حوسبة الزمن الحقيقي real-time systems يأخذ تصميم منظومات الزمن الحقيقي أهميةً متزايدة مع دخول الحواسيب إلى مختلف التجهيزات، إذ أصبحت جزءاً لا يتجزأ من الطائرات والسيارات وخطوط الإنتاج والعمليات الصناعية. ولا يُسمح في هذه المنتجات حتى يُطلب من الحاسوب تطبيق مهمة معينة، وأن يُعطى زمناً غير محدود لإنجازها. ومنظومة الزمن الحقيقي هي نظام لمعالجة المعلومات يستجيب لتحريض ولج خارجي في مدة زمنية معينة ومنتهية. وتؤثر هذه القيود الزمنية في اختيار المعالج الصغري الأنسب لأداء المهمة المطلوبة. وفي أغلب الأحيان، يتكرر تطبيق مهمات الزمن الحقيقي دورياً، بحيث تُجمع في جميع مرة المعطيات من المحِسّات وتُحلَّل ثم تُولّد إشارة تحكم مناسبة. ولا يُفهم من ذلك حتى زمن تطبيق مهمة الزمن الحقيقي صغير جداً، إذ يكفي حتى يقلّ ذلك الزمن عن التأخير الأعظم المسموح به لإنجاز تلك المهمة.

يتضمن توصيف أي منظومة زمن حقيقي جزأين:

• توصيف منطقي: ويُقصد به المتطلبات اللازمة للحصول على نتائج سليمة.

• توصيف زمني: ويضم مجموعة القيود الزمنية التي تتطلب الحصول على المخارج في الوقت المناسب.

ينبغي إذن حتى تتسم تلك المنظومات بسلوك قابل للتنبؤ مهما كانت المداخل، وأن تتقابل مع العتاد مباشرة لتتحكم فيه. ولذا، تُطوّر لتلك المنظومات برمجيات خاصة تبعاً لحاجة الزبون.

أنواع منظومات الزمن الحقيقي

يمكن التمييز بين أربعة أنواع من منظومات الزمن الحقيقي:

• منظومة زمن حقيقي صلبة (عتادية) hard: تستجيب هذه المنظومة في المدة الزمنية المطلوبة حتماً، وإلا تتعرض للإخفاق حتماً، وقد يؤدي ذلك إلى كارثة أوخسائر مادية. ومثال ذلك، نظام التحكم في الطائرة، ونظام الكبح المضاد للإقفال ABS في السيارات.

• منظومة زمن حقيقي لينة (برمجية) soft: تراعي هذه المنظومة القيود الزمنية المفروضة عليها، ولكنها إذا أخفقت استمر النظام بالعمل على نحوسليم. ومثال ذلك، نظم تحصيل المعطيات إذ لا يؤدي التأخر في أخذ عينة معينة إلى توقف نظام التحصيل.

• منظومة زمن حقيقي حقيقية real: وهي نظم صلبة تتميز بأزمنة استجابة قصيرة، مثل نظام توجيه الصواريخ.

• منظومة زمن حقيقي راسخة firm: وهي نظم لينة، تتميز بأن التسليم المتأخر فيها للخدمة يفقد الفائدة المرجوة منها.

وقد شهدت السنوات الأخيرة اهتماماً واسعاً بمنظومات الزمن الحقيقي. وعلى الرغم من انتشار المنظومات الصلبة في الصناعة والأتمتة والتحكم في العمليات انتشاراً واسعاً، إلا حتى استخدام المنظومات اللينة قد ازداد زيادة إشارة أيضاً، ولاسيما في التجهيزات الذكية التي تتصل بشبكات سلكية أولاسلكية. وقد يحوي النظام الواحد عدداً متفاوتاً من منظومات الزمن الحقيقي بأنواع مختلفة.

مميزات منظومات الزمن الحقيقي

تتسم منظومات الزمن الحقيقي بمجموعة من الخصائص، أهمها:

• التعقيد والضخامة: إذ تضم المنظومة عادةً عدداً كبيراً من أسطر الرماز المكتوب بإحدى لغات البرمجة.

• التحكم المتساير: لكي تستطيع المنظومة التحكم في مكوِّنات النظام على التوازي، ينبغي بناؤها برمجياً وفق كيانات متسايرة.

• الموثوقية والأمان: بسبب استخدام المنظومات للتحكم في تجهيزات حرجة، فإن إخفاقها قد يؤدي إلى أضرار مادية جسيمة.

• التفاعل مع العتاد: يُطلب من هذه المنظومات إصدار أوامر التحكم اللازمة لقيادة التجهيزات الموصولة بها.

• السلوك القابل للتنبؤ: ينبغي على منظومات الزمن الحقيقي إنجاز مهمات معينة بزمن محدَّد، مهما كانت المداخل الخارجية أوالظروف المحيطية. ويقتضي تحقيق ذلك إمكانية التنبؤ بسلوك تلك المنظومة في جميع الظروف.

• دعم تحمّل الخلل fault-tolerant: وهذه ميزة أساسية تتيح للمنظومة الاستمرار بالعمل طالما إخفاق جزء من مكوِّناتها.

وتُعدّ المتاحيّة والتصعّدية والاستهلاك المحدود للطاقة من المميزات المهمة التي تمثل تحدياً حقيقياً لتلك المنظومات.

لغات البرمجة في الزمن الحقيقي

تتألف برمجيات منظومات الزمن الحقيقي غالباً من مجموعة برامج متسايرة. ويُعدّ اختيار لغة البرمجة أمراً مهماً في برمجيات الزمن الحقيقي، إذ ينبغي حتىقد يكون المصِّرف compiler متاحاً ومتوافقاً مع نظام التشغيل والبنية العتادية. كما ينبغي حتى يتيح التحكمَ المباشر في العتاد من دون التخلي عن تجريد اللغات العالية المستوى. ويُطلب من لغة البرمجة دعم إدارة الذاكرة والجدولة والتزامن ومعالجة الأحداث والإنهاء اللامتزامن للنياسب، واستخدام المنهجية الغرضية التوجه.

مكن برمجة هذه المنظومات بلغات التجميع الخاصة بمعالج الحاسوب الصغري، أولغات التتابع المنطقي مثل Jovial وRTL2. ويُفضَّل حتى تدعم اللغة الكيانات المتسايرة كما هي الحال في لغة Ada وJava.

يوضّح الشكل 1 النموذج المبسط للبرمجة؛ يستقبل البرنامج P حدثاً من محِسّ معين جميع T وحدة زمنية، ويتطلب الحدث في الحالة الأسوأ زمناً قدره C وحدة زمنية لإنجازه. إذا كانت المهلة المطلقة للإنجاز هي D، وإذا كان D < C تعذر تطبيق البرنامج.

يمكن تمثيل جميع مهمة بزمن إصدارها؛ أي اللحظة التي تصبح جاهزة للتطبيق، وبالمهلة المطلقة للإنجاز؛ وهي اللحظة الأخيرة لإنهاء تلك المهمة، وبالمهلة النسبية للإنجاز؛ وهي الفرق بين المهلة المطلقة وزمن الإصدار؛ وبزمن التطبيق، وهوالمدة العملية التي استغرقتها المهمة عند التطبيق.

نظم التشغيل في الزمن الحقيقي

يمكن تمثيل دور نظام التشغيل في منظومات الزمن الحقيقي، وفي المنظومات التقليدية في الشكل (2). ففي المنظومات التقليدية، يقدّم نظام التشغيل الخدمات اللازمة لنفاذ برنامج المستخدم إلى العتاد، ولكن في منظومات الزمن الحقيقي، يصبح بإمكان التطبيق النفاذ إلى العتاد مباشرة.

تقدّم نظم التشغيل في الزمن الحقيقي إمكانية التطبيق الاستباقي preemptive اعتماداً على الأولويات، إذ يُسمح للمهمة ذات الأولوية الأعلى بمقاطعة المهمة الأدنى أولوية عندما تصبح جاهزة للتطبيق. ولقياس أداء نظم التشغيل في الزمن الحقيقي، تُعتمد المعايير الآتية: الزمن الأعظم لحجب المقاطعة، والزمن الأعظم اللازم لاستنادىء النظام، وتلبث المقاطعة؛ أي الزمن الفاصل بين لحظة المقاطعة والبدء بتطبيقها.

تُعدّ جدولة المهمات من أبرز ميزات نظم التشغيل في الزمن الحقيقي. وتُقسم خوارزميات الجدولة إلى نوعين رئيسين:

• جدولة سكونية: تتضمن تحليل المهمات وتحديد الميزات الزمنية لوضع جدول ثابت للتطبيق. في هذه الحالة،قد يكون ترتيب المهمات ثابتاً، وأزمنة تطبيقها محدَّدة. ومن الطرائق المتبعة لتحقيق ذلك:

• دوران الحيز الزمني (الحلقية) round-robin time slot، بحيث يفحص المجدوِل رتل الإجراءات المنتظِرة، ويحصِّص الحيز الزمني للإجراءات الجاهزة للتطبيق.

• الجدولة مع الأولويات: تُرتَّب الأولويات المُسندة في هذه الحالة الى المهمات بحسب أهمية تطبيقها.

• جدولة ديناميكية : وهي تتطلب اتخاذ مجموعة من القرارات في أثناء التطبيق العملي لتحصيص الموارد إلى المداولات. تُعتَمد هذه الطريقة إذا كانت متطلبات الحوسبة تتغير تغيراً كبيراً في أثناء التطبيق، وتسمح عندئذٍ هذه الخوارزميات بالتلاؤم مع التغيرات المحيطية، ووصول المهمات دفقياً، وإخفاق النظم جزئياً.

ومن الميزات الإضافية لنظام التشغيل في الزمن الحقيقي:

• التقابل (الترابط) مع العتاد.

• دعم بروتوكولات الشبكات.

• التوافق مع المعايير POSIX لإتاحة استخدام قابلة برمجة التطبيقات API.

• دعم البيئة المحمولة عديمة الأقراص، إذ ينبغي حتى يقبل النظام الإقلاع من الذاكرة من دون الحاجة إلى التخزين على الأقراص.

• قابلية التصعّد scalability.

ومن نظم التشغيل الشهيرة في الزمن الحقيقي، يُذكر النظام pSOS، والنظام LynxOS، والنظام OS9.

أمثلة عن منظومات الزمن الحقيقي

يُذكر هنا ثلاثة أمثلة عن منظومات الزمن الحقيقي:

• نظام التحكم في السائل:

يهدف هذا النظام إلى التحكم في كمية السائل المتدفق في أنبوب معين بوساطة الحاسوب. ويُستخدم لهذا الغرض مقياس تدفق دخلاً للحاسوب، وصمام للسائل خرجاً له. يستطيع البرنامج في الحاسوب قراءة قيم التدفق باستمرار، وإعطاء الأوامر المناسبة إلى الصمام بحسب قيم التدفق، كما هوموضّح في الشكل 3. [[ملف:|270px|left|تصغير|الشكل (4) التحكم في عملية صناعية بالزمن الحقيقيreal-time systems2.jpg]]

• نظام التحكم في عملية صناعية:

يهدف هذا النظام إلى مراقبة تطبيق العملية الصناعية في الزمن الحقيقي. ولذا يستطيع الحاسوب قراءة قيم المحسّات، كدرجة الحرارة مثلاً، وإرسال الأوامر إلى الصمام والمازج للحصول على المنتج النهائي (الشكل 4).

• نظام زمن حقيقي محمول:

يمثل (الشكل 5) مخططاً صندوقياً لنظام محمول يعمل بالزمن الحقيقي. يتصل هذا النظام عبر قابلة تخاطب بالعتاد، وينفّذ خوارزمية تحكم معينة. تتطلب هذه الخوارزمية تسجيل المعطيات في قاعدة معطيات، ويمكن للحاسوب التواصل مع المستخدم عبر لوحة مفاتيح وشاشة عرض.

انظر ايضاً

• Synchronous programming language
• Ptolemy Project
• DSOS
• Worst-case execution time

المصادر

• الموسوعة العربية

وصلات خارجية

اللجان الفنية

• IEEE Technical Committee on Real-Time Systems
• Euromicro Technical Committee on Real-time Systems

مؤتمرات فهمية

• ECRTS - Euromicro Conference on Real-time Systems
• IEEE Real-time Systems Symposium
• IEEE Real-time Technology and Applications Symposium
• International Symposium on Object-oriented Real-time distributed Computing
• IEEE International Conference on Embedded and Real-Time Computing Systems and Applications
• Real-Time & Embedded Computing Conference

مجلات

• International Journal of Critical Computer-Based Systems
• International Journal of Real-Time Systems

بحث المجموعات

• CISTER Research Unit, ISEP, Polytechnic Institute of Porto (IPP), Portugal
• Real-Time Systems Research Group,INRIA,LORIA NANCY, France
• Real-Time & Embedded Computing Laboratory (USMAN SHARIF BCS-SP03-37)
• Mälardalen Real-Time research Centre
• Real-Time Computing Laboratory
• Real-Time Systems Laboratory
• RTSE Laboratory
• Institute for Systems Engineering - Real Time systems Group
• Real-Time Systems Laboratory at Scuola Superiore Sant'Anna, Pisa, Italy
• Technical University of Kaiserslautern - Institute for Electrical Engineering and Information Technology - Real-Time Systems Group
• Vienna University of Technology - Institute for Computer Engineering - Real-Time Systems Group
• Real-Time Systems Research Group at the University of York, UK
• Chalmers University of Technology - Dependable Real-Time Systems research group
• ARTES: a national Swedish strategic research initiative in Real-Time Systems supported by the Swedish Foundation for Strategic Research (SSF), SE
• Real-Time Systems at the University of North Carolina at Chapel Hill
• Real-time Systems Laboratory at Virginia Polytechnic and State University, Blacksburg
• mc2labs.com - ICT Research&Development, Mogliano Veneto IT - Realtime Internet programming infrastructures

ورقات تقنية

• The What, Where and Why of Real-Time Simulation