4. Структура и содержание дисциплины СИСТЕМЫ РЕАЛЬНОГО

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Факультет компьютерных наук и информационных технологий
УТВЕРЖДАЮ
___________________________
"__" __________________20__ г.
Рабочая программа дисциплины
СИСТЕМЫ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ
Направление подготовки
230100 – Информатика и вычислительная техника
Профессионально-образовательная программа
Сети ЭВМ и телекоммуникации
Квалификация (степень) выпускника
Магистр
Форма обучения
Очная
Саратов,
2013
1. Цели освоения дисциплины
Целями освоения дисциплины «Системы реального времени» являются
обучение студентов систематизированному представлению о базовых принципах функционирования и методах разработки систем реального времени,
навыкам разработки приложений в операционных системах реального времени.
2. Место дисциплины в структуре ООП магистратуры
Данная учебная дисциплина входит в раздел «Профессиональный цикл.
Вариативная часть» ФГОС-3. Является дисциплиной по выбору.
Для изучения дисциплины необходимы знания и умения в области:
 теории операционных систем;
 системного программного обеспечения;
 аппаратно-программной организации ЭВМ;
 теории автоматов.
Компетенции, сформированные при изучении данной дисциплины могут быть полезны обучающимся для дальнейшей научной и профессиональной деятельности.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины НАИМЕНОВАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Данная дисциплина способствует формированию следующих компетенций:
способен совершенствовать и развивать свой интеллектуальный и общекультурный уровень (ОК-1);
способен к самостоятельному обучению новым методам исследования,
к изменению научного и научно-производственного профиля своей профессиональной деятельности (ОК-2);
способен свободно пользоваться русским и иностранным языками, как
средством делового общения (ОК-3);
использует на практике умения и навыки в организации исследовательских и проектных работ, в управлении коллективом (ОК-4);
способен самостоятельно приобретать с помощью информационных
технологий и использовать в практической деятельности новые знания и
умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных
со сферой деятельности (ОК-6);
способен к профессиональной эксплуатации современного оборудования и приборов (в соответствии с целями магистерской программы) (ОК-7).
применять перспективные методы исследования и решения профессиональных задач на основе знания мировых тенденций развития вычислительной техники и информационных технологий (ПК-1);
разрабатывать и реализовывать планы информатизации предприятий и
их подразделений на основе Web- и CALS-технологий (ПК-3);
формировать технические задания и участвовать в разработке аппаратных и/или программных средств вычислительной техники (ПК-4);
применять современные технологии разработки программных комплексов с использованием CASE-средств, контролировать качество разрабатываемых программных продуктов (ПК-6);
организовывать работу и руководить коллективами разработчиков аппаратных и/или программных средств информационных и автоматизированных систем (ПК-7).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
- знать:
 принципы организации вычислительных процессов в цифровых информационно-управляющих системах, работающих в реальном масштабе времени;
 принципы функциональной организации операционных систем реального времён (ОСРВ);
 взаимосвязь программных и аппаратных средств в системах реального
времени (СРВ);
 принципы соответствия времени реакции в управляемых СРВ процессах, с потенциальным временем реакции СРВ на внешние события;
 методы управления памятью и синхронизации взаимодействующих
процессов в системах реального времени;
 принципы контроля достоверности обработки информации в СРВ;
 основные теоретические методы построения и анализа СРВ;
- уметь:
 разрабатывать математические модели процессов и объектов функционирующих в режиме реального времени, методы их исследования, выполнять их сравнительный анализ;
 рассчитывать и анализировать характеристики и показатели эффективности систем реального времени с позиции программиста-аналитика;
 применять системные средства операционных систем при разработке
программ для систем реального времени;
 проектировать и реализовывать детерминированные во времени программные решения
 планировать, организовывать и проводить научные исследования;
- владеть:
 методами и средствами реализации приложений в ОСРВ;
 методами и средствами реализации программных решений в СРВ на
основе микроконтроллеров;
 методами и средствами кросскомпиляции для сборки программных
решений под целевые архитектуры;
 методами и средствами обработки асинхронных событий для реализации минимального времени отклика на внешние события
 методами поиска в научно-технической сфере;
 методиками сбора, переработки и представления научно-технических
материалов по результатам исследований к опубликованию в печати, а
также в виде обзоров, рефератов, отчётов, докладов и лекций.
4. Структура и содержание дисциплины СИСТЕМЫ РЕАЛЬНОГО
ВРЕМЕНИ
Общая трудоёмкость дисциплины составляет 4 зачётных единицы, 144
часа.
№
п/п
Раздел дисциплины
1
1
2
Введение в предмет и
задачи систем реального времени (СРВ)
Концепции построения СРВ и стандарты
операционных систем
реального времени
(ОСРВ)
Управление прерываниями и временем в
СРВ
Управление процессами в ОСРВ
Методы и средства
межпроцессного взаимодействиях в ОСРВ
Архитектуры аппаратных средств и их
роль для реализации
СРВ
Управление памятью
2
3
4
5
6
7
Семестр
Неделя семестра
3
4
Виды учебной работы, включая самостоятельную работу
студентов и трудоёмкость (в часах)
Са
Ла
мо
босто
раВсеяте
Ле тор
го
ль
кц ны
чана
ии
е
сов
я
зараняботия
та
5
6
7
8
6
2
2
2
4
1
4
2
10
2
2
6
4
3
10
2
2
6
4
4
9
2
2
5
4
5
10
2
2
6
4
6
7
2
2
3
4
7
8
2
2
4
Формы текущего
контроля успеваемости (по неделям семестра)
Формы промежуточной аттестации (по семестрам)
9
Контрольная работа №1
8
9
10
в СРВ и ОСРВ
Управление устрой4
ствами ввода-вывода
в СРВ
Проблемы автомати4
ческого управления в
задачах СРВ
Методы синтеза, те4
стирования и верификации СРВ
Промежуточная аттестация
ИТОГО
8
10
2
2
6
9
10
2
2
6
10
10
2
2
6
144
20
20
50
Контрольная работа №2
Экзамен
54
РАЗДЕЛ 1. Введение в предмет и задачи систем реального времени
Тема 1.1. Определение системы реального времени
Основные этапы развития информационно-управляющих систем реального времени (СРВ). Типичные времена реакции на внешние события
управляемые СРВ. Примеры типовых систем реального времени.
Тема 1.2. Определение операционной системы реального времени
Современный уровень развития СРВ. Компромисс между общей производительностью вычислительной системы и временем реакции на внешние
события, которое она способна обеспечить. Определение операционной системы реального времени (ОСРВ). Основные области применения ОСРВ и
особенности оборудования, на котором работают ОСРВ.
Тема 1.3. Аппаратные платформы, применяемые в СРВ
Эволюция и роль промышленных аппаратных платформ (ISA, VMEbus,
PC/104, CompactPCI, VXI, PXI и др.) и микроконтроллеров (MCS 51, AVR,
PIC, ARM и др.), применяемых для реализации СРВ. Обзор промышленных
коммуникационных интерфейсов и протоколов (Modbus, HART, CAN и др.),
промышленных шин для построения сетей (Profibus, CAN, промышленный
Ethernet и др.)
РАЗДЕЛ 2. Концепции построения СРВ и стандарты ОСРВ
Тема 2.1. Задачи, требующие работы в реальном времени
Особенности требований к задачам в СРВ. Виды задач, выполняющихся в режиме реального времени. Выбор программной архитектуры для реализации СРВ и переход к использованию ОСРВ.
Тема 2.2. Архитектуры ОСРВ
Базовые подсистемы составляющие ОСРВ. Основные отличия подсистем необходимых для построения ОС общего назначения от подсистем необходимых для построения ОСРВ. Категории ОСРВ: специализированные
(Host/Target) и общего назначения (Self-Hosted). Архитектуры СРВ на для
микроконтроллеров. Концепция монолитного ядра, микроядерный и объектно-ориентированный подходы к построению ОСРВ.
Тема 2.3. Стандарты и их роль в развитии ОСРВ.
Стандартизация основных программных интерфейсов (API). Роль стандарта POSIX в реализации операционных систем и ОСРВ, в частности. Расширения «реального времени» и стандарт POSIX 1003.1b. Стандарт POSIX
1003.1b и семейство расширений. Стандарты отличные от POSIX (нормы
ESSE консорциума VITA, стандарт SCEPTRE и др.).
РАЗДЕЛ 3. Управление прерываниями и временем в СРВ
Тема 3.1. Роль прерываний в СРВ
Аппаратные прерывания и их роль в СРВ. Подсистема прерываний.
Основные типы прерываний (синхронные и асинхронные прерывания, прерывания по получению данных, прерывания по аварийному завершению
процесса, прерывания по вводу-выводу).
Тема 3.2. Управление прерываниями в OСРВ
Время реакции на прерывания. Аппаратные средства поддержки подсистемы прерываний и особенности их архитектуры. Особенности управления прерывания в ОС.
Тема 3.3. Управление часами и таймерами в СРВ
Точность отсчёта времени в вычислительных системах. Интерфейсы
управления временем в ОСРВ. Управление счётчиками и таймерами.
РАЗДЕЛ 4. Управление процессами в ОСРВ.
Тема 4.1. Модель процессов в ОСРВ
Модели процесса, потока и контекста исполнения. Модель потока, как
контекста исполнения с заданным набором общих ресурсов. Особенности организации процессов в ОСРВ (запуск процесса, состояния процесса, операции над процессами, приоритеты процессов)
Тема 4.2. Планирования процессов в ОСРВ
Подсистема управления и планирования процессами в ОСРВ и её связь
с подсистемой прерываний. Основные алгоритмы планирования задач, используемые в ОСРВ. Основные средства ОСРВ для управления процессами
(события, сигналы, прерывания).
РАЗДЕЛ 5. Методы и средства межпроцессного взаимодействия в
ОСРВ
Тема 5.1. Ресурсы и типы взаимодействия.
Аппаратные (процессор, память, устройства, прерывания) и программные (данные, файлы, сообщения) виды ресурсов. Сотрудничающие (чтениезапись через общий коммуникационный канал, взаимная синхронизация последовательности действий) и конкурирующие (совместно разделяемые ресурсы, критические секции, взаимоисключения) процессы.
Тема 5.2. Примитивы синхронизации и их роль в ОСРВ
Основные примитивы синхронизации межпроцессного взаимодействия
(программные каналы, семафоры, общая память, таймеры) и их особенности
в ОСРВ. Аппаратная поддержка средств синхронизации и их роль для ОСРВ.
Примеры межпроцессной синхронизации.
РАЗДЕЛ 6. Архитектура аппаратных средств и их роль для СРВ
Тема 6.1. Роль аппаратных средств при проектировании СРВ
Роль архитектуры процессора и системных шин для СРВ. Программные модели процессоров. Влияние требований реального времени на выбор
архитектуры процессора. Программные модели управления системными шинами. Особенности реализации драйверов в СРВ.
Тема 6.2. Архитектуры и шины поддерживаемые современными
ОСРВ
Аппаратные архитектуры поддерживаемые промышленными ОСРВ
(QNX, RTEMS, VxWorks, RTLinux, RTAI, Xenomai, iRMX). Аппаратные архитектуры поддерживаемые упрощёнными вариантами ОСРВ (FreeRTOS,
Contiki, picoOS). Промышленные шины и сети передачи данных для связи
датчиков, исполнительных механизмов, промышленных контроллеров и других средств в промышленной автоматизации
РАЗДЕЛ 7. Управление памятью в СРВ и ОСРВ
Тема 7.1. Механизмы управления памятью в СРВ
Статическое распределение адресного пространства. Динамическое
выделение памяти в СРВ. Фрагментация и уплотнение. Функции выделения и
освобождения памяти. Организация памяти блоками фиксированного размера. Функции блокирования памяти.
Тема 7.2. Подсистема управления памятью в ОСРВ
Аппаратные средства поддержки подсистемы управления памяти и
особенности их архитектуры. Виртуальная память и требования реального
времени. Аппаратные механизмы защиты памяти. Подсистема управления
памяти в ОСРВ.
РАЗДЕЛ 8. Управление устройствами ввода-вывода в СРВ
Тема 8.1. Принципы взаимодействия в СРВ
Дискретные и аналоговые сигналы в автоматизированных системах
управления. Цифровые сигналы в вычислительных системах. Характеристики и особенности ввода-вывода аналоговых сигналов (дискретизация,
квантование и погрешности). Принципы управления цифровыми устройствами.
Тема 8.2. Организация управления вводом-выводом в СРВ
Принципы взаимодействия с внешними устройствами. Программные
интерфейсы для дискретных, аналоговых и цифровых сигналов. Управление
вводом-выводом для цифровых и аналоговых сигналов. Программное управление аппаратными интерфейсами (RS232, I2C, SPI, GPIO и др.).
РАЗДЕЛ 9. Проблемы автоматического управления в задачах СРВ
Тема 9.1. Принципы автоматического управления
Основные термины теории автоматического управления (ТАУ). Принципы регулирования, принятые в ТАУ. Решение задач регулирования в СРВ.
Тема 9.2. Алгоритмы автоматического управления в СРВ
Проблемы реализации дискретных автоматизированных систем, управляемых в режиме реального времени. Особенности реализации алгоритмов
регулирования в СРВ.
РАЗДЕЛ 10. Методы синтеза, тестирования и верификации систем реального времени
Тема 10.1. Контроль качества программного обеспечения СРВ
Оценка качества программного обеспечения для СРВ и методы его
контроля. Модели и техники, используемые для анализа функционирования
и построения тестов СРВ.
Тема 10.2. Автоматные модели в СРВ
Конечные детерминированные автоматы, как основа построения детерминированных во времени систем. Автоматные методы построения тестов
для СРВ. Автоматное программирование. Модели временных автоматов.
Проверка на моделях.
Тема 10.3. Автоматное программирование СРВ
Конечные детерминированные автоматы, как основа построения детерминированных во времени систем. Автоматные методы построения тестов
для СРВ. Автоматное программирование. Модели временных автоматов.
Проверка на моделях.
5. Образовательные технологии
Предусматривается широкое использование в учебном процессе презентаций для проведения семинаров, предоставление электронных пособий,
физических демонстрационных моделей и оригинальных спецификаций к
ним, а также технологии для совместного взаимодействия через интернет.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины СИСТЕМЫ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ
а) основная литература:
1. Богачёв К. Ю. Основы параллельного программирования — М.: БИНОМ. Лаб. Знаний, 2010. – ISBN 978-5-94774-037-0
б) дополнительная литература:
1. К.Е. Климентьев. Системы реального времени. Обзорный курс лекций
— Самара: Самар. гос. аэрокосм. ун-т. Самара, 2008.
http://www.ssau.ru/files/resources/sotrudniki/rts2008.pdf
2. Таненбаум, Эндрю С. Современные операционные системы. 2-е изд. —
СПб. Питер, 2007.
3. Гергель В. П. Теория и практика параллельных вычислений: учебное
пособие — М.: БИНОМ. Лаб. Знаний, 2010. – ISBN 978-5-9556-0096-3
4. Лучин Р. М. Программирование встроенных систем: от модели к роботу
— СПб: Наука, 2011.
5. Карпов Ю. Г. Верификация параллельных и распределённых программных систем. — СПб: БХВ-Петербург, 2010.
6. Таненбаум, Эндрю С. Архитектура компьютера. 5-е изд. — СПб. Питер,
2010.
7. И.Б. Бурдонов, А.С. Косачев, В.Н. Пономаренко. Операционные системы реального времени. — 2006. http://citforum.ru/operating_systems/rtos/
8. Bruyninckx H. Real Time and Embedded Guide – K.U.Leuven, Belgium,
2002 http://people.mech.kuleuven.ac.be/~bruyninc/rthowto/
9. Курячий Г. В., Маслинский К. А. Операционная система Linux. — 2005.
http://www.intuit.ru/department/os/linux/
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы
1. ОС GNU/Linux или OC Windows;
2. Консольный файловый менеджер (Far под Windows или mc под Linux);
3. Кросскомпилятор GNU GCC C/C++ для микроконтроллеров AVR (avrgcc под GNU/Linux или WinAVR под Windows);
4. Пакет средств разработки для ОСРВ RTEMS (стабильной версии 4.10
или выше) под платформы i386, arm, avr;
5. Утилита удалённого доступа к терминалам Putty (только под Windows);
6. Утилита удалённого доступа к файлам WinSCP (только под Windows);
7. Виртуализатор VirtualBox (версии 4.1.20 или старше);
8. Система контроля версий Git.
9. Системы реального времени. — 2010.
http://course.sgu.ru/course/view.php?id=11
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины СИСТЕМЫ
РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ
Для проведения лекционных занятий необходимы: маркерная доска,
компьютер с проектором, интернет.
Для проведения семинарских занятий необходимы: маркерная доска,
проектор с возможностью подключения специально подготовленного ноут-
бука с демонстрационным программным обеспечением, монитор или телевизор с HDMI выходом, розетка для подключения демонстрационного оборудования, беспроводной доступ к интернет.
Для проведения лабораторных занятий необходимы: маркерная доска,
интернет, демонстрационные программно-аппаратные стенды и средства
разработки для них, из числа необходимых ресурсов информационного обеспечения.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с
учётом рекомендаций и Примерной ООП ВПО по направлению 230100 «Информатика и вычислительная техника» и программе подготовки «Сети ЭВМ
и телекоммуникации».
Автор
Ассистент
___________ Е. А. Синельников
Программа одобрена на заседании кафедры дискретной математики и
информационных технологий от «20» мая 2013 года, протокол № 16.
Заведующий кафедрой
Дискретной математики и информационных технологий,
к. ф.-м. н., доцент
___________ Л. Б. Тяпаев
Декан факультета КНиИТ,
к. ф.-м. н., доцент
___________ А. Г. Федорова