Технические и программные средства систем реального времени

Допущено
Учебно-методическим объединением вузов
по университетскому политехническому образованию
в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению подготовки 230100
«Информатика и вычислительная техника»

Ю. Г. Древс

ТЕХНИЧЕСКИЕ
И ПРОГРАММНЫЕ
СРЕДСТВА СИСТЕМ
РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

3-е издание, электронное

У Ч Е Б Н И К  Д Л Я  В Ы С Ш Е Й  Ш К О Л Ы
У Ч Е Б Н И К  Д Л Я  В Ы С Ш Е Й  Ш К О Л Ы

Москва
Лаборатория знаний
2020

УДК 004.3
ББК 32.973-02

Д73

С е р и я о с н о в а н а в 2009 г.

Древс Ю. Г.

Д73
Технические и программные средства систем реального времени : учебник / Ю. Г. Древс. — 3-е изд.,
электрон. — М. : Лаборатория знаний, 2020. — 337 с. —
(Учебник для высшей школы). — Систем. требования:
Adobe Reader XI ; экран 10". — Загл. с титул. экрана. —
Текст : электронный.
ISBN 978-5-00101-917-6
Изложены принципы построения аппаратуры, особенности
операционных систем, программирование, отладка и испытания, а также вопросы эксплуатации систем управления
физическими объектами. При рассмотрении операционных
систем внимание обращено на элементы, имеющие особое
значение для систем реального времени: диспетчеризацию
и синхронизацию задач, организацию прерываний и счет
времени. Кратко рассмотрено программирование задач управления реального времени. Приводятся сведения по методике
отладки и характеристикам эксплуатации подобных систем.
Для
подготовки
бакалавров
по
информатике и
вычислительной
технике,
будет
полезен
магистрам,
а
также
специалистам по автоматизированным системам управления
и обработке информации.
УДК 004.3
ББК 32.973-02

Деривативное издание на основе печатного аналога: Технические и программные средства систем реального времени :
учебник
/ Ю. Г. Древс. — М. : БИНОМ. Лаборатория
знаний, 2015. — 334 с. : ил. — (Учебник для высшей школы). —
ISBN 978-5-9963-1724-0.

В
соответствии
со
ст. 1299
и
1301
ГК
РФ
при
устранении
ограничений, установленных техническими средствами защиты
авторских
прав,
правообладатель
вправе
требовать
от
нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации

ISBN 978-5-00101-917-6
c○ Лаборатория знаний, 2015

2

Многолетний опыт чтения лекций по основам построения 
автоматизированных систем управления реального времени и практическое отсутствие учебников и учебных пособий 
по этой тематике привели к мысли о целесообразности систематизированного изложения материала, имеющего отношение к этой проблеме. 
Автоматизация является важнейшей технологией, 
обес печивающей эффективность производства, а автоматизированные системы управления реального времени — 
важнейшая составная часть автоматизации. Ее будущее не 
ограничено производством: ей отведена решающая роль в 
эффективном использовании природных ресурсов, в защите 
окружающей среды от быстрого и неконтролируемого промышленного развития, в обороне и в научных исследованиях. Автор глубоко убежден в том, что элементарные знания 
о системах реального времени должны быть частью общего 
информационного багажа специалиста по автоматизированным системам обработки информации и управления. 
Конечно, молодому специалисту не поручат сразу проектировать всю систему управления. Скорее всего, он получит для разработки лишь небольшой ее фрагмент. Однако 
практика показала, что без знания структуры всей системы, 
не имея представления о взаимодействии всех ее элементов, 
ему вряд ли удастся найти оптимальный вариант построения своего небольшого элемента.
Из данного учебника нельзя извлечь сведений о том, 
как нужно проектировать систему управления реального 
времени, но можно и нужно представить, какие средства 

ПРЕДИСЛОВИЕ

Предисловие

должны быть в ее составе и как они могут быть объединены 
для совместной работы.
Автор выражает глубокую признательность коллективу кафедры «Управляющие интеллектуальные системы» 
национального исследовательского ядерного университета 
«МИФИ» за постоянное внимание к данной дисциплине и 
коллегам: доктору технических наук профессору Я. А. Хетагурову, кандидату технических наук доценту Е. Ф. Березкину и кандидату технических наук доценту В. Б. Шувалову за 
отдельные замечания по тексту, которые помогли избежать 
некоторых неточностей изложения.
Особую благодарность автор приносит строгим, но доброжелательным рецензентам доктору технических наук 
профессору Л. И. Григорьеву, доктору технических наук 
профессору В. А. Острейковскому и начальнику научноисследовательского отделения НТЦ «НИЭМИ» ОАО ГСКБ 
«Алмаз–Антей» кандидату технических наук В. Ф. Церцеку, которые взяли на себя нелегкий труд анализа рукописи 
и чьими советами автор воспользовался.
Не могу также не поблагодарить моих студентов, общение с которыми помогло выстроить концепцию этого учебника и определить должный уровень изложения материала.

1.1. 
УПРАВЛЕНИЕ  КАК  ПРОЦЕСС  ПРИНЯТИЯ 
И  РЕАЛИЗАЦИИ  РЕШЕНИЙ

В повседневной деятельности мы часто сталкиваемся с терминами «управлять», «регулировать» и понимаем под этими терминами задачу воздействия на параметры объекта 
для достижения определенных целей. Естественно называть управлением целенаправленное изменение параметров 
объекта управления. 
Совокупность наиболее важных параметров, от которых 
зависит функционирование объекта управления, описывает его состояние. Знание состояния объекта управления — 
важнейший фактор, определяющий принятие решения по 
управлению. Другой важный фактор — возмущения, которым подвергается объект управления со стороны других 
объектов, состоянием которых мы не можем управлять. 
Множество таких объектов объединяется понятием «внешняя среда». На основе оценок состояния объекта управления и внешней среды принимается решение по управлению; 
конечно, при этом учитывается цель функционирования и 
ресурсы, которыми мы располагаем. После того как решение принято, оно реализуется с потреблением ресурсов. Так 
мы приходим к структурной схеме процесса управления, 
показанной на рис. 1.1.
Управление осуществляется путем выдачи на объект 
управляющих воздействий

X(t) = (x1, x2,…, xn; t).

Г Л А В А

ВВЕДЕНИЕ
1

Глава 1. Введение

Кроме них объект управления подвергается воздействию возмущений со стороны внешней среды; часть из них

Z(t) = (z1, z2,…, zm; t)

измеряется, другая часть
F(t) = (f1, f2, …, fs; t)

неизвестна (часто неизвестно также значение s).
Контролируемые параметры, по которым ведется управление,
Y(t) = (y1, y2, …, yr; t), — 

это управляемые параметры. Они дают обобщенную информацию о состоянии объекта управления

S(t) = (s1, s2, …, sk; t).

Смена состояний объекта управления определяет процесс его функционирования:

S(t) =[X(t), Z(t), F(t),Y(t), S(t – 1)].

Задача управления состоит в том, чтобы найти такую 
функцию X(t), которая обеспечила бы перевод объекта в заданное конечное состояние S*, соответствующее цели его 
функционирования. Этот перевод должен закончиться за 
конечное число шагов и требовать минимальных затрат ресурсов R. 

. 1.1. Структурная схема процесса управления

1.2. Классификация  систем  управления 
7

Для управления объектом создается система управления. Под системой принято понимать совокупность связанных между собой элементов. Система характеризуется 
структурой R = <E, C, >, где Е — множество элементов; 
С — множество связей между элементами; — соответствие 
между элементами.
При этом элементом называется часть системы, не подлежащая дальнейшему делению на части при данном уровне 
рассмотрения. Элементы могут представлять собой понятия, 
и тогда мы будем иметь дело с понятийной системой; если 
элементами системы являются физические объекты, то налицо техническая система. Заметим, что в определении отмечается некоторая совокупность, т. е. некоторая целостность. Нас интересуют не отдельные элементы, а все вместе, 
взятые в некотором единстве. Принципиальным является 
необходимость учета взаимодействия элементов, так как 
именно оно придает совокупности элементов новое качество.
Часть элементов системы, выделенная на основе какойлибо общности элементов, называется подсистемой.
Системы, создаваемые человеком, обладают целью 
функционирования. Именно наличие цели служит тем объединяющим фактором, на основе которого объединяются 
элементы. Такие системы называют организованными системами.

1.2. 
КЛАССИФИКАЦИЯ  СИСТЕМ  УПРАВЛЕНИЯ

Тип системы зависит от того, как принимается решение по 
управлению. Если в процессе принятия решения участвует 
человек, то такая система называется автоматизированной (АСУ); если человек исключен из процесса принятия 
решения, то имеет место автоматическая система управления (САУ).
По физической природе объекта управления различают 
системы управления технологическими процессами, где 
объект управления представляет собой физический объект, 
и системы управления экономико-организационного типа, 
в которых объектом управления является хозяйственная 
деятельность. В последнее время создаются интегрирован

Глава 1. Введение

ные системы управления, в которых присутствуют объекты 
обоих типов.
Другим признаком, по которому классифицируются 
системы, является время принятия решения. В системах 
управления оно зависит от динамики объекта, которая может быть различной: от миллисекунд до часов и дней. Условная граница лежит на уровне 100 мс: если время принятия решения не превышает этой величины, то говорят, 
что система функционирует в реальном масштабе времени; если превышает, то говорят о произвольном масштабе. 
Системы управления технологическими процессами всегда 
функционируют в реальном масштабе времени. Время в таких системах является одним из факторов, определяющих 
эффективность системы.
Хорошим примером систем реального времени является промышленный робот, который должен брать что-то с 
ленты конвейера. Объекты на конвейере движутся, и робот 
имеет некоторый интервал времени для того, чтобы схватить объект. Если робот опоздает, объекта уже не будет на 
месте, и поэтому работа будет неверной. Если робот поспешит, объекта там еще не будет.
Принято различать системы «жесткого» и «мягкого» 
реального времени.
Системой «жесткого» реального времени называют 
систему, в которой неспособность обеспечить реакцию на 
какие-либо события в заданное время является отказом и 
ведет к невозможности решения поставленной задачи. В качестве условной временной границы допустимого времени 
реакции обычно принимают 100 мкс. В жесткой системе:

никакое опоздание неприемлемо ни при каких обстоятельствах;

результат, выданный с опозданием, бесполезен;

нарушение крайнего срока времени отклика рассматривается как катастрофический отказ;

цена превышения заданного времени отклика бесконечно велика.

Точного определения для «мягкого» реального времени не существует, но принято считать, что система иногда 

1.2. Классификация  систем  управления 
9

 может не успевать делать все, что надо, в установленные 
сроки. В мягкой системе:

цена за опоздание результата возрастает с увеличением 
запаздывания;

критическим фактором является низкая производительность, а не опоздания. 
В терминах вероятностей эти определения могут быть 
записаны следующим образом:
1) для систем «мягкого» реального времени
P{|t – t0| >t} > 0; 

2) для систем «жесткого» реального времени 
P{|t – t0| >t} = 0, 

где t — фактический момент выдачи управляющего воздействия; t0 — заданный момент выдачи управляющего воздействия; t — допустимая погрешность.
Главное свойство систем реального времени — предсказуемость, или детерминированность. Только благодаря 
этому свойству разработчик может гарантировать корректность спроектированной системы. При этом собственно скорость реакции системы важна только как относительная 
скорость по отношению к скорости протекания внешних 
процессов, за которыми система реального времени (СРВ) 
должна следить или которыми должна управлять.
В зависимости от функций, выполняемых системой 
управления, различают следующие виды (формы) автоматизации: управление, регулирование, контроль, защита и 
блокировка.
Управление представляет собой принятие решений и 
выдачу на объект управления совокупности воздействий, 
выполняемых на основании информации о ходе технологического процесса, с целью поддержания требуемого технологического режима или улучшения его параметров. Обычно предполагается, что управление подразумевает поиск и 
реализацию оптимального (по определенному критерию) 
решения.
Регулирование представляет собой принятие решений 
и выдачу на объект управления совокупности воздействий, 

Глава 1. Введение

выполняемых на основании информации о ходе технологического процесса, с целью поддержания параметров производственных процессов постоянными или изменяющимися 
по заданному закону.
Контроль — это наблюдение за параметрами объекта 
управления с целью определения его состояния. Управление и регулирование не могут реализоваться без контроля. 
Параметры, подлежащие контролю, в зависимости от их 
физической природы различны (температура, давление, 
расход топлива, число оборотов, сила тока и т. п.). Контроль 
может быть местным и дистанционным.
Местный контроль дает возможность наблюдать за состоянием параметра непосредственно в контролируемой 
точке. При дистанционном контроле за состоянием параметров можно следить на расстоянии от контролируемой 
точки.
Защита — это комплекс средств и мероприятий по предохранению агрегатов и установок при нарушениях технологических режимов.
Блокировка — это комплекс средств и мероприятий, 
предохраняющих участок установки  или агрегат от неправильных операций вследствие невнимательности оператора 
или ошибочных команд. Различают две группы блокировки: запретно-разрешающую и аварийную. 
Запретно-разрешающие блокировки предотвращают 
неправильные включения и отключения механизмов, а также нарушение установленной технологическими требованиями очередности пуска и остановки различных механизмов.
Аварийные блокировки предназначены для автоматического последовательного отключения (включения) механизмов в соответствии с режимом работы агрегата, подвергшегося аварийному отключению.
Блокировочные устройства применяют также в случаях, 
когда требуется исключить одновременную подачу команд 
противоположного знака на один и тот же регулирующий 
орган из разных мест или от автоматического и дистанционного управления, когда оба вида управления действуют 
параллельно.