ref-20761 (Разработка системы реального времени в виде планировщика исполнения заданий), страница 6

Планирование состоит в том, что если ещё остаётся апериодическая задача, которая должна быть выполнена, следующая периодическая задача не будет запущена до самого последнего возможного момента, называемого временем уведомления, когда ещё сохраняется гарантия выполнения её крайнего срока (также как и всех остальных периодических задач).

Этот метод гарантирует своевременность выполнения периодических задач и максимизирует ответную реакцию апериодических задач.

При использовании этого метода изначально применяется любой алгоритм с фиксированными приоритетами для планирования периодических задач до начала работы системы. Все периодические задачи имеют более высокие приоритеты, чем апериодические.

1. EDF.

В методе EDF приоритеты задачам назначаются исходя из их крайних сроков на текущий момент. В этом случае задача с ближайший крайним сроком получает наивысший приоритет. Этот метод также является оптимальным в том смысле, что если можно найти исполнимое расписание для данного множества задач с фиксированными приоритетами, то всегда можно найти исполнимое расписание и с использованием этого метода. Однако он является оптимальным только при недогрузке системы, но в условиях перегрузки ведёт себя довольно плохо.

Данный метод часто считается опасным из-за того, что при условии перегрузки системы он может показать нежелательное поведение. Однако во время работы жёстких систем реального времени перегрузок не должно возникать, потому что невыполнение крайнего срока задачи может привести к серьёзным последствиям. Поэтому для таких систем необходимо проводить априорное доказательство того, что когда у всех задач в системе одновременно возникнут потребности в системных ресурсах, то все их ограничения по времени по-прежнему будут выполнены.

1. Сервер, допускающий задержку (DS) и Алгоритм обмена приоритетами (PE).

Эти методы сохраняют доступными ресурсы системы, первоначально выделенные для апериодических задач.

Эти методы улучшают среднее время ответа системы и отличаются друг от друга способом сохранения пропускной способности. PE алгоритм раздаёт время выполнения, выделенное для работы высокоприоритетного периодического сервера, другим периодических задачам с меньшим приоритетом, если оно не нужно для работы апериодических задач.

В отличие от него DS не отдаёт время выполнения этой задачи, когда не осталось ни одной апериодической задачи. Вместо этого он хранит это высокоприоритетное время выполнения либо пока не прибудет апериодическая задача, либо пока не закончится период сервера.

Этот метод проще в реализации, но хуже в исполнении.

1. Методология разработки программного обеспечения.

   1. Основы методологии Real.

Не останавливаясь, в общем, на процессе разработки программного обеспечения, перечислим, какие модели используются в Real для описания разрабатываемой системы:

• Модель требований к системе:

Описательная модель — в текстовом виде описывает некоторые требования к системе.

Модель случаев использования — описывает требования, предъявляемые к системе ее окружением, т.е. отвечает на вопрос “что и для кого должна делать система?”.

Функциональная модель — описывает разбиение случаев использования и функций на подфункции. Дает ответ на вопрос “как должны реализовываться функции системы в терминах своих подфункций?”.

• Динамическая модель:

Модель объектов — описывает роли объектов системы и отвечает на вопрос “какие объекты взаимодействуют при выполнении функций системы?”.

Модель взаимодействий — описывает сценарии взаимодействия объектов системы между собой и с пользователями, т.е. дает ответ на вопрос “как объекты взаимодействуют друг с другом для выполнения функций системы?”.

Поведенческая модель — описывает алгоритмы поведения объектов системы, т.е. отвечает на вопрос “как должен вести себя каждый объект для реализации функций системы?”.

• Статическая модель:

Модель классов — описывает внутреннюю структуру системы, структуры данных, используемые в ней, т.е. отвечает на вопрос “как должна выглядеть система изнутри?”.

В Real большой упор был сделан на связность моделей, на контроль целостности информации о проекте, представленной внутри как одной модели, так и в нескольких.

1. Модель требований.

Работа над системой в Real начинается с построения описательной модели, в которую, прежде всего, входят первичные требования заказчика. Среди них могут быть как функциональные требования, так и любые другие (эффективность, стоимость и т.п.). Описательная модель хранится в Real в виде обычного текста и формально не связана с остальными моделями. Эта модель может быть использована и для окончательной спецификации нефункциональных требований.

На основе требований заказчика формулируется полный список функциональных требований к системе, которые оформляются в терминах модели случаев использования и модели функций. Окончательное техническое задание на систему может быть сгенерировано по модели требований Real в том виде, который нужен заказчику (ГОСТ, какой-либо международный или внутрикорпоративный стандарт и т.п.).

Модель случаев использования в Real предназначена для описания стыка системы с окружением. В ее терминах описываются все пользователи системы, а также все ее функции (случаи использования), различимые с точки зрения этих пользователей. В дальнейшем с использованием могут быть связаны классы. Для случаев использования, в свою очередь, можно создавать диаграммы этого же типа, т.е. подвергать случаи использования дальнейшей декомпозиции в рамках той же модели.

Функциональная модель предназначена для дальнейшей декомпозиции функций системы. Она состоит из набора деревьев функций, корнями которых являются случаи использования. Дерево может содержать узлы двух видов: собственно функции и использование описанных ранее функций. Кроме того, функция может иметь свойство групповой, это означает, что ее ”дети” фактически находятся вместо нее на том же месте. Связь родительского узла с дочерними может иметь метку, описывающую характер в связи.

Отметим, что модель случаев использования в Real является подмножеством одноименной модели UML. То, что в UML делается с помощью не вошедшей в Real части модели случаев использования, в Real предлагается делать с помощью модели функций, которая является вариацией функциональной модели из структурных методологий разработки программного обеспечения. Модель функций Real основана на модели функций SDL, однако оттуда были убраны некоторые детали (в Real не предполагается так широко использовать модель функций, поскольку не хотелось бы подталкивать разработчика к алгоритмическому методу разработки системы) и добавлены использование функций, группы функций, а также связь с моделью случаев использования.

1. Динамическая модель.

Она описывает поведение системы — взаимодействие между различными ее компонентами, взаимодействие системы с ее окружением и поведение самих компонент.

На начальных этапах разработки можно придерживаться одной из двух стратегий. Первая: сначала специфицировать классы системы, а затем объекты и сценарии взаимодействия. Она будет использоваться с большей вероятностью, если разработчикам хорошо знакома предметная область. Возможна и другая стратегия — в том случае, если на этапе анализа приходится изучать незнакомую предметную область. Основное назначение модели объектов — описание различных ролей, которые могут играть экземпляры классов системы. Каждой функции из функциональной модели Real можно сопоставить диаграмму объектов, назначение которой — описать типичную ”конфигурацию” объектов, задействованных в осуществлении данной функции, а также описать связи между ними. При использовании объектно-ориентированного подхода выполнение функций системы реализуется как совместная деятельность нескольких объектов. Основными ее элементами являются объекты-роли и отношения между ними.

Динамику взаимодействия объектов для реализации функции (модель взаимодействия) удобно представлять в виде сценариев. В этих сценариях принимают участие объекты-роли, определенные на диаграмме объектов для данной функции или ее надфункций. Сценарий представляет собой упорядоченную во времени последовательность событий, которыми, как правило, являются посылки и приемы сообщений объектами.

Построение сценариев для функции начинается с определения ”прямых веток”, т.е. идеального исполнения функции. При этом из рассмотрения исключаются граничные, ошибочные ситуации, частные случаи и т.п., для них впоследствии тоже строятся сценарии либо они специфицируются другими средствами.

Поведенческая модель описывает поведение составляющих систему классов с помощью расширенного конечного автомата и представлена в Real двумя нотациями: в стиле STD и SDL. Фактически, поведенческая модель определяет процессы, протекающие в системе в терминах состояний, событий и действий. В дальнейшем будем говорить о поведенческой модели отдельного класса. Построение такой модели можно начать с анализа всех сценариев, в которых участвуют объекты-роли данного класса. Проектирование поведения системы (поведения ее классов) на основе сценариев, а не напрямую, позволяет в более наглядном виде представлять общие процессы, протекающие в программном обеспечении, и, отталкиваясь от них, конструировать внутреннее поведение участников этих процессов.

1. Статическая модель.

После того, как созданы основные сценарии системы, можно переходить к спецификации их участников — объектов, т.е. к построению модели классов. Эта модель классов строится на протяжении всего процесса разработки программного обеспечения.

В Real в модели классов могут быть следующие виды сущностей:

• класс — описание группы однородных объектов;

• шаблон — параметризованный класс с возможностью получения из него обычного класса подстановкой значений параметров;

• интерфейс — описание правил взаимодействия классов;

• представление — аналог конструкции VIEW языка SQL.

Модель классов Real реализует достаточно полное подмножество модели классов UML. Кроме того, в ней есть интерфейсы и порты из ROOM, при этом последние существенно расширены. Модель классов Real содержит также средства моделирования схемы баз данных.

1. Реализация прототипа системы реального времени.

   1. Жизненный цикл разработки.

Разработка состоит из двух основных частей: планировщика задач РВ и прикладного приложения. Прямых зависимостей между этапами проектирования данных систем нет. Однако, существуют логические связи. Приложение строится на основе созданного планировщика, что предполагает знание о предоставляемых им интерфейсах. Планировщик, в свою очередь, строится с учетом особенностей приложения, которое является приложением контроля, т.е. ориентированным на обработку внешних стохастических событий.

На диаграмме 1 представлены этапы разработки программной системы. Выполненные в рамках данной работы, выделены чёрным цветом, предполагаемые к исполнению в дальнейшем – серым.

Для планировщика выбрана V – образная модель жизненного цикла. Она применяется для приложений, при проектировании которых разработчикам приходится исследовать новую проблемную область. Отличительной особенностью этой модели жизненного цикла является наличие обратных связей уже на этапах тестирования и верификации. Предполагается, что это позволит создать более гибкую в плане предоставляемых возможностей систему.

Для приложения-протокола выбрана каскадная модель жизненного цикла. Она применяется для приложений в хорошо исследованных областях знаний. В данном случае системные требования на протокол уже описаны в технической документации.

В данной работе будут выполнены этапы создания системных и функциональных требований к планировщику, а также определение его архитектуры. Для протокола будет выполнена функциональная модель и модель классов.

1. Планировщик заданий.

   1. Выбор алгоритма планирования.

      1. Виды требований РВ, поддерживаемые планировщиком.

Во многих системах можно заранее установить множество задач, которые будут использоваться, и предположить их характеристики работы в худшем случае. При этом можно либо провести фиксированное планирование, которое будет удовлетворять требованиям системы, либо определить предварительные приоритеты задач.

Следующие ограничения будет возможно задавать с помощью создаваемого планировщика. Они основаны на временном поведении задач.

1. Абсолютные ограничения.

• Интервал выполнения.

Выражает интервал, предоставляемый задаче для выполнения. Задаётся в микросекундах или как часть интервала выполнения всех задач. Определяет приоритетность определённой задачи на данном этапе вычислений. Может динамически изменяться.

• Время реакции.

Характеризует время, за которое должен быть получен отклик на внешнее воздействие. При превышении данного времени задаче выделяется больше ресурсов при помощи приостановки менее приоритетных задач.

• Время выполнения.

Выражает время выполнения задач в худшем случае. При превышении времени выполнения задача останавливается. В специальный стек «неуложившихся в срок» записывается её идентификатор. Для мягких задач данный параметр не фиксирован. Этот показатель также важен для распределённых (многопроцессорных) систем, где время выполнения задачи может зависеть от узла, на котором она выполняется.

• Периоды.

Период показывает, как часто задача должна выполняться. Период может ограничивать время реакции задачи, поэтому время реакции предполагается меньшим периода.

1. Относительные ограничения.

Ограничения данного класса также называют локальными. Они выражают то, как две задачи связаны друг с другом.

• Приоритетные ограничения.

Данные ограничения определяют какие задачи предполагается блокировать при угрозе невыполнения срока данной задачи. В первую очередь блокируются мягкие задачи.

• Ограничения расстояния.

Определяют минимальное расстояние во времени между выполнением двух задач.

• Обновление.

Этот тип ограничений противоположен предыдущему. Данные ограничения влияют на то, в каком порядке должны выполняться задачи. Для взаимосвязанных задач можно задать выделение интервала выполнения первой перед второй. Эти ограничения также зависят от архитектуры системы, так как поведение системы моделируется как последовательность действий.