Зимин
3. Зав. кафедрой прикладной математики
_______________ В.П.Григорьев
4. Рабочая программа СОГЛАСОВАНА с выпускающей кафедрой
СООТВЕТСТВУЕТ действующему плану.
Зав. кафедрой прикладной математики
специальности;
________________ В.П.Григорьев
АННОТАЦИЯ
АРХИТЕКТУРА И АДМИНИСТРИРОВАНИЕ СИСТЕМ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ
010500(б) – 010501(с) – 010502(м) – 010503(м)
Каф. ПМ АВТФ
Доцент, к.т.н. Зимин Вячеслав Прокопьевич
тел (3822)426100, e-mail zimin@ido.tpu.ru
Цель: теоретическое изучение и практическое освоение операционной системы реального
времени QNX4 и системы проектирования программного обеспечение SCADA-системы
Realflex.
Содержание: архитектура и администрирование операционных систем реального времени,
основы проектирования программного обеспечения АСУТП с помощью SCADA-систем.
Курс – 5 (9 сем – экзамен)
Всего – 198 ч., в т.ч. Лк - 36 ч., Лб – 54 ч., Пр – нет
Документ: Рабочая программа
Дата разработки: «01» сентября 2008г.
2
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1 – 21/01
1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
1.1. Цели преподавания дисциплины
Эффективность современного производства в значительной мере зависит от
достигнутого уровня развития системы управления как административно-хозяйственной
деятельностью, так и системы управления производственными процессами. Современный
этап развития современного производства требует применения технологии распределенных
систем обработки данных и управления. При этом при создании систем автоматизации
технологическими процессами применяются операционные системы реального времени и
SCADA-системы. Последние позволяют создавать (проектировать) и эксплуатировать
программное обеспечение автоматизированных систем технологическими процессами (АСУ
ТП).
Поэтому основными целями преподавания дисциплины являются, во-первых, изучение
архитектуры (модели) и администрирования операционных систем реального времени (ОС
РВ) и практическое освоение одной их таких ОС – QNX4. Во-вторых, практическое освоение
процесса проектирования программного обеспечения АСУ сложных технологических
процессов и объектов, используя для этого современные информационные технологии, в
частности одну из SCADA-систем RealFlex, которая функционирует под ОС РВ QNX.
1.2. Задачи изложения и изучения дисциплины
Поставленные цели изучения дисциплины обеспечиваются посредством чтения лекций
и закреплением теоретических знаний при проведении лабораторных работ, а также в
процессе самостоятельной познавательной деятельности студентов при подготовке к
лабораторным работам и экзамену.
При изучении данной дисциплины необходимо знание курсов «Информатика»,
«Системное и прикладное программное обеспечение» и «Администрирование
вычислительных сетей и систем».
2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
2.1. Содержание лекций (36 часов)
Тема 1. Введение (4 часа)
Характеристика применения вычислительной техники (ВТ) и информационных
технологий (ИТ) с целью автоматизации процессов в различных областях человеческой
деятельности.
Два класса операционных систем (ОС): ОС общего назначения и ОС реального
времени. Краткая характеристика данных ОС.
Четыре примера автоматизируемых процессов с существенно различными
характерными временами: управление ядерным реактором; управление трактом
топливоподачи
угольных станций; управление биотехнологическим процессом
(изготовление кваса, пива); исследование реакции нервной системы человека.
Тема 2. Основные понятия и обзор ОС РВ (4 часа)
Вычислительная система (ВС), управляющий вычислительный комплекс (УВК).
Структура и режимы их работы.
Программное обеспечение УВК.
Программное обеспечение ВС.
Документ: Рабочая программа
Дата разработки: «01» сентября 2008г.
3
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1 – 21/01
Операционная среда.
Единицы работы вычислительной системы. Задания, подзадания, задачи, процессы,
подпроцессы, нити. Группирование процессов.
Время переключения контекста. Время задержки прерывания.
Механизмы реального времени: планирование задач; межзадачное взаимодействие;
работа задач с ОЗУ.
Архитектура микроядра. Модульный принцип. Масштабируемость. Аппаратная
поддержка. Работа в вычислительных сетях. Соответствие стандартам.
Обзор ОС РВ: «мягкое» и «жесткое» реальное время.
Тема 3. Операционные системы реального времени QNX и Linux
(12 часов)
Архитектура ОС. Классификация ОС.
Операционная система Linux: специальные расширения для реального времени.
Операционная система QNX. Основные характеристики.
Тема 4. Администрирование ОС РВ QNX (8 часов)
Инсталляция ОС QNX на жесткий диск.
Инсталляция дополнительного программного обеспечения.
Системный инициализационный файл sysinit.nnn.
Лицензирование. Лицензирование приложений.
Назначение логических номеров узлам сети.
Конфигурирование загрузочного сервера.
Конфигурирование рабочих станций.
Установка счетов пользователей. Безопасность.
Пользовательские и групповые идентификаторами (ID’s).
Файлы расчетов.
Тема 5. Архитектура и администрирование SCADA-систем под ОС РВ QNX (8 часов)
SCADA-система: основные понятия, характерные особенности, дополнительные
возможности.
Эволюция SCADA-систем под ОС РВ QNX: RealFlex, Sitex, Phocus.
Характеристики базового и дополнительного пакетов RealFlex.
Характеристики SCADA-системы Sitex.
Характеристики SCADA-системы Phocus/OPUS.
2.2. Содержание лабораторных занятий (54 часа)
1. Базовые сведения по ОС QNX (4 часа).
2. Временное планирование выполнения фоновых задач в операционной системе
QNX (4 часа).
3. Организация доступа к файлам операционной системы DOS из операционной
системы QNX (6 часов).
4. Базовые сведения по системному администрированию операционной системы
QNX (4 часа).
5. Быстрое освоение QNX Windows (2 часа).
6. Освоение технологии работы оператора в RealFlex (8 часов).
7. Создание базы данных в RealFlex (6 часов).
8. Создание статической части мнемосхемы в RealFlex (6 часов).
9. Создание динамической части мнемосхемы в RealFlex (4 часа).
Документ: Рабочая программа
Дата разработки: «01» сентября 2008г.
4
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1 – 21/01
10. Программирование в RealFlex на языке Superkey (10 часов).
3. ПРОГРАММА САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПОЗНАВАТЕЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
Содержание самостоятельной работы состоит в проработке теоретического материала,
связанного с лекционным курсом и в подготовке к лабораторным занятиям – в изучении
теоретического раздела выполняемой работы. Лабораторные работы разбиты на 2 блока:
лабораторные работы, связанные с операционной системой реального времени QNX и
лабораторные работы связанные с интегрированным пакетом RealFlex.
4. ТЕКУЩИЙ И ИТОГОВЫЙ КОНТРОЛЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗУЧЕНИЯ
ДИСЦИПЛИНЫ
С целью контроля результатов изучения дисциплины организуется текущая оценка
знаний студентов теоретического и практического материала два раза в семестр (8 и 16
недели) согласно положению о рейтинговой оценке знаний студентов.
Текущий контроль осуществляется по лабораторным работам в виде их защиты с
оценкой от 0 до 140 баллов. По теоретической части итоговый контроль осуществляется в
виде экзамена – от 0 до 150 баллов. Рейтинговая оценка всего материала дисциплины – 1000
баллов.
Перечни теоретических вопросов для проверки знаний представлены в
соответствующих банках контрольных материалов.
4.1. Банк данных теоретических вопросов
Тема 1. Введение. Характеристика применения вычислительной техники (ВТ) и
информационных технологий (ИТ) с целью автоматизации процессов в различных
областях человеческой деятельности.
1. Два класса операционных систем.
Четыре примера автоматизируемых процессов (объектов).
2. Управление ядерным реактором, получение тепловой и электрической энергии.
3. Управление трактом топливоподачи угольной ТЭЦ.
4. Управление биотехнологическим процессом (изготовление кваса).
5. Экспериментальные исследования, связанные с нервной системой человека.
Тема 2. Основные понятия и обзор ОС РВ.
1. Вычислительная система (ВС).
2. Управляющий вычислительный комплекс (УВК).
3. Структура ВС, УВК и режимы их работы.
4. Устройство сопряжения с объектом УВК ввода аналоговых сигналов.
5. Устройство сопряжения с объектом УВК вывода аналоговых сигналов.
6. Устройство сопряжения с объектом УВК ввода дискретных (цифровых) сигналов.
7. Устройство сопряжения с объектом УВК вывода дискретных (цифровых) сигналов.
8. Программное обеспечение УВК.
9. Операционная среда.
10. Единицы работы вычислительной системы. Задания, подзадания.
11. Задачи, процессы, подпроцессы, нити.
12. Время переключения контекста. Время задержки прерывания.
13. Группирование процессов.
14. Механизмы реального времени: планирование задач; межзадачное
взаимодействие; работа задач с ОЗУ.
15. Архитектура микроядра. Модульный принцип. Масштабируемость.
Документ: Рабочая программа
Дата разработки: «01» сентября 2008г.
5
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1 – 21/01
16. Аппаратная поддержка. Работа в вычислительных сетях. Соответствие стандартам.
17. Обзор ОС РВ: «мягкое» и «жесткое» реальное время.
Тема 3. Операционные системы реального времени QNX и Linux.
1. Функции и принципы построения ОС.
2. Операционная система QNX. Основные характеристики.
3. Операционная система Linux: специальные расширения для реального времени.
Организация связи между процессами в ОС QNX.
4. Функции микроядра.
Связь между процессами (IPC).
IPC посредством сообщений.
5. Примитивы передачи сообщений.
6. Синхронизация процессов.
7. Состояние блокировки.
8. Использование функций Send(), Receive() и Reply().
9. Reply–управляемая передача сообщений.
10. IPC посредством proxy.
11. IPC посредством сигналов: Генерация сигналов; Прием сигналов; Примеры
сигналов.
Межпроцессовые коммуникации (IPC) в сети.
12. Виртуальные цепи.
13. Виртуальные процессы.
14. Разрыв виртуальных цепей.
15. Планирование процессов: Когда выполняется планирование; Приоритеты
процессов.
16. Методы планирования: Планирование по методу FIFO; Циклическое
планирование; Адаптивное планирование.
17. Приоритет, управляемый обслуживаемым процессом (клиентом).
Тема 4. Администрирование ОС РВ QNX.
1. Инсталлирование QNX на жесткий диск. Инсталляция дополнительного
программного обеспечения.
2. Системный инициализационный файл.
3. Лицензирование. Лицензирование приложений.
4. Назначение логических номеров узлов. Пример файла netmap.
5. Установка счетов пользователей.
Тема 5. Архитектура и администрирование SCADA-систем под ОС РВ QNX.
1. Основные понятия и функции SCADA-систем.
1Характерные особенности SCADA-систем.
2. Отображение объектов и анимация.
3. Обработка особых состояний.
4. Протоколирование и графики.
5. Управление переменными (тэгами).
6. Реализация алгоритмов.
7. Управление вводом-выводом.
8. Управление доступом.
2Дополнительные возможности SCADA-систем.
9. Построение распределенных систем.
1
2
Данную подтему необходимо изучить самостоятельно.
Данную подтему необходимо изучить самостоятельно
Документ: Рабочая программа
Дата разработки: «01» сентября 2008г.
6
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1 – 21/01
10. Обмен с внешними приложениями.
11. Взаимодействие с СУБД.
12. Использование сети Internet.
SCADA-системы под ОС РВ QNX
13. Эволюция SCADA-систем под ОС РВ QNX: RealFlex, Sitex, Phocus.
14. Характеристики базового пакета RealFlex.
15. Характеристики дополнительных пакетов RealFlex.
15. 3Характеристики SCADA-системы Sitex.
16. 4Характеристики SCADA-системы Phocus/OPUS.
4.2. Образцы экзаменационных билетов
Томский политехнический университет
Экзаменационный билет № 2
По дисциплине Архитектура и администрирование систем реального времени
Факультет АВТ
Курс V
1. Устройство сопряжения с объектом УВК вывода дискретных (цифровых) сигналов.
2. Состояние блокировки в ОС QNX.
Утверждаю: Зав. кафедрой _________________ «____»_____________2008г.
________________________________________________________________________________________________
Томский политехнический университет
Экзаменационный билет № 6
По дисциплине Архитектура и администрирование систем реального времени
Факультет АВТ
Курс V
1. Устройство сопряжения с объектом УВК ввода дискретных (цифровых) сигналов.
2. Синхронизация процессов в ОС QNX.
Утверждаю: Зав. кафедрой _________________
«____»_____________2008г.
________________________________________________________________________________________________
Томский политехнический университет
Экзаменационный билет № 12
По дисциплине Архитектура и администрирование систем реального времени
Факультет АВТ
Kурс V
1. Устройство сопряжения с объектом УВК вывода аналоговых сигналов.
2. Примитивы передачи сообщений в ОС QNX.
Утверждаю: Зав. кафедрой _________________ «____»_____________2008г.
________________________________________________________________________________________________
Томский политехнический университет
Экзаменационный билет № 18
По дисциплине Архитектура и администрирование систем реального времени
Факультет АВТ
Курс V
1. Устройство сопряжения с объектом УВК ввода аналоговых сигналов.
2. Функции микроядра ОС QNX.
Утверждаю: Зав. кафедрой _________________
3
4
«____»_____________2008г.
Данный вопрос необходимо изучить самостоятельно
Данный вопрос необходимо изучить самостоятельно
Документ: Рабочая программа
Дата разработки: «01» сентября 2008г.
7
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1 – 21/01
5. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
5.1. Компьютерные программы
1. Операционная система реального времени QNX и системные программы для
данной ОС.
2. Графический интерфейс пользователя QNX Windows стандарта OPEN LOOK и
microGUI Photon.
3. Интегрированный пакет RealFlex под ОС QNX для разработки программного
обеспечения АСУТП.
5.2. Перечень рекомендуемой литературы
4. Управляющие вычислительные комплексы: Учебное пособие / Под ред.
Н.Л. Прохорова.– 3-е изд. перераб. и доп.– М: Финансы и статистика, 2003.– 352с.
5. Ермишин В.В. Системное программное обеспечение. Часть 1. Операционные
системы локального компьютера: Учебное пособие.– Саратов, Сарат. гос. техн. ун-т, 2003. –
136с.
6. Зыль С. Н. Операционная система реального времени QNX: от теории к практике.–
2-е изд., перераб. и доп. — СПб. : БХВ-Петербург, 2004.– 191 с.
7. Зыль С. Н. QNX Momentics: основы применения. – СПб.: БХВ-Петербург, 2005. –
256 с.
8. Практика работы с QNX / Д. Алексеев, Е. Ведревич, А. Волков и др.– М.: КомБук,
2004.– 431 с.
9. Кертен Р. Введение QNX Neutrino 2: руководство для разработчиков приложений
реального времени: пер. с англ.– СПб. : БХВ-Петербург, 2005.– 385 с.
10. Операционная система реального времени QNX Neutrino 6.3. Системная
архитектура: Пер. с англ.– СПб.: БХВ-Петербург, 2006.– 336с.
11. Дунаев С. UNIX сервер. Настройка, конфигурирование, работа в операционной
среде, Internet-возможности. Т. 1. Общее руководство по системе.– М.: «Диалог-МИФИ»,
1999.– 304с.
12. Документация по ОС QNX и GUI Photon.
13. Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика.– 2000-2009.
14. Промышленные АСУ и контроллеры.– 2000-2009.
15. Мир компьютерной автоматизации.– 1995-2009.
16. Web-сайт фирмы Quantum Software System Ltd., разработчика операционной
системы QNX.– Режим доступа: http://www.qnx.com, вход свободный.
17. Web-сайт дилера операционной системы QNX в России.– Режим доступа:
http://www.swd.ru, вход свободный.
18. Web-сайт дилера и разработчика SCADA-систем под ОС QNX в России.– Режим
доступа: http://www.nautsilus.ru, вход свободный.
19. Web-сайт с информацией об ОС QNX и ее применениях.– Режим доступа:
qnx.org.ru, вход свободный.
20. QNX6
–
Systemarchitecture.–
Режим
доступа:
http://www.bitctrl.com/qnx/qnx6_sysarch/qnx6_sysarch_7.htm, вход свободный.
Вся рекомендуемая литература, изданная типографским способом, имеется в
библиотеке ТПУ. Рекомендуемая литература по операционной системе QNX,
интегрированному пакету RealFlex, а также методические указания к проведению
лабораторных работ, имеются на кафедре прикладной математики.
Документ: Рабочая программа
Дата разработки: «01» сентября 2008г.
8