Основание выбора операционной системы для ОСРВ на примере системы управления биржи

Министерство Образования Российской Федерации 

 

Ульяновский Государственный Университет 

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

 

                                                          ДОКЛАД  

 

на тему: 

 

" Основание выбора операционной системы для ОСРВ на примере системы управления биржи" 

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

Выполнила: Оглоблина С.А.

 

Группа:МОАИС-О-14/1

 

Руководитель: Чичёв А.А

 

 

 

 

Ульяновск, 2015 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основание выбора операционной системы для ОСРВ на примере системы управления биржи

Би́ржа — юридическое лицо , обеспечивающее регулярное функционирование организованного рынка товаров , валют , ценных бумаг и производных финансовых инструментов . Раньше биржей называли место или здание, где собираются в определённые часы торговые люди и посредники, биржевые маклеры для заключения сделок с ценными бумагами или товарами.

До эпохи компьютеризации о сделках стороны договаривались устно. Сейчас торги большей частью проходят в электронном виде с использованием специализированных программ. Брокеры в своих интересах или интересах клиентов выставляют в торговые системы заявки на покупку или продажу ценной бумаги (валюты, товара). Эти заявки удовлетворяются встречными заявками других торговцев. Биржа ведёт учёт исполненных сделок, реализует, организует и гарантирует расчёты, обеспечивает механизм взаимодействия.

Операционная система реального времени, ОСРВ (англ. real-time operating system, RTOS) — тип операционной системы гарантирующий выполнение задачи в течение заданного интервала времени.

Задачи реального времени составляют одну из сложнейших и крайне важных областей применения вычислительной техники. Как правило, они связаны с контролем и управлением процессами, являющимися неотъемлемой частью современной жизни. Управление прокатными станами, роботами, движение на автомагистралях, контроль за состоянием окружающей среды, управление атомными и космическими станциями и многое другое - область задач реального времени. Эти задачи предъявляют такие требования к аппаратному и программному обеспечению, как надежность, высокая пропускная способность передающей среды в распределенных системах, своевременная реакция на внешние события и т.д. Для выполнения этих требований и создаются системы реального времени, аппаратное и программное обеспечение

При выборе аппаратного обеспечения систем реального времени основополагающими моментами являются жесткие требования к временным характеристикам и гибкости системы. Большинство проектов реального времени осуществляется. в рамках архитектурных решений магистрально-модульных систем (ММС).

Требования к ОСРВ:

многозадачность;

легкость написания и включения в систему драйверов внешних устройств;

хорошо развитый механизм синхронизации процессов и межзадачного обмена.

Операционные системы реального времени делят на два типа — системы жесткого реального времени и системы мягкого реального времени. Требования, предъявляемые к среде исполнения систем реального времени, следующие: небольшая память системы - для возможности ее встраивания; система должна быть полностью резидентна в памяти, чтобы избежать замещения страниц памяти или подкачки; система должна быть многозадачной - для обеспечения максимально эффективного использования всех ресурсов системы; ядро с приоритетом на обслуживание прерывания. диспетчер с приоритетом - дает возможность разработчику прикладной программы присвоить каждому загрузочному модулю приоритет, неподвластный системе. Сочетание описанных выше свойств создает мощную и эффективную среду исполнения в реальном времени. Системы жёсткого реального времени не допускают задержек реакции системы, так как это может привести к:                     потере актуальности результатов;                     большим финансовым потерям;                    авариям и катастрофам.                                                                                                                                                           Ситуация, в которой обработка событий происходит за время, большее предусмотренного, в системе жёсткого реального времени считается фатальной ошибкой. При возникновении такой ситуации, операционная система прерывает операцию и блокирует её, чтобы, насколько возможно, не пострадала надёжность и готовность остальной части системы. Примерами систем жёсткого реального времени могут быть — бортовые системы управления (на самолёте, космическом аппарате, корабле, и пр.), системы аварийной защиты, регистраторы аварийных событий. Системы мягкого реального времени допускают временные отклонения. Они нежелательны, но к отказу не приводят. Таким образом, они не гарантируют максимальное время выполнения задачи, поэтому их нельзя использовать на важных участках. Примером типичной мягкой системы реального времени является плеер мультимедиа. Плеер может иногда пропустить видео кадр или аудио сэмпл, и пользователь может это даже не заметить, пока плеер правильно работает большую часть времени

Главная характеристика ОСРВ — задержка. Задержка — это промежуток времени между воздействием и реакцией на него.  При написании программ с ОСРВ не используются функции в обычном их понимании. Вместо функций используются процессы. Отличие в том что процессы, в отличии от функций, являются бесконечными циклами и никогда не заканчиваются(если только кто-то или он сам не выгрузит их из памяти).   Если включено несколько процессов, то ОСРВ переключает их, выдавая машинное время и ресурсы по очереди. Вот тут то и возникает понятия приоритета процесса- если двум процессам единовременно нужно машинное время, то ОСРВ даст его тому, у кого приоритет больше.  В ОСРВ есть специальные функции задержки- чтобы время зря не пропадало на время задержки одного процесса выполняется второй. Среда исполнения

Отличительные черты ОСРВ

	ОС реального времени	ОС общего назначения
Основная задача	Успеть среагировать на события, происходящие на оборудовании	Оптимально распределить ресурсы компьютера между пользователями и задачами
На что ориентируется	Обработка внешних событий	Обработка действий пользователя
Как позиционируется	Инструмент для создания конкретного аппаратно-программного комплекса реального времени	Воспринимается пользователем как набор приложений, готовых к использованию
Кому предназначена	Квалифицированный разработчик	Пользователь средней квалификации

 

 

Технические характеристики ОС реального времени

Рассмотрим конкретные системы реального времени, их технические характеристики, области применения и т.д. В таблице и на диаграмме приведены данные об использовании наиболее распространенных операционных систем реального времени в промышленной автоматизации и измерительной технике вообще и на архитектуре VMEbus в частности. В таблице приведены различные интерфейсы и стандарты для приложений реального времени.

           

            

операционные системы, которые используют ядро Linux, используются в качестве ОС

на фондовых и валютных биржах

Как было сказано выше, ОСРВ не всегда имеют высокое быстродействие. И не всегда выбор в сторону ОСРВ обоснован. Правильнее сказать, что в подавляющем большинстве случаев встраиваемые приложения не требуют жесткой ОСРВ. В конечном счете это зависит от наличия специфических требований и скрытых инструкций. Чтобы понять, нужна ли ОСРВ в конкретной системе, необходимо ответить на следующие вопросы: 
1) Какие требуются задержки? Какова максимальная задержка, которую может выждать приложение, не вызвав сбой в системе? 
2) Выполняет ли приложение жизненно важные задачи? Другими словами, должно ли приложение успеть выполнить задачу в течение определенного срока, по истечении которого эта задача потеряет смысл? Например, подушка безопасности в автомобиле должна успеть сработать в течение 0,5 с, иначе она все равно не спасет жизнь пассажиру. 
3) Должна ли система обрабатывать абсолютно все поступающие данные, или же некоторые из них могут остаться необработанными? 
4) Зависит ли работа приложения от внешнего устройства, которое должно ответить в течение отведенного интервала, по истечении которого произойдет сбой системы? 

5)Защищенность от несанкционированного  доступа к данным.

 

Некоторые области применения мягких и жестких ОСРВ

Отрасль	Жесткая ОСРВ	Мягкая ОСРВ
Авиация	Обнаружение неисправностей, управление аппаратом	Экран индикатора
Финансы	Банкоматы	Интернет-сайт фондовой биржи
Производство	Робототехника, ЦОС	Мониторинг температуры
Медицина	Компьютерная томография, МРТ	Забор крови на анализ, помощь в хирургических операциях

 

ОС Linux реального времени

Изначально Linux разрабатывалась как ОС общего назначения. Однако впоследствии появились и версии, работающие в реальном времени. Это, например, RTLinux (Wind River), Xenomai, RTAI, RT Preemption Patch и т.д.  
Чтобы адаптировать ядро Linux к работе в реальном времени, можно пойти двумя путями: 
А) преобразовать схему вытеснений, или приоритетного прерывания обслуживания ядра (kernel preemption); 
Б) ввести еще один программный уровень, то есть дополнительное ядро, внутри или параллельно существующему ядру Linux.  
Однако следует отметить, что перечисленные выше ОСРВ Linux, за исключением RT Preemption (патч PREEMPT_RT), основаны главным образом на втором подходе.

Особенности PREEMPT_RT

Одно из самых важных достоинств этого подхода заключается в том, что в нем используются те же интерфейсы API, что и в ядре общего назначения. Разработчики, как и раньше, могут использовать существующие POSIX совместимые API. Во втором подходе — наоборот, переход на новый интерфейс является обязательным условием. 
Патч PREEMPT_RT вносит ряд изменений в базовое ядро Linux. Во-первых, он преобразует все ISR (Interrupt Service Routines) в потоки, называемые «Threads Interrupt Service Routines». Во-вторых, заменяет принцип синхронизации spinlock на семафорный механизм (mutex), который поддерживает наследование приоритетов и вытеснение.

(семафор- эта такая штука, которая  управляет доступом процесса  к ресурсам приложения. Для каждого  ресурса есть маркер — когда  процессу нужен ресурс — он  его забирает и пользуется  данным ресурсом. Если маркера  нет, то процессу придется ждать, пока его вернут. Приведу пример: разные процессы отправляют информацию по одному UART. Если бы не было семафора, то они бы отправляли байты по очереди и получилась бы неразбериха. А так первый процесс взял маркер на UART отправил сообщение и отдал второму( и так — до бесконечности).) 

Кроме того, он добавляет поддержку режима High Resolution Timer (HRT), что позволяет таймерам работать с разрешением 1 мкс. И последнее, он обеспечивает защиту от возникновения неограниченной инверсии приоритетов.

Итак, разберем по порядку  преимущества выбора ОСРВ на базе ядра Linux, и его соответствие требуемым критериям, указанным выше:

1. Какие требуются задержки?

На бирже используется система анализа открытых сделок, обсчет стоимости одного лота в каждый момент времени. Минимальный промежуток времени «обновления»

данных для вывода готового результата составляет -1 сек. Из этого следует что нам вполне подходит «мягкая» ОСРВ на базе Linux, так как для обсчета того количества данных которое используется на бирже за требуемый период времени — достаточно будет минимальное количество системных ресурсов, а минимальные задержки не повлияют на конечный результат и точность выводимой информации.

2. Выполняет ли приложение жизненно важные задачи?

Нет, приложение не выполняет жизненно важные задачи, что лишний раз подтверждает правильность выбора в пользу ОСРВ на базе ядра Linux.

3. Должна ли система обрабатывать абсолютно все поступающие данные, или же некоторые из них могут остаться необработанными?

Безусловно, вся поступающая информация должна обрабатываться. Многозадачность и многопоточность в купе со стабильным ядром — полностью оправдывают выбор.

4. Зависит ли работа приложения от внешнего устройства, которое должно ответить в течение отведенного интервала, по истечении которого произойдет сбой системы? 

Приложение не зависит от внешних устройств, что снижает потребление ресурсов системы.

5. Защищенность от несанкционированного доступа к данным.

Я считаю что на данный пункт нужно обратить особое внимание. Так как несанкционированный доступ к данным биржи может привести к самым плачевным последствиям.

Существует расхожее мнение о том, что Linux характеризуется слабой безопасностью, так как она бесплатно распространяется и создается огромным коллективом, разбросанным по всему миру.  Но это в корне не верно. Linux - детище глобальной сети Internet и именно поэтому безопасности при ее разработке всегда уделялось огромное внимание. Не случайно в вопросах защищенности Linux всегда выгодно отличалась от многих современных ОС, в том числе многих коммерческих версий Unix. В настоящее время существуют два основных подхода, используемых для обеспечения безопасности ОС: над слабо защищенной ОС «навешивается» для усиления защитный экран (firewall), или firewall наряду с десятком других средств защиты интегрируется на уровне ядра системы.Первый подход использует фирма Microsoft и это подтверждает анализ последних версий Windows NT. Разработчики Linux выбрали для себя второй подход (код firewall встроен непосредственно в ядро Linux, начиная с версии 2.0). В результате была получена мощная интегрированная система защиты