К ВОПРОСУ РЕАЛИЗАЦИИ МУЛЬТИВЕРСИОННОЙ СРЕДЫ ИСПОЛНЕНИЯ БОРТОВОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АВТОНОМНЫХ БЕСПИЛОТНЫХ ОБЪЕКТОВ СРЕДСТВАМИ ОПЕРАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ


Цитировать

Полный текст

Аннотация

Рассматриваются вопросы функциональной и алгоритмической реализации мультиверсионной среды исполнения модулей как компонентов бортового программного обеспечения автономных беспилотных объектов средствами операционной системы реального времени. Приведен один из подходов к реализации мультиверсионной среды исполнения - реализация принципа псевдопараллельности, а именно, имитация параллельного исполнения задач (тредов) путем разделения времени их исполнения. Определено, что функциональный потенциал рассматриваемой операционной системы, выраженный в наличии планировщика тредов и временной базы как инструмента выполнения действий через строго выделенные интервалы времени, механизма очередей, обмена сообщениями, способен быть использован в качестве функциональной поддержки изыскиваемой среды. Также озвучена возможность портирования, т. е. адаптирования к исполнению на однокристальных микроЭВМ (микроконтроллерах), что, в свою очередь, способствует возможности апробации идеи на доступных инструментальных средствах. Циклограммой реализован процесс обмена сообщениями между несколькими тредами как процедуры возврата результата голосования посредством механизма очередей, который является безопасным способом взаимодействия тредов друг с другом и решает проблему совместного доступа нескольких тредов к одному аппаратному ресурсу, роль которого в данном случае играет память. Также приведены основные API-функции, сопровождающие процесс алгоритмизации обмена сообщениями, такие как запуск планировщика, создание тредов, создание очереди, запись в очередь, чтение из нее и пр. Рассматриваемый механизм обмена сообщениями совместно с планировщиком и системой приоритетов, реализуемые средствами операционной системы реального времени, позволяют выстраивать более гибкие алгоритмы вотирования (голосования), способные варьировать весами N-версионных модулей и, как следствие, влиять на показатели надежности мультиверсионного программного обеспечения, в том числе для реализации мультиверсионной среды исполнения бортового программного обеспечения автономных беспилотных объектов.

Полный текст

Описание проблемы. Задача проектирования и программной реализации модулей обеспечения функционирования бортового программного обеспечения автономных беспилотных объектов в контексте методологии мультиверсионного программного обеспечения не является тривиальной [1; 2]. При этом не менее важной является задача формирования мультиверсионной среды исполнения программно-реализованных модулей, поскольку минимально необходимыми требованиями обеспечения функционирования подобной среды является соблюдение ряда условий. Во-первых, необходимо обеспечить реализацию адекватного механизма вотирования [3], т. е. механизма принятия решения о достоверности возвращаемого модулем результата путем голосования; во-вторых, обеспечить обмен данными между модулями; в-третьих, обеспечить механизм вытеснения модуля в случае принятия подобного решения арбитром - программным компонентом, реализующим механизм вотирования, а также последующим добавлением нового модуля для сохранения заданного показателя надежности бортового программного обеспечения автономных беспилотных объектов (АБО). Поиск решения. Одним из подходов к реализации мультиверсионной среды исполнения, в том числе бортового программного обеспечения АБО, является реализация принципа псевдопараллельности, а именно, имитации параллельного исполнения тредов путем разделения времени их исполнения. Подобный функциональный принцип реализуем операционной системой жесткого реального времени RTOS (real-time operating system), а именно, одной из версий - FreeRTOS [4] - портированной, т. е. адаптированной к исполнению на SoC (System On a Chip), что способствует возможности апробации идеи на доступных инструментальных средствах [5]. Рассмотрим циклограмму (см. рисунок) реализации процесса обмена сообщениями между несколькими тредами как процедуры возврата результата голосования посредством механизма очередей, реализуемых FreeRTOS. Тред-приемник - это задача, реализующая сбор данных от N-версионных модулей (Тред-1, Тред-2, …, Тред-N) с целью последующего принятия решения арбитром, однако в описываемом процессе выполняющая только функцию приемника [5; 6]. Тред-1, -2 - это задачи, интерпретирующие N-версионные модули [7; 8], реализующие функции бортового программного обеспечения управления АБО. Алгоритмизация процесса обмена сообщениями. Временная составляющая данной циклограммы распределена по равным квантам времени. Момент времени «0» - инициализируется запуск планировщика FreeRTOS, который задействует состояние «Выполнение» треда с наиболее высоким приоритетом, в данном случае это Тред-приемник. Примечание. За запуск планировщика отвечает API-функция vTaskSrartScheduler(), за создание треда - API-функция xTaskCreate(). Момент времени «1» - Тред-приемник инициирует попытку произвести чтение элемента из очереди, но переходит в состояние «Блокирование», поскольку очередь пуста в момент ее создания. В данном состоянии Тред-приемник находится до момента возникновения данных в очереди или до момента истечения тайм-аута 120 мс. Следующим этапом является переход в состояние «Выполнение» одного из тредов-передатчиков (Тред-1 или Тред-2). Однозначно декларировать, какой из тредов перейдет в данное состояние, нельзя, поскольку каждый из них имеет равный приоритет. Предположим, это Тред-1. Примечание. За переход в состояние «Блокирование» и выход из него отвечает API-функция vTaskSuspend() и vTaskResume() соответственно. Момент времени «2» - Тред-1 записывает значение «25» в созданную пустую очередь. В этот момент происходит возврат из состояния «блокирование» Треда-приемника, поскольку функцией данного треда является захват данных из очереди, и приоритет его наиболее высокий. Примечание. За создание очереди отвечает API-функция xQueueCreate(), для записи элемента в конец очереди - реализация принципа FIFO, используется API-функция xQueueSendToBack(), для записи элемента в начало очереди - реализация принципа LIFO, используется API-функция xQueueSendToFront(). Момент времени «3» - получив доступ к очереди и считав данные из нее, вновь происходит его блокирование, так как очередь теперь пуста. Управление возвращается к прерванному Треду-1, который выполняет API-функцию вызова планировщика taskYIELD (). Примечание. За чтение элемента с последующим удалением его из очереди отвечает API-функция xQueueReceive(). Момент времени «4» - планировщик переводит в состояние «выполнение» равноприоритетный Тред-2, который, в свою очередь, записывает значение «50» в очередь. Циклограмма процесса обмена сообщениями между тредами Момент времени «5» - выходит из состояния «блокирование» высокоприоритетный Тред-приемник и производит считывание данных из очереди. Далее происходит следующая итерация цикла. Примечание. Текущее значение счетчика квантов времени может быть получено с помощью API-функции xTaskGetTickCount(). Заключение. Данный пример демонстрирует механизм обмена сообщениями, согласно которому значение, помещаемое в очередь задачей, интерпретирующей N-версионные модули (Тред-1, -2), представлено литерой (константой). Истинное значение, возвращаемое модулем как результат голосования, требует дополнительной алгоритмизации N-версионного модуля [9; 10], при этом значение, формируемое модулем, может принимать различный формат, в том числе формат булевых и целочисленных переменных [11], в зависимости от механизма вотирования [12]. Таким образом, механизм обмена сообщениями совместно с планировщиком и системой приоритетов, реализуемые средствами FreeRTOS, позволяют выстраивать более гибкие алгоритмы вотирования (голосования), способные варьировать весами N-версионных модулей и, как следствие, влиять на показатели надежности мультиверсионного программного обеспечения [13-15], в том числе для реализации мультиверсионной среды исполнения бортового программного обеспечения АБО.
×

Об авторах

И. В. Ковалев

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

В. В. Лосев

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Email: basilos@mail.ru
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

М. В. Сарамуд

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Д. И. Ковалев

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

М. О. Петросян

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Список литературы

  1. Ковалев И. В., Семенько Т. И., Царев Р. Ю. Методология оценки и повышения надежности программно-информационных технологий и структур : монография / Федер. агентство по образованию ; Краснояр. гос. техн. ун-т. Красноярк, 2005. 160 c.
  2. Multiversion environment creation for control algorithm execution by autonomous unmanned objects / I. V. Kovalev [et al.] // IOP Conference Series : Materials Science and Engineering V International Workshop on Mathematical Models and their Applications - 2016 (7-9 November 2016, Krasnoyarsk). 2017. Vol. 173. P. 012025.
  3. Ковалев И. В. Анализ проблем в области исследования надежности программного обеспечения: многоэтапность и архитектурный аспект // Вестник СибГАУ. 2012. Вып. № 3 (55). С. 78-92.
  4. Barry R. Using the FreeRTOS Real Time Kernel: ARM Cortex-M3 Edition. Real Time Engineers, 2010. P. 196.
  5. Инструментальные средства формирования мультиверсионной архитектуры отказоустойчивых программных систем / И. В. Ковалев [и др.] / М-во сельского хоз-ва Российской Федерации ; Краснояр. гос. аграрный ун-т. 2011. С. 152.
  6. Стельмах В. О., Ковалев И. В. Построение отказоустойчивых систем управления на основе мультиверсионного подхода // Информационно-телекоммуникационные системы и технологии (ИТСИТ-2012) : материалы Всерос. молодеж. конф. 2012. С. 172-173.
  7. Ковалёв П. В. Графоаналитический метод анализа мультиверсионных архитектур программного обеспечения // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований / Академия естествознания. 2009. № 6. С. 70.
  8. Kovalev I., Zelenkov P., Ognerubov S. The minimization of inter-module interface for the achievement of reliability of multi-version software // IOP Conference Series : Reshetnev Readings : Materials Science and Engineering XVII International Scientific Conference. 2015. Р. 012006.
  9. Kovalev I. V., Zelenkov P. V., Tsarev M. Y. The control of developing a structure of a catastrophe-resistant system of information processing and control // IOP Conference Series : Reshetnev Readings : Materials Science and Engineering XVII International Scientific Conference. 2015. Р. 012008.
  10. Ковалев И. В., Юнусов Р. В. Мультиверсионный метод повышения программной надежности информационно-телекоммуникационных технологий в корпоративных структурах // Телекоммуникации и информатизация образования. 2003. № 2. С. 50-55.
  11. Kovalev I. V., Dgioeva N. N., Slobodin M. Ju. The mathematical system model for the problem of multiversion software design // International Conference on Modelling and Simulation, MS’2004. AMSE, French Research Council, CNRS, Rhone-Alpes Region, Hospitals of Lyon. Lyon-Villeurbanne, 2004.
  12. Ковалев И. В., Слободин М. Ю., Ступина А. А. Математическая постановка задачи проектирования n-версионных программных систем // Проблемы машиностроения и автоматизации. 2005. № 3. С. 16-23.
  13. Engel E. А., Kovalev I. V. Information processing using intelligent algorithms by solving wcci 2010 tasks // Вестник СибГАУ. 2011. № 3 (36). С. 4-8.
  14. Лосев В. В., Ковалев И. В. Реинжиниринг информационного обеспечения интегрированных систем управления производством // Приборы. 2010. № 3 (117). С. 31-36.
  15. Оценка надежности АСУ с блокирующими модулями защиты / И. В. Ковалев [и др.] // Приборы. 2013. № 6. С. 20-23.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Ковалев И.В., Лосев В.В., Сарамуд М.В., Ковалев Д.И., Петросян М.О., 2017

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах