PDF de programación - Diseño de un Manejador de Bases de Datos para un Sistema Operativo de Tiempo Real

Centro de Investigación y de Estudios

Avanzados del IPN



Departamento de Ingeniería Eléctrica

Sección Computación



Diseño de un Manejador de Bases de Datos para un Sistema

Operativo de Tiempo Real



Presenta:

Luis Arturo Jiménez Mendoza

[email protected]



Para obtener el grado de:

Maestro en Ciencias en la especialidad de Ingeniería

Eléctrica Opción Computación.

Director de Tesis:

Dr. Pedro Mejía Álvarez

[email protected]



México, D.F. octubre del 2006.





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Resumen



En este trabajo de tesis, presentamos el diseño, la estructura y el desarrollo de un Manejador de
Base de Datos de Tiempo Real (MBDTR). El MBDTR tiene una arquitectura que forma parte de
un kernel de tiempo real que se ejecuta en MS-DOS, y que trabaja con tareas periódicas,
desalojables y en ambientes de un sólo procesador. Las ventajas de este MBDTR son
principalmente su tamaño, su modularidad, la facilidad de elegir un tipo de planificador, y la
portabilidad de sus algoritmos a otros procesadores.

Por su tamaño el MBDTR y el kernel pueden ser llevados a plataformas empotradas, y que a
pesar de estar desarrollados sobre MS-DOS, tienen poca dependencia ya que no usan llamadas al
sistema ni hacen uso del BIOS ni de los dispositivos del sistema.
Las características que principalmente soporta este Manejador de Base de Datos en Tiempo Real
son: a) Garantiza los requerimientos de tiempo real de las tareas, b) Garantiza los requerimientos
de consistencia de los datos, c) Las tareas pueden realizar accesos de lecturas simultaneas y
escrituras exclusivas a la Base de Datos, d) Mantenimiento de la integridad de los datos en la
Base de Datos, e) Utiliza control de Concurrencia, f) Utiliza técnicas de bloqueo estándar, y g)
Soporta la configuración de diferentes algoritmos de planificación.

Las pruebas realizadas sobre el MBDTR fueron totalmente experimentales, considerando la
política de planificación FIFO ROUND-ROBIN, y diferentes aplicaciones que incluyen en sus
tareas las primitivas del monitor lectores-escritores para el acceso a la base de datos.



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ÍNDICE GENERAL



Portada.......................................................................................................................
Resumen............…………………………………………………………………....
Índice General.………………………………………………………….……….....

1. Introducción

1.1. Motivación. ...……………………………………………………..…...
1.2.
Trabajo Propuesto. ………………………………………………...…..
1.3.
Trabajos Relacionados. ………………………………………….….…
1.3.1. Sistemas de Base de Datos en Tiempo Real……………………...
1.3.2. Características y Comparativo de los Sistemas de Base de Datos
de Tiempo Real Comerciales. ….……………..……………………...
1.3.3. Características de los Sistemas de Base de Datos en Tiempo Real
Puros Experimentales. ………………………...……………………...
1.4. Objetivos de la Tesis. ……………….………………………...……….
1.4.1. Objetivos Generales. ……………………….……………………...
1.4.2. Objetivos Particulares. ……………………..……………………...
1.5. Organización de la Tesis. …………...………………………...……….


2. Sistemas de Tiempo Real

2.1. Definición de Sistema de Tiempo Real. ….……………………..…..
2.2. Aplicaciones de los Sistemas de Tiempo Real. ….……………….…
2.3.
Elementos de un Sistema de Tiempo Real. ..………………………..
2.4. Características de los Sistemas de Tiempo Real. ……………………...
2.5. Clasificación de los Sistemas de Tiempo Real. ………………………..
2.5.1. Sistemas de Tiempo Real Críticos (Hard Real Time Systems). …...
2.5.2. Sistemas de Tiempo Real Acríticos (Soft Real Time Systems). ….
¿Qué es un Sistema Operativo de Tiempo Real?. ….……………….
Proceso. ……………………………….……………………………….
2.7.1. Definición de Proceso. ………………………………………..…...
2.7.2. Definición de Quantum. ………………………………………..….
2.7.3. Parámetros de un Proceso de Tiempo Real. …………………….....
2.7.4. Estados del Proceso. ……………………………………………….
2.7.5. Transiciones entre Procesos. ……………...…………………….....

2.6.
2.7.



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2.7.6. PCB (Process Control Block). ….………………………………….
2.8. Componentes de un Sistema Operativo. ...…………………………….
2.8.1. Manejador de Procesos. ...……………………………………..…...
2.8.2. Manejador de Memoria. ………………………………………..….
2.8.3. Manejador de Reloj. …………………………………………….....
2.8.4. Mecanismos de Sincronización y Comunicación. ...……………….
2.8.5. Manejador de Entradas/Salidas. …...……...…………………….....


3. Planificación de Sistemas de Tiempo Real

3.1.

Tareas de Tiempo Real. …………………….………………………….
3.1.1. Clasificación de las Tareas de Tiempo Real. ……...………………
3.1.2. Tipos de Restricciones de las Tareas de Tiempo Real. …..………..
3.2. Definición del Problema de Planificación. ……………….……………
3.3. Clasificación de las Políticas de Planificación. ……………………..…
3.4.
Planificador Cíclico. …………………………..……………………….
3.5.
Planificadores Basados en Prioridades Estáticas. ……………………..
3.5.1. Rate Monotonic (RM). ………..……………………………..…...
3.5.2. Deadline Monotonic. …………………………………………...….
Planificadores Basados en Prioridades Dinámicas. ...………………….
3.6.1. Earliest Deadline First (EDF)………………………………………
3.6.2. Least Laxity First. ……………………………………...………….

3.6.


4. Kernel de Tiempo Real

4.1. Arquitectura General. …………………......…………………………...
4.1.1. Estructura General de las Primitivas. …..………………………….
4.1.2. Estructura de los Procesos o Tareas. …...………………………….
4.1.3. Prioridades. …...……………………………………………............
4.1.4. Procesos o Tareas. ….……………………………………………...
4.1.5. BCP de los Procesos en el Kernel. ……………………..………….
4.1.6. Estados de los Procesos en el Kernel. …...………………………...
4.1.7. Transiciones entre Procesos. …...………………………………….
4.1.8. Primitivas y Manejadores del Kernel. ……………………………..
Primitivas. …………………………….……………………………….
4.2.1. Primitivas de Procesos. ……………………………………………
4.2.2. Primitivas de Tiempo. …………………………….……………….
4.2.3. Primitivas de Semáforos. …………………………………………..
4.2.4. Primitivas de Buzón. …………………………………………........

4.2.


5. Bases de Datos en Tiempo Real

5.1.

Introducción. ………………………….……………………………….
5.1.1. Base de Datos y Sistemas de Tiempo Real. …….…………………
5.1.2. ¿Porque las Bases de Datos de Tiempo Real?. ..….……………….
5.2. Características de los Datos en las Bases de Datos en Tiempo Real. …
5.3. Características de las Transacciones en Sistemas de Bases de Datos de
Tiempo Real. ………….………………….……………………………….
5.4. Relación de las Bases de Datos de Tiempo Real con Bases de Datos
Activas. ………………………………………………………..………….
Procesamiento de Transacciones en Sistemas de Bases de Datos de
Tiempo Real. …………………………………………………..………….

5.5.



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5.5.1. La Necesidad de la Predecibilidad. ……..…………………………
5.5.2. Tratando con Plazos Críticos. ……………………..……………….
5.5.3. Tratando con Plazos Suaves. ..……………………………………..
5.5.3.1. Asignación de Prioridades y Resolución de Conflictos. …..


6. Manejador de Base de Datos en Tiempo Real

6.2.

6.1. Arquitectura General. ………………………………………………….
6.1.1. Estructura General del Monitor. …………………………………...
6.1.2. Sincronización en Monitores. ……………………………………...
6.1.3. Estructura de una Variable Condición. ……………………………
6.1.4. Estructura del Monitor. ……………………………………………
Primitivas. ..……………………………………………………………
6.2.1. Primitivas del Monitor. .…………………………………………...
6.2.2. Primitivas Lectores - Escritores. ………………………..…............
6.2.3. Primitivas del Manejador de Base de Datos. ………………………
6.2.4. Descripción de la Estructura de Tablas. …...……………………..
6.2.5. Organización de la Memoria del MBDTR. ………………………..
6.3. Manejo de Errores en el Manejador de Base de Datos en Tiempo Real.
6.4. Configuración e Inicialización del Kernel y Manejador de Base de
Datos en Tiempo Real. ……………………..……………………………..
6.4.1. Configuración del Kernel. …….…………………………………...
6.4.2. Configuración del Manejador de Base de Datos en Tiempo Real. ..
6.4.3. Inicialización del Kernel y del Manejador de Base de Datos en
Tiempo Real. …………………………………………………………


7. Conclusiones y Trabajo Futuro

7.1. Conclusiones. ..………………………………………………………...
7.2.
Trabajo futuro. ..………………………………………………………..



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Capítulo 1

Introducción



En los últimos años, el desarrollo de los Sistemas de Tiempo Real se ha incrementado
drásticamente, así como también su complejidad, y el monto de datos que manejan. Sin
embargo en los sistemas de tiempo real tradicionales el manejo de los datos se hace usando
técnicas comunes y estructuras de datos internas. El incremento de los datos causa que
surjan nuevos problemas cuando se requiere realizar mantenimiento y desarrollo de
aplicaciones. Una posible solución es integrar a los Sistemas de Base de Datos en Tiempo
Real con los Sistemas de Tiempo Real. Los Sistemas de Base d