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Tema 7:
Software y SS.OO. para computadores
Industriales
INDICE:
hSS.OO. para sistemas empotrados
hKernel para microcontroladores
Tema 7: Software y SS.OO para computadores industriales
Informática Industrial 3º Ing. Técnico Industrial en Electrónica Industrial
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Conceptos Básicos
h Un sistema operativo es un conjunto de programas que
ofrecen una serie de servicios a otros programas:
–
–
–
–
–
–
–
Administra recursos
Ofrece sistemas de protección
Virtualiza el acceso al hardware
Se comporta como un biblioteca de funciones
Aporta herramientas de desarrollo
Gestiona tareas
Mejora la portabilidad de las aplicaciones
Z kernel: conjunto de programas de un SS.OO. que tiene
acceso al hardware o realiza funciones de críticas de
administración
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SS.OO. para computadores industriales
Conceptos Básicos
h Portabilidad: capacidad de la aplicaciones para se
ejecutadas en distintos sistemas informáticos
h El factor más importante que determina un sistema
informático es el procesador que usa, lo cual determina
la plataforma:
–
–
–
–
Intel o AMD (PC-x86)
Apple (PowerPC)
Sun (SPARC)
Silicon Graphics (MIPS)
Z Otros elementos a tener en cuenta son: buses,
arquitectura de la memoria, sistemas gráficos y
sonoros…
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Conceptos Básicos
h Cada plataforma hardware tiene asociada una
software:
–
–
–
–
Windows
MacOs
Solaris
IRIS
ZTambién las hay multiplataforma:
ZGNU/LINUX
ZFreeBSD
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Conceptos Básicos
hLa portabilidad puede entenderse en
niveles:
– Código Binario
• Máquina
• Intermedio
– Código Fuente
• Compilado
• Interpretado
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Conceptos Básicos
h Compatibilidad a nivel de código fuente:
– Mismo lenguaje
– Mismo compilador (en muchos casos)
Z Un programa hecho en Visual C++ no compilará con
gcc
Z Las normas ISO pueden no ser soportadas por todas
las plataformas
Z El compilador genera código para una familia de
procesadores Æ no será posible la ejecución
inmediata en otros procesadores.
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Conceptos Básicos
h Compatibilidad con código interpretado:
– Sólo es necesario un interprete en el sistema destino
• Perl ò JavaScript
Z No es un buena opción para sistemas empotrado, debido a la
ineficiencia
h Debe ejecutarse en el sistema operativo para el que fue
desarrollado Æ uso de bibliotecas que sean
multiplataforma:
–
–
–
–
–
–
OpenGL: Dibujo de Gráficos
OpenAL: Gestión del sonido
SDL: funciones multimedia
FLTK y vxWindows: Desarrollo de aplicaciones de escritorio
KDElibs: sistemas de escritorio
Pthreads: programación concurrente.
ZAl utilizar elementos comunes podemos perder algunas
de la funcionalidades mas interesantes de sistema final
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Conceptos Básicos
h Compatibilidad a nivel de código máquinaÆ muy difícil
entre familias diferentes.
– Solaris compatible con CGN/Linux
– PC compatibles con MS-DOS o Windows
ZLa emulación puede ser una solución, pero no respeta
los tiempos del sistema final y es más lenta.
h Compatibilidad código intermedio:
– Lingo o Flash
– Java ó .NET
Z POSIX (Portable Operating System Intefaces) Æ
conjunto de estádares sobre sistemas operativos,
incluyen especificaciones para sistams operativos en
tiempo real
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Elementos de un sistema informático
hProcesador
– Determina el resto de los componentes
– Sistemas de protección Æ limitar el uso de
recursos hardware e impedir que diferentes
tareas interfieran
• Modo usuario: modo más restringido Æ
aplicaciones
• Modo núcleo: acceso a todo Æ SS.OO., funciones
como deshabilitación de interrupciones.
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Elementos de un sistema informático
h Tareas: Cualquier programa que se encuentre
cargado en memoria desde la que puede ser
procesado en el CPU.
– Deben se lo más independientes posibles
– Tendrán mecanismos para comunicarse con el
exterior y con otras tareas
– Dispondrán de una zona de memoria para almacenar
su estado y datos.
h Multitarea
• Monotarea: sistema que sólo puede ejecutar un programa
• Multitarea: se pueden mantener varios programas en
ejecución a la vez
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Elementos de un sistema informático
– Los sistemas basado en DSP son monotarea
– Los basados en Windows o UNIX son Multitarea
– MS-DOS es monotarea, pero se puede implementar
la multitarea fácilmente.
– Tipos de multitarea:
• Cooperativa: cada tarea cede voluntariamente el uso de la
CPU cuando pasa un tiempo Æ malo en sistemas en tiempo
real (SS OO no apropiativos ej. Windows 3.11, sistema de
planificación estática.)
• Apropiativa: el sistema operativo toma el control de la CPU
aunque la tarea que esta en ejecución no se lo ceda
(multitarea expulsiva ej.: Windows XP, GNU/Linux, MacOS,
FreeBSD).
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Elementos de un sistema informático
h Interrupciones: mecanismo por el cual se
comunica a un sistema informático que ha
ocurrido un evento externo Æ muy útiles para
sistemas en tiempo real Æ permite respuestas
rápidas a eventuales cambios externos
– Identificar el tipo
– Buscar dirección de la Rutina de Atención de la
Interrupción
– Salvar el estado de la tarea que se estuviera
ejecutando
– Saltar y ejecutar a la Rutina de Atención de la
Interrupción
– Recuperar el estado de la tarea que fue interrumpida.
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Elementos de un sistema informático
hEn circunstancias delicadas es necesario
poder deshabilitar las interrupciones Æ
interrupciones enmascarables.
hLa inexistencia de un mecanismo de
interrupciones imposibilita la creación de
un Sistema Operativo en Tiempo Real.
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Elementos de un sistema informático
h Latencia de interrupción: tiempo que se tarda en
comenzar el ciclo de reconocimiento de una
interrupción, en el peor de los casos:
– Tiempo en ejecutarse la instrucción más larga.
– El periodo de tiempo más largo en el que las interrupciones
están deshabilitadas
– Tiempo que se tarda en ejecutar las interrupciones con mas
prioridad, que se pudieran producir
h Tiempo de respuesta: tiempo desde que se solicitó las
interrupción hasta que comienza a ejecutarse la Rutina
de Servicio de Interrupción
h Tiempo de procesamiento
h Tiempo de recuperación: tiempo que transcurre entre
que se produce la interrupción y se vuelve al estado
original
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Elementos de un sistema informático
h Para minimizar el impacto de una interrupción:
– El tiempo en el que se pueden deshabilitar las
interrupciones lo menor posible
– El tiempo de procesado pequeño
• Bucle limitados
• Computación simple, no operaciones complejas
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Elementos de un sistema informático
h La rutina de servicio de interrupción no genera
la salida sino que es una tarea normal la que lo
hace
h Se comunican por medio de una cola (FIFO).
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Elementos de un sistema informático
h Interrupciones no enmascarables son las que no
se pueden deshabilitar:
–
–
–
–
Notificación de avería en el reloj
Tensión de alimentación baja
RESET
Watch dog
h Pulso de reloj está producido por un sistema
resonador basado en un cristal de cuarzo.
– Permite realizar temporizadores
– Para desarrollar un sistema operativo en tiempo real
es necesario emplear al menos una interrupción de
reloj.
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Elementos de un sistema informático
h Niveles de memoria: una parte de SS.OO. se
encarga de gestionar la memoria
h La memoria esta dividida en niveles:
– Para tener más memoria
– Para tener los datos en los registro de la CPU cuando
se necesiten
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Elementos de un sistema informático
h Para acelerar la búsqueda:
– Coherencia espacial
– Coherencia temporal
h En la memorias caché se almacena la
información que se supone que el procesador
va ha usar en un futuro cercano
h Si pasa mucho tiempo desde que se uso un
dato, este se descarte y se pone en su lugar
otro que tenga alta probabilidad de ser usado, si
fue modificado se guarda su modificación el
lugar de donde viniera.
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h Sistema Operativo de Tiempo Real (S.O.T.R.):
S.O. diseñado específicamente para ejecutar
tareas con restricciones de tiempo real.
– SOTR tiene una gran integración con la máquina
donde se ejecuta.
– Da soporte para la ejecución de tareas de control
simples y monótonas que rara vez cambian a lo largo
de la vida útil del sistema
– No da soporte para el desarrollo y para la depuración
Æ Necesidad de una computadora adicional para
llevar a cabo estas tareas.
ZSOTR tienen un gran determinismo temporal
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h Tiempo de primera respuesta: tiempo desde que se empieza a
ejecutar la tarea y se ofrece el primer resultado.
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h Máquina desnuda
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h Carecen de S.O.
h Pequeños
h Tareas sencillas
h El programador, debe realizar todas las rutinas
de servicio de interrupción, los subprogramas de
E/S y las rutinas de computo
h Se suele programar en C o en ensamblador
h Existe comunicación directa entre el software y
el hardware
h Todas la tareas comparte la misma zona de
memoria
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h Sistema Operativo Monolítico
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h Cuenta con las rutinas de servicio de interrupciones y
con conjunto de interfaces para el acceso de recursos.
h El uso del hardware se hace a través del S.O. por medio
de llamadas que se ejecutan de forma transparente para
las aplicaciones
h Protección de recursos, implementa algún mecanismo
de asignación de recursos, incluido el procesador
h Capacidad para hacer conmutar de modo al procesador
h Rutinas de interrupción muy simple, el trabajo
computacional se pasa a las tareas de aplicaciones
h Cada tarea usa una zona de memoria independiente
h El núcleo no es modular
h Tiene soporte para multitarea
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h Sistema Operativo estructurado en capas
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h Módulos independientes
h Cada módulo se encarga de un aspecto
diferente: tareas primitivas, tareas clientes,
memoria, archivos, dispositivos, etc.
h Para acceder a las capas más profundas es
necesario pasar por la capas intermedias Æ
tambien para accerder al hardware
h Las llamadas van hasta la capa correspondiente
y vuelven al usuario
h Biblioteca de funciones
h El sistema de ralentiza conforme aumenta el
número de capas
h Cambios en una capa afectan al resto
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h Micronúcleo (µ-kernel)
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h Menor cohesión entre las partes
h El núcleo sólo se encarga de las tareas
esenciales: asignación CPU, conmutación entre
tareas, etc.
h Más seguro Æ un fallo en un modulo no afecta
al resto
h Facilidad para insertar nuevos módulos, o
cambios en los mismos
h Pierde rendimiento frente al monolítico Æ las
rutinas no comparten zonas de memoria
h Biblioteca de funciones de bajo nivel
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Apropiativo Vs. No apropiativo.
h El núcleo apropiativo (el S.O. toma la CPU cuando lo necesita):
– Es el más difícil de desarrollar, pero es más fácil de usar la
determinación teórica de la ejecutabilidad de un sistema complejo es
más complicada que con un núcleo no apropiativo.
– Es más complejo, pero maximiza el uso de la CPU al permitir la
coexistencia de tareas de TR y otras tareas no críticas.
h El núcleo no apropiativo (las tareas se ceden el uso de la CPU):
– A menudo se debe invertir más tiempo programando el resto del
sistema debido a las capacidades tan limitadas del núcleo, pero es
mejor para aquellos procesadores que estén técnicamente muy
limitados como los que no disponen de interrupciones por
temporización.
– Puede ser más predecible en los tiempos de respuesta para STR
simples, pero en esos casos se requiere un conocimiento temporal
exacto de todas las tareas que intervengan.
– Es más fácil calcular teóricamente el máximo tiempo en completar un
trabajo determinado, ya que no será interrumpido por otros, y la
sincronización entre tareas está implícita en el código.
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hCapacidad de un sistema para varias
cosas a la vez Æ El S.O. debe mantener
la información de cada tarea en ejecución.
hUso concurrente de recursos: cuando
varias tareas usan el mismo recurso
– Dispositivos E/S
– Zona de memoria, variables globales
– Código de una rutina.
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hEjercicio
Realizar las modificaciones en el programa
anterior para ejecutar la función
CompruebaNumero() de la forma más
segura. Para ella se cuenta con las llamadas
HabilitarInt() y DeshabilitarInt()
que respectivamente habilitan y deshabilitan
las interrupciones enmascarables
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Kernel para microcontroladores: µC/OS-II
h µC/OS-II: Kernel en tiempo real
– Código fuente: se ofrece el código fuente, que puede ser
modificado.
– Portable: Escrito en ANSI C, sólo lo estrictamente necesario
está escrito en lenguaje ensamblador de la máquina objetivo.
Puede ser compilado para multitud de procesadores:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
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Analog Devices AD21xx
Advanced Risc Machines ARM6, ARM7
Hitachi 64180, H8/3xx, SH series
Intel 80x86 (Real and PM), Pentium, Pentium-II, 8051, 8052, MCS251, 80196, 8096
Mitsubishi M16 and M32
Motorola PowerPC, 68K, CPU32, CPU32+, 68HC11, 68HC16
Philips XA
Siemens 80C166 and TriCore
Texas instruments TMS320
Zilog Z-80 and Z-180
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Kernel para microcontroladores: µC/OS-II
h “ROMable”: Se puede incluir en la version final del
producto sin coste adicional
h Pequeño y ampliable: Se puede incluir sólo aquello que
es necesario, su tamaño puede reducirse a 2K bytes de
código y 200 bytes de datos (los modules se indican con
un simple #define)
h Preventivo: Se ejecuta como una tarea de alta prioridad.
h Multitarea: puede ejecutar hasta 64 tareas: 8 son del
sistema. Implementa 64 niveles de prioridad.
h Determinista: Es posible conocer el tiempo que tardan
en ejecutarse todas las funciones del sistema. Dicho
tiempo NO depende del numero de tareas que tenga la
aplicación
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Kernel para microcontroladores: µC/OS-II
h Pila de las tareas: Permite asignar una cantidad
de memoria diferente a cada tarea.
h Ofrece: Buzones, colas, semáforos,
monitorización de tareas, monitorización del
tiempo,…
h Control de Interrupciones con 255 niveles.
h Es usado en cientos de productos comerciales:
cámaras, instrumentos musicales,
h Validado para uso en sistemas críticos y de uso
en entornos médicos.
Z www.uCOS-II.com
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