книги / Разработка программного обеспечения для систем управления двигателями летательных аппаратов
..pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
М.В. Кавалеров, Н.Н. Матушкин, А.А. Южаков
РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯМИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2012
УДК 629.73:681.51.01:004.422.8(075.8) К12
Рецензенты:
кандидат технических наук, доцент Т.С. Леготкина (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);
кандидат технических наук С.В. Березняков (ОАО «СТАР», г. Пермь)
Кавалеров, М.В.
К12 Разработка программного обеспечения для систем управления двигателями летательных аппаратов : учеб. пособие / М.В. Кавалеров, Н.Н. Матушкин, А.А. Южаков. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2012. – 148 с.
ISBN 978-5-398-00925-5
Подробно изложены базовые понятия, относящиеся к системам реального времени и процессу разработки систем реального времени применительно к планированию задач реального времени. Также рассмотрены основы работы с интегрированной средой разработки Code::Blocks. Пособие является учебным материалом для дисциплины «Разработка программного обеспечения для систем управления двигателями летательных аппаратов».
Ориентировано на студентов магистерской подготовки, а также аспирантов, специализирующихся в области информационных технологий и систем управления двигателями летательных аппаратов.
УДК 629.73:681.51.01:004.422.8(075.8)
ISBN 978-5-398-00925-5 |
© ПНИПУ, 2012 |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................... |
6 |
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ ................................................... |
7 |
1. ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СИСТЕМ |
|
УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯМИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ |
|
КАК СИСТЕМ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ ............................................................. |
8 |
1.1. Встроенные системы управления двигателями летательных |
|
аппаратов как системы реального времени ................................................... |
8 |
1.1.1. Понятие системы реального времени ................................................... |
8 |
1.1.2. Система управления как система реальноговремени ........................... |
11 |
1.1.3. Процесс разработки системы реального времени .............................. |
13 |
1.2. Задачи реального времени .............................................................................. |
15 |
1.2.1. Общие сведения .................................................................................... |
15 |
1.2.2. Задачи реального времени и их представление на разных |
|
уровнях системной организации ......................................................... |
17 |
1.2.3. Запросы, формируемые задачами реального времени ......................... |
20 |
1.2.4. Базовые параметры задач реального времени .................................... |
22 |
1.2.5. Классификация и примеры задач реального времени .................. |
24 |
1.3. Ограничения реального времени ................................................................... |
26 |
1.3.1. Основные сведения об ограничениях реального времени ............... |
26 |
1.3.2. Жесткое и мягкое реальное время ....................................................... |
26 |
1.4. Специфика программного обеспечения для систем реального времени .... 27 |
|
1.4.1. Планирование задач реального времени ............................................. |
27 |
1.4.2. Взаимодействие задач РВ ..................................................................... |
30 |
Контрольные вопросы ........................................................................................... |
31 |
2. ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОГРАММНОГО |
|
ОБЕСПЕЧЕНИЯ СИСТЕМ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ ....................................... |
32 |
2.1. Проблема планирования задач реального времени ..................................... |
32 |
2.2. Эффективность реализации СРВ ................................................................... |
34 |
2.3. Критерии планирования ................................................................................. |
35 |
2.4. Базовые модели планирования задач реального времени .......................... |
37 |
2.4.1. Планирование на основе фиксированного расписания ..................... |
37 |
2.4.2. Планирование с фиксированными приоритетами .............................. |
38 |
2.4.3. Планирование с динамическими приоритетами ................................ |
39 |
2.4.4. Сравнение основных концепций планирования ................................ |
40 |
3
2.5. Базовая модель планирования с фиксированными приоритетами ............ |
42 |
2.5.1. Общие положения ................................................................................. |
42 |
2.5.2. Задачи жесткого реального времени ................................................... |
43 |
2.5.3. Диспетчеризация ................................................................................... |
47 |
2.5.4. Планирование ........................................................................................ |
48 |
2.5.5. Стандартное ограничение реального времени ................................... |
50 |
2.5.6. Планирование при наличии только стандартных ограничений ..... |
54 |
2.6. Совместное планирование задач жесткого и мягкого |
|
реального времени .......................................................................................... |
60 |
2.6.1. Апериодические задачи мягкого реального времени ........................ |
60 |
2.6.2. Особенности планирования апериодических запросов ..................... |
62 |
2.6.2.1. Планирование до поступления в основную очередь ............. |
62 |
2.6.2.2. Планирование в основной очереди ......................................... |
62 |
2.6.2.3. Резерв времени ......................................................................... |
63 |
2.6.3. Основные концепции планирования апериодических запросов ...... |
65 |
2.6.3.1. Фоновое выполнение ............................................................... |
65 |
2.6.3.2. Алгоритмы захвата резерва ..................................................... |
65 |
2.6.3.3. Гиперпериод ............................................................................. |
67 |
2.6.3.4. Выполненное время запроса и оставшееся время запроса .... |
68 |
2.6.3.5. Интервал выполнения запроса, множество запросов |
|
данного интервала времени .................................................... |
69 |
2.6.3.6. Интервальная загрузка, абсолютная интервальная |
|
загрузка .................................................................................... |
70 |
2.6.3.7. Статический алгоритм захвата резерва .................................. |
73 |
2.6.3.8. Динамический алгоритм захвата резерва................................ |
77 |
2.7. Современное состояние научных исследований, связанных |
|
с планированием задач реального времени .................................................. |
82 |
2.7.1. Примерпланирования длязаданного множества задач ........................ |
82 |
2.7.2. Развитие стандартных моделей онлайнового планирования ........... |
83 |
2.7.3. Разработка нестандартных моделей планирования задач |
|
жесткого реального времени ................................................................ |
85 |
2.7.4. Исследования на стыке теории планирования и теории |
|
автоматического управления ............................................................... |
86 |
2.7.5. Планирование с обратной связью ........................................................ |
88 |
2.7.6. Совместное планирование для жесткого и мягкого |
|
реального времени ............................................................................... |
89 |
2.7.7. Сложности применения новых методов планирования |
|
в проектах систем управления ............................................................ |
90 |
Контрольные вопросы ........................................................................................... |
92 |
4
3. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА РАЗРАБОТКИ ПРОГРАММНОГО |
|
ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ СИСТЕМ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ .............................. |
93 |
3.1. Применение языков программирования низкого и высокого уровня |
|
при разработке систем реального времени ................................................. |
93 |
3.2. Интегрированные среды разработки ............................................................. |
94 |
3.2.1. Общие сведения .................................................................................... |
94 |
3.2.2. Среда разработки Code::Blocks ............................................................ |
94 |
3.2.3. Установка среды разработки ................................................................ |
95 |
3.2.3.1. Получение файла установки ................................................... |
95 |
3.2.3.2. Процесс установки ................................................................... |
96 |
3.2.3.3. Первый запуск ........................................................................ |
100 |
3.2.4. Настройка среды разработки ............................................................. |
102 |
3.2.5. Первый проект .................................................................................... |
105 |
3.2.5.1. Создание проекта ................................................................... |
105 |
3.2.5.2. Сборка и запуск программы .................................................. |
111 |
3.2.5.3. Пояснение программы ........................................................... |
114 |
3.2.5.4. Изменение программы ........................................................... |
115 |
3.2.6. Сообщения о предупреждениях иошибкахв программе .................... |
117 |
3.3. Средства отладки .......................................................................................... |
120 |
3.4. Оценивание длительностей выполнения программных фрагментов |
|
(вычисление оценок параметров выполнения) ........................................... |
129 |
3.4.1. Значимые моменты времени запроса ................................................ |
129 |
3.4.2. Длительности компонентов запроса с учетом значимых |
|
моментов времени .............................................................................. |
129 |
3.4.3. Оценки параметров выполнения запросов ....................................... |
131 |
3.4.4. Вычисление оценок параметров выполнения запросов .................... |
133 |
3.4.5. Соотношенияоценокпараметроввыполнениязапросов ...................... |
134 |
3.5. Инструментальные программные средства поддержки проектных |
|
решений применительно к планированию задач реального времени..... |
136 |
Контрольные вопросы ......................................................................................... |
138 |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................... |
139 |
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ................................................................ |
140 |
5
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время вполне очевидна актуальность проблемы разработки эффективных систем управления двигателями летательных аппаратов. Один из важных компонентов современной системы управления – это программное обеспечение, реализующее требуемые алгоритмы управления.
Системы управления двигателями летательных аппаратов должны обеспечивать управление в режиме жесткого реального времени. Поэтому при разработке программного обеспечения необходимо учитывать специфику реального времени. В частности, необходимо правильно выполнять формирование и реализацию задач реального времени как компонентов этого программного обеспечения, а также важно применять известные технологии планирования задач реального времени.
Полезную информацию по вопросам разработки программного обеспечения встроенных систем и систем реального времени можно получить из работ, например, [102], а также [4]. Но, к сожалению, очень мало есть литературы на русском языке, посвященной вопросам разработки систем реального времени применительно к проблеме планирования задач реального времени. Данное учебное пособие призвано восполнить этот пробел, и в нем в первую очередь делается акцент на рассмотрение систем управления двигателями летательных аппаратов как систем реального времени. Даны базовые понятия, связанные с системами реального времени. Сформулирована проблема планирования задач реального времени. Изложены концепции планирования задач жесткого реального времени, а также алгоритмы планирования апериодических запросов совместно с имеющимися задачами жесткого реального времени.
Хочется надеяться, что предлагаемое учебное пособие будет полезно магистрантам, специализирующимся в области использования информационных технологий для разработки систем управления двигателями летательных аппаратов, в дополнение к имеющейся литературе по разработке программного обеспечения встроенных систем и систем реального времени.
6
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ
ДЛА – двигатель летательного аппарата. ЖРВ – жесткое реальное время.
МРВ – мягкое реальное время.
НАЗ – необязательные апериодические запросы. ОАЗ – обязательные апериодические запросы.
ПФП – планирование с фиксированными приоритетами. РВ – реальное время.
СРВ – система реального времени.
7
1. ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯМИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ КАК СИСТЕМ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ
1.1. ВСТРОЕННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯМИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ КАК СИСТЕМЫ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ
1.1.1. Понятие системы реального времени
Встроенные системы управления ДЛА должны обеспечивать управление в режиме жесткого реального времени. Что скрывается за понятием «жесткое реальное время»? И что такое вообще «реальное время» и «система реального времени»?
Здесь седует отметить, что иногда еще употребляют термины «реальный масштаб времени» и «функционирование в реальном масштабе времени». Но для простоты и краткости мы будем вместо «реальный масштаб времени» употреблять термин «реальное время».
Начиная отвечать на поставленные вопросы, сначала укажем следующее определение.
Вычислительная СРВ – это такая вычислительная система, у которой правильность функционирования зависит не только от логического результата вычислений, но и от физического времени, когда эти результаты формируются [54].
Вэтом определении говорится о вычислительной системе, то есть системе, в которой выполняются вычислительные процессы. И такую систему можно рассматривать в виде «черного ящика», на вход которого поступают некоторые данные, например, данные с датчиков, а на выходе формируются управляющие воздействия. При этом вычислительная система реального временивзаимодействуетсобъектомуправления(рис. 1).
Втакой ситуации вычислительная СРВ представляет собой систему управления, реализованную на основе тех или иных вычислительных устройств.
Естественно, что вычислительная СРВ также может взаимодействовать и с человеком-оператором, получая от него команды и предоставляя ему необходимую информацию (рис. 2).
8
Рис. 1. Вычислительная система реального времени и объект управления
Рис. 2. Вычислительная система реального времени и человек-оператор
Следует отметить, что понятие реального времени трудно рассматривать в отрыве от системы управления и объекта управления. По большому счету, можно считать, что проблема реального времени и понятие реального времени возникают именно в ходе функционирования комплексной системы, включающей в себя систему управления, объект управления, атакже человека-оператора (рис. 3).
Именно такую комплексную систему можно называть комплекс-
ной системой реального времени.
При обобщенном подходе следует вместо термина «вычислительная СРВ» использовать термин «управляющая СРВ», так как вычислительную СРВ можно считать частным случаем управляющей СРВ, ведь система управления может быть основана не на вычислительных устройствах, а, например, на аналоговых преобразователях.
Однако, во-первых, подавляющее большинство современных управляющих СРВ являются вычислительными, так как большинство
9
Рис. 3. Комплексная система |
Рис. 4. Комплексная система |
реального времени, состоящая |
реального времени, состоящая |
из трех компонентов |
из двух компонентов |
современных систем управления основано на тех или иных видах вычислительных устройств. Во-вторых, необходимость разработки именно вычислительных СРВ обусловливает проблему организации программного обеспечения применительно к специфике РВ. Поэтому в рамках комплексной СРВ на месте системы управления будем рассматривать именно вычислительную СРВ.
В модели большой комплексной системы человек-оператор может отсутствовать, и тогда мы имеем дело с комплексной СРВ, состоящей только из двух компонентов: системы управления и объекта управления (рис. 4).
При этом следует выделить важный класс комплексных СРВ, в которых отсутствует человек-оператор и вычислительная СРВ взаимодействует с другими комплексными системами реального времени (рис. 5).
Кроме того, объект управления также может взаимодействовать с другими комплексными СРВ (см. пунктирные стрелки на рис. 5), например, за счет физической связи с объектами управления в составе других комплексных СРВ.
10