Реализация системы управления реального времени в ОС Windows

Кафедра «Программное обеспечение ЭВМ и информационные технологии»

 

Курсовая работа

на Тему: «Реализация системы управления реального времени в ОС Windows»

Содержание

1. Введение

2. Конструкторская часть

2.1. Общие принципы

2.2. Програмное обеспечение

2.2.1. Драйвер режима ядра

2.2.2. Управляющее приложение

2.2.3. Приложение для создания нагрузки

2.2.4. Обратная связь

3. Технологическая часть

3.1. Выбор средства разработки

3.2. Организация задержек

3.3. Взаимодействие с драйвером

4. Исследовательская часть

4.1. Цели и задачи

4.2. Конфигурация тестового стенда

4.3. Работа на небольших частотах

4.4. Точность изменения задержек

4.5. Точность работы таймера

4.6. Увеличение частоты срабатывания

4.7. Работа параллельно с другими приложениями

4.7.1. Нагрузка на подсистему GDI

4.7.2. Работа со страничными отказами

5. Заключение

Приложение 1. Исходный код управляющего потока

Приложение 2. Исходный код рабочего потока

1. Введение

В настоящее время компьютеры прочно вошли в нашу жизнь. Сложно найти такой аспект повседневной жизнедеятельности, в которой еще не используется современная вычислительная техника. Не являются исключением и различные научно-исследовательские работы. Так, к нам в руки попало специальное устройство, предназначенное для аналого-цифрового и цифро-аналогого преобразования сигнала на аппаратном уровне. С устройством поставляется специальный драйвер для работы в операционной системе (далее ОС) Windows.

После первых же экспериментов с устройством выяснилось, что работа с ним возможна только на небольших частотах обрабатываемого сигнала. При увеличении частоты наблюдается искажение сигнала связанное с тем, что система не успевает обрабатывать приходящие данные и выдавать данные в ответ. Этот результат можно считать закономерным, учитывая что ОС Windows вообще говоря не является операционной системой реального времени. Однако, сама операционная система содержит в себе набор средств, которые предположительно могут позволить создать систему управления реального времени в ОС Windows.

2. Конструкторская часть

 

2.1 Общие принципы

Одним из возможных способов решения поставленной задачи может быть использование специальных потоков реального времени ОС Windows. Такие потоки имеют приоритеты от 16 до 31 и выполняются в режиме ядра. Кроме того, важным отличием таких потоков от обычных является то, что они являются потоками с добровольной передиспетчеризацией. Это означает, что если такой поток получает процессор (как системный ресурс), то он будет занимать его до тех пор, пока сам добровольно не вернет его системе, т.е. не перейдет в состояние блокировки (например в ожидание на функции WaitForSingleObject).

Именно этой особенность системных потоков реального времени мы и попробуем воспользоваться при реализации системы управления реального времени в ОС Windows.

 

2.2 Программное обеспечение

Для проведения исследований нам понадобится следующий набор программных средств: драйвер режима ядра, управляющее приложение, приложение для создания нагрузки, обратная связь.

Каждый из этих пунктов подробнее рассматривается далее в этом разделе.

 

2.2.1 Драйвер режима ядра

Для создания системных потоков нам необходимо использовать драйвер, которым в нашем случае является драйвер виртуального устройства. Связано это с тем, что в ходе наших исследований использование реального устройства было невозможно, кроме того, в этом не было острой необходимости. Работу реального устройства мы будем эмулировать при помощи еще одного системного потока внутри нашего драйвера.

Итак, при начальной инициализации (в функции DriverEntry) драйвер запускает два системных потока. Первый из них (эмулирующий реальное устройство, управляющий поток, см. Приложение 1) исполняется с приоритетом 31 и ждет на системном объекте «ожидающий таймер» (waitable timer). Это позволяет потоку пробуждаться через заранее определенные промежутки времени и будить второй поток, имитируя тем самым приход некоторых данных от внешнего устройства.

Второй поток (рабочий поток, см. Приложение 2) выполняется с настраиваемым приоритетом (от 16 до 30) и предназначен для обработки данных приходящих от внешнего устройства. Для этого он ждет на событии до тех пор пока оно не будет взведено управляющим потоком. Затем поток выполняет некоторое число холостых циклов на процессоре для имитации обработки данных. Количество таких циклов зависит от того, какую длительность задержки мы хотим использовать.

 

2.2.2 Управляющее приложение

При помощи специального приложения происходит управление работой драйвера. Внешний вид этого приложения показан на рис. 2.1.

Рис 2.1. Внешний вид управляющего приложения.

Верхняя кнопка позволяют установить драйвер. Следующие три поля ввода позволяют задать соответственно приоритет рабочего потока (от 2 до 30), частоту запросов от эмулируемого внешнего устройства (в герцах) и задержку (в 100-наносекундных интервалах), которая будет использована для имитации обработки полученных от устройства данных.

Нижняя кнопка позволяет применить сделанные изменения.