Лекции по дисциплине системы реального времени тема аппаратнопрограммные средства и комплексы реального времени
 Скачать 1.67 Mb.
|
|
Лекция 3.6. Операционные системы реального времени OS-9 и VxWorks 1. Операционная система реального времени OS-9. 2. Операционная система VxWorks. 1. Операционная система реального времени OS-9 В качестве примера современной ОСРВ рассмотрим OS-9, которая широко используются в системах автоматизации производства и телекоммуникационных системах, реализованных на базе микропроцессоров и микроконтроллеров фирмы Motorola. Эта ОСРВ имеет две версии: OS-9 написана на языке Ассемблера Motorola 68K и предназначена для работы с семействами М680х0 и М683хх, OS-9000 написана на языке С и может работать с семействами МРС6хх, МРС5хх, MPCSxx, MCF52xx, а также с микропроцессорами ряда других производителей: Intel 486, Pentium, SPARC, MIPS. Обе версии обеспечивают полную совместимость объектных кодов, поэтому для них обычно используется общее название OS-9. В качестве ин- струментального компьютера OS-9 использует IBM-PC, работающие в среде Windows, или рабочие станции SUN, HP, IBM RS/6000 с операционными системами типа UNIX. Характерными особенностями OS-9 являются модульность и гибкость ее структуры. Модульность обеспечивает возможность конфигурации целевой ОСРВ в соответствии с классом решаемых задач. За счет исключения неиспользуемых модулей достигается сокращение объема памяти и стоимости системы. Гибкость структуры позволяет достаточно 105 просто и быстро производить реконфигурацию системы, расширение ее функциональных возможностей. Все функциональные компоненты OS-9 - ядро реального времени, файловые менеджеры, средства (OS-9 kernel), средства общего управления внешними устройствами (I/O man), разработки - реализованы в виде автономных модулей (рис.1). Комбинируя эти модули, разработчик может создавать целевые операционные системы различной конфигурации и функциональных возможностей - от несложных резидентных ОСРВ, хранящихся во внутреннем ПЗУ микроконтроллера, до сложно- функциональных многопользовательских систем разработки. Все модули OS- 9 могут размещаться в ПЗУ. Любые модули могут удаляться или добавляться с помощью простых команд, не требующих повторной компиляции или перекомпоновки. OS-9 предоставляет пользователю возможность выбора ядра в зависимости от функционального назначения системы. Ядро Atomic имеет малый объем (28 Кбайт) и обеспечивает минимальное время отклика. Например, при использовании микропроцессора MC68040 с тактовой частотой 25 МГц время реакции ядра на запрос прерывания составляет всего 3 мкс, что соответствует быстродействию систем "жесткого" РВ. Это ядро реализует минимальное число сервисных функций (дистанционную загрузку, связь с локальной сетью, управление ведомыми микроконтроллерами) и применяется в системах, встраиваемых в различную аппаратуру. Ядро Standard обеспечивает выполнение широкого набора функций сервиса и разработки прикладных программ. Однако для реализации этих функций требуется больший объем памяти - 67 Кбайт ПЗУ и 38 Кбайт ОЗУ для систем на базе М68х0х,М683хх (версия OS-9), до 512 Кбайт для этих же систем, использующих пакет поддержки обмена по сети Интернет, 75 Кбайт ПЗУ и 24 Кбайт ОЗУ для систем на базе PowerPC (версия OS-9000). Применение ядра Standard с различным набором других функциональных модулей позволяет реализовать системы различной сложности и назначения - от встраиваемых в аппаратуру контроллеров с резидентным программным обеспечением и простейшими средствами ввода-вывода до сложно- функциональных систем класса рабочих станций с развитой сетевой поддержкой и обеспечением разнообразных функций сервиса, включая мультимедиа. Файловыми менеджерами называются модули, управляющие логическими потоками данных, каждый из которых имеет определенное функциональное назначение и спецификацию. В состав OS-9 входят более 20 файловых менеджеров, которые можно разделить на три группы: стандартные, сетевые и коммуникационные, графические и мультимедиа. Рассмотрим основные из них (рис.2). Стандартные менеджеры входят в основной комплект системы и предназначены для выполнения базовых функций обмена с внешними устройствами. К ним относятся следующие файловые менеджеры: 106 Рисунок 1. - Модульная структура ОСРВ OS-9 107 Рисунок.2. - Функциональный состав основных программных средств OS-9 pipeman - организующий очередь поступающих команд; ioman - выполняющий общее управление внешними устройствами; scf - управляющий байтовым последовательным обменом (связь с терминалом и другими устройствами по последовательному каналу); rbf - управляющий блочным обменом с прямым доступом памяти (связь с дисковой памятью); sbf - управляющий блочным последовательным обменом (связь с накопителями на магнитных лентах и другими устройствами); pcf - поддерживающий файловую DOS-систему (поставляется по требованию заказчика). Сетевые и коммуникационные менеджеры обеспечивают работу OS-9 с различными сетями и обмен данными по каналам связи с наиболее распространенными стандартами протоколе обмена. Чаще всего из этой группы используются следующие менеджеры: 108 nfs, nfm, isp - обеспечивающие основные протоколы сетевого обмена; profiman - реализующий протокол обмена с шиной Profibus; ism - реализующий обмен по сети цифровой связи стандарта ISDN; spf - обеспечивающий пакетный обмен по стандартному протоколу Х.25; rtnfm - поддерживающий обмен по сети реального времени. Для реализации графического интерфейса и работы с мультимедиа- приложениями используются файловые менеджеры: gfm - графический менеджер реального времени; mpfm - управляющий движущимися изображения; mfm - обеспечивающий пользовательский интерфейс с мультимедиа; g-windows - система оконного графического интерфейса, разработанная фирмой Gespac в виде файлового менеджера для OS-9. Физический интерфейс OS-9 с разнообразными внешними устройствами обеспечивается большим набором драйверов, которые созданы как фирмой Microware Systems, так и многочисленными разработчиками аппаратуры, использующей эту операционную систему для конкретных приложений. Большинство драйверов, реализующих интерфейс со стандартными внешними устройствами, входят в пакет, из которого пользователь может выбрать необходимые средства для своего проекта. В составе OS-9 имеется также пакет программ BSP для поддержки плат развития, который обеспечивает совместную работу OS-9 с целым рядом SBC, включая SBC типа MVME162, 172, 1603, 1604 фирмы Motorola. Используя BSP, OS-9 и какой-либо из этих SBC, разработчик может быстро сконфигурировать мощную целевую систему для своего конкретного приложения. OS-9 содержит средства поддержки программирования, позволяющие проектировщику создавать прикладное программное обеспечение. Эти средства включают компиляторы Ultra C/C++, текстовый редактор EMACS, три вида отладчиков, в том числе символьные, а также разнообразные утилиты для организации контроля и сборки программных проектов. Кроме того, проектировщик может использовать большой набор совместимых с OS- 9 текстовых редакторов, компиляторов C/C++, Forth, Ada, Modula-2 и других языков, которые разработаны рядом других фирм. Для удобства пользователя совместно с OS-9 поставляются набор средств программирования-отладки OS-9 Tool Kit, интегрированная среда разработки FasTrak. В состав OS-9 Tool Kit входят основные средства разработки программ, указанные выше. Интегрированная среда разработки FasTrak предоставляет пользователю наиболее полный комплект средств программирования- отладки. FasTrak имеет две версии: для функционирования в среде Windows на инструментальных компьютерах IBM-PC; для функционирования с системой UNIX на рабочих станциях SUN, HP, IBM RS/6000. Часть программных средств FasTrak инсталлируется на инструментальном компьютере, а часть - на целевой системе пользователя. Интерфейс инст- 109 рументального компьютера и целевой системы осуществляется файловым менеджером isp, который реализует протокол TCP/IP, обеспечивая связь по последовательному каналу или по сети Ethernet. Среда FasTrak интегрирует все средства, необходимые для поддержки проектирования-отладки целевых систем. Версия FasTrak для IBM-PC содержит высокоэффективный текстовый редактор Premia's Codewright, который имеет средства перекодировки клавиатуры, обеспечивающие пользователю возможность вести редактирование в удобном для него формате. Версия для UNIX-станций позволяет использовать любой редактор, функционирующий с ОС UNIX. В состав FasTrak входят компиляторы Ultra C/C++, возможно также использование других компиляторов, например GNU C/C++ фирмы Cygnus Support. Отладчики FasTrak обеспечивают два режима отладки: пользовательский для создания прикладных программ, и сис- темный, который выполняет обслуживание прерываний, системных вызовов и обращение к ядру РВ. Реализуется также отладка мультипроцессорных систем. При выполнении контрольных прогонов рабочей программы программа-профилировщик дает информацию о количестве обращений к различным программным модулям и времени их выполнения. В составе среды FasTrak имеются средства интерфейса с логическими анализаторами фирмы Hewlett-Packard и схемными эмуляторами фирм Hewlett-Packard, EST, Applied Microsystems, Orion. Широкий набор функциональных возможностей делает среду FasTrak эффективным средством создания программного обеспечения для разнообразных микропроцессорных и микроконтроллерных систем. Модульная структура ОСРВ OS-9 позволяет легко конфигурировать ее в соответствии с потребностями заказчиков. В настоящее время фирма Microware Systems поставляет ряд системных пакетов, ориентированных на различные сферы приложения: Wireless OS-9 - для разработки устройств беспроводной связи: сотовых телефонов, пейджеров, портативных цифровых ассистентов (PDA); Internet OS-9 - для разработки устройств с доступом к сети Интернет; Digital Audio/Video Interactive Decoder (DAVID) OS-9 - для разработки распределенных систем цифрового интерактивного телевидения. Таким образом, ОСРВ OS-9 позволяет удовлетворить запросы широкого круга разработчиков, создающих системы реального времени и программное обеспечение для них. Полную информацию об этой ОСРВ и возможностях ее использования для конкретного применения можно получить в сети Интернет по адресам http:/www.microware.com или http:/www.rtsoft.ru. 2. Операционная система VxWorks VxWorks относится к классу систем "жесткого" РВ. Эта ОСРВ предназначена для работы с семействами М680хО, М683хх, МРС6хх, МРС5хх, MPCSxx, MCF52xx, а также с микропроцессорами других производителей: Intel 486, Pentium, SPARC, MIPS, DEC Alpha, HP PA-RISC. В качестве инструментального компьютера используются IBM-PC, 110 работающие в среде Windows, или рабочие станции SUN, HP, DEC, IBM RS/6000 с операционными системами типа UNIX. При выполнении отладки VxWorks, которая инсталлируется на отлаживаемой целевой системе, работает совместно с интегрированной средой разработки Tornado, функционирующей на инструментальном компьютере (рис. 3). VxWorks имеет иерархическую организацию, нижним уровнем которой служит микроядро РВ, выполняющее базовые функции планирования задач и управления их коммуникацией-синхронизацией. Все остальные функции - управление памятью, вводом-выводом, сетевым обменом и другие, реализуются дополнительными модулями. Микроядро с минимальным набором модулей занимает 20...40 Кбайт памяти. Для встроенных систем, имеющих жесткие ограничения на объем памяти, раз- работано редуцированное ядро Wind Stream, которое требует для работы всего 8 Кбайт ПЗУ и 2 Кбайт ОЗУ. Для реализации графических приложений используется система графического интерфейса VX-Windows. В тех случаях, когда ограниченный объем памяти целевой системы не позволяет использовать VX-Windows, предлагается графическая библиотека RTGL, которая содержит базовые графические примитивы, наборы шрифтов и цветов, драйверы типовых устройств ввода и графических контроллеров. В состав VxWorks входят также различные средства поддержки разнообразных сетевых протоколов: Х.25, ISDN, ATM, SS7, Frame Relay и ряда других. Специальные средства отладки в реальном масштабе времени обеспечивают трассировку заданных событий и их накопление в буферной памяти для последующего анализа. Трассировку системных событий выполняет динамический анализатор WindView, который работает аналогично логическому анализатору, отображая на экране временные диаграммы переключения задач, записи в очередь сообщений, установки программных светофоров и другие процессы. Монитор данных StethoScope позволяет анализировать динамическое изменение пользовательских и сис- темных переменных, включая в себя также профилировщик процедур. В составе VxWorks имеется пакет программ BSP для постановки данной ОСРВ на ряд плат развития, включая SBC фирмы Motorola, что позволяет конфигурировать таким образом целевую систему для конкретного приложения. Для комплексной отладки целевых систем VxWorks обеспечивает интерфейс со схемными эмуляторами (например, типа 64700 фирмы Hewlett-Packard) и эмуляторами ПЗУ (например, Net ROM фирмы XLNT Designs). 111 Инструментальный компьютер Целевая система Рисунок 3. Аппаратно-программный комплекс программирования- отладки систем на базе ОСРВ VxWorks и интегрированной среды Tornado Симулятор VxSim позволяет моделировать на инструментальном компьютере многозадачную среду VxWorks и интерфейс с целевой системой. Он позволяет разрабатывать и отлаживать программное обеспечение без подключения целевой системы. Среда VxWorks обеспечивает также возможности программирования мультипроцессорных систем. Для поддержки программирования предлагается интегрированная среда разработки Tornado, в состав которой входит VxWorks 5.3 - ядро РВ и системные библиотеки, средства программирования C/C++ Toolkit, высокоуровневый отладчик CrossWind и ряд других средств. Пакет C/C++ Toolkit содержит компиляторы GNU C/C++ фирмы Cygnus Support. Отладчик CrossWind является расширенной версией отладчика GDB фирмы Cygnus Support. Он имеет графический пользовательский интерфейс и поддерживает отладку как на прикладном, так и на системном уровне. Дополнительные средства среды Tornado обеспечивают управление процессом отладки, визуализацию состояния целевой системы, другие сервисные функции. Tornado может использоваться совместно с VX-Windows, WindView, StethoScope, VxSim и рядом других средств из состава VxWorks. Характерной особенностью среды Tornado является ее открытая архитектура, которая позволяет пользователю подключать собственные специализированные инструментальные средства и расширять возможности стандартных. Открытость реализована с помощью прикладных программных интерфейсов API, которые дают возможность различным программным продуктам обмениваться между собой данными на инструментальном компьютере и взаимодействовать с VxWorks, установленной на целевой системе. ОСРВ VxWorks вместе с интегрированной средой Tornado является мощным средством реализации целевых систем, работающих в условиях жестких ограничений на объем используемой памяти и время отклика на внешние события. Подробную информацию по VxWorks и сопутствующим 112 программным продуктам можно получить в сети Интернет по адресу http:/www. wrs.com. Лекция 3.7. Сетевая операционная система реального времени QNX 1. Принципы построения СРВ QNX. 2. Архитектура системы QNX. 3. Основные механизмы QNX для организации распределенных вычислений. 1. Принципы построения СРВ QNX Операционная система QNX является мощной операционной системой, позволяющей проектировать сложные программные системы, работающие в реальном времени как на одном компьютере, так и в локальной вычислительной сети. Встроенные средства операционной системы QNX обеспечивают поддержку многозадачного режима на одном компьютере и взаимодействие параллельно выполняемых задач на разных компьютерах, работающих в среде локальной вычислительной сети. Основным языком программирования в системе является язык С. Основная операционная среда соответствует стандартам POSIX-интерфейса. Это позволяет с небольшими доработками перенести необходимое накопленное программное обеспечение в среду операционной системы QNX для организации их работы в среде распределенной обработки. ОС QNX является сетевой, мультизадачной, многопользовательской (многотерминальной) и масштабируемой. С точки зрения пользовательского интерфейса и API она похожа на UNIX. Однако QNX - это не версия UNIX. QNX была разработана канадской фирмой QNX Software Systems Limited в 1989 году по заказу Министерства обороны США. Причем эта система построена на совершенно других архитектурных принципах, отличных от принципов, использованных при создании ОС UNIX. QNX была первой коммерческой ОС, построенной на принципах микроядра и обмена сообщениями. Система реализована в виде совокупности независимых (но взаимодействующих через обмен сообщениями) процессов различного уровня (менеджеры и драйверы), каждый из которых реализует определенный вид сервиса. Эти идеи позволили добиться нескольких важнейших преимуществ: Предсказуемость, означающая ее применимость к задачам жесткого реального времени. QNX является операционной системой, которая дает полную гарантию в том, что процесс с наивысшим приоритетом начнет выполняться практически немедленно, и что критическое событие (например, сигнал тревоги) никогда не будет потеряно. Ни одна версия UNIX не может достичь подобного качества, поскольку код ядра слишком велик. Любой системный вызов из обработчика прерывания в UNIX может привести к непредсказуемой задержке (то же самое касается Windows NT). 113 Масштабируемость и эффективность, достигаемые оптимальным использованием ресурсов и означающие ее применимость для встроенных систем. Драйверы и менеджеры можно запускать и удалять (кроме файловой системы) динамически, из командной строки. Вы можете иметь только тот сервис, который вам реально нужен, причем это не требует серьезных усилий и не порождает проблем. Расширяемость и надежность одновременно, поскольку написанный вами драйвер не нужно компилировать в ядро. Менеджеры ресурсов (сервис логического уровня) работают в кольце защиты 3, и возможно добавлять свои, не опасаясь за систему. Драйверы работают в кольце с уровнем привилегий 1 и могут вызвать проблемы, но не фатального характера. Кроме того, их достаточно просто писать и отлаживать. Быстрый сетевой протокол FLEET, прозрачный для обмена сообщениями, автоматически обеспечивающий отказоустойчивость, балансирование нагрузки и маршрутизацию между альтернативными путями доступа. Компактная графическая подсистема Photon, построенная на тех же принципах модульности, что и сама ОС, позволяет получить полнофункциональный графический интерфейс пользователя GUI, работающий вместе с POSIX-совместимой ОС всего в 4 Мбайт памяти, начиная с i80386 процессора. Основными принципами, которые являются обязательными при реализации и создании ОСРВ являются: Первым обязательным требованием к архитектуре ОСРВ является многозадачность. Очевидно, что варианты с псевдомногозадачностью (а точнее - не вытесняющая многозадачность) типа MS Windows 3.x или Novell NetWare неприемлемы, поскольку они допускают возможность блокировки или даже полного развала системы одним неправильно работающим процессом. Для предотвращения блокировок ОСРВ должна использовать квантование времени (то есть вытесняющую многозадачность). Вторая проблема (организация надежных вычислений) может быть эффективно решена при полном использовании возможностей процессоров Intel 80386 и старше, что предполагает работу ОС в 32-разрядном режиме процессора. Для эффективного обслуживания прерываний ОС должна использовать алгоритм диспетчеризации, обеспечивающий вытесняющее планирование, основанное на приоритетах. Крайне желательны эффективная поддержка сетевых коммуникаций и наличие развитых механизмов взаимодействия между процессами, поскольку реальные технологические системы обычно управляются целым комплексом компьютеров и/или контроллеров. Важно, чтобы ОС поддерживала множественные потоки управления (не только мультипрограммный, но и мультизадачный режимы), а также симметричную мультипроцессорность. При соблюдении всех перечисленных выше условий, ОС должна быть способна работать на ограниченных аппаратных ресурсах, поскольку одна из ее основных областей применения - это встроенные системы. К сожалению, 114 данное условие обычно реализуется путем урезания стандартных сервисных средств. 2. Архитектура системы QNX QNX - это ОС реального времени, позволяющая эффективно организовать распределенные вычисления. В системе реализована концепция связи между задачами на основе сообщений, посылаемых oт одной задачи к другой, причем задачи эти могут находиться как на одном и том же компьютере, так и на удаленных, но связанных локальной вычислительной сетью. Реальное время и концепция связи между процессами в виде сообщений оказывают решающее влияние на разрабатываемое для QNX программное обеспечение и на программиста, стремящегося с максимальной выгодой использовать преимущества системы. Микроядро имеет объем и несколько десятков килобайт (в одной из версий - 10 Кбайт, в другой - менее 32 Кбайт), то есть это одно из самых маленьких ядер среди всех существующих операционных систем. В этом объеме помещаются: . механизм передачи сообщений между процессами (IPC); . редиректор прерываний; . блок планирования выполнением задач; . сетевой интерфейс для перенаправления сообщений (менеджер Net). Механизм передачи межпроцессорных сообщений занимается пересылкой сообщений между процессами и является одной из важнейших частей операционной системы, так как все общения между процессами, в том числе и системными, происходит через сообщения. Сообщение в QNX - это последовательность байтов произвольной длины (0-65 535 байтов) произвольного формата. Протокол обмена сообщениями выглядит таким образом. Например, задача блокируется для ожидания сообщения. Другая же задача посылает первой сообщение и при этом блокируется сама, ожидая ответа. Первая задача разблокируется, обрабатывает сообщение и отвечает, разблокируя при этом вторую задачу. Сообщения и ответы, пересылаемые между процессами при их взаимодействии, находятся в теле отправляющего их процесса до того момента, когда они могут быть приняты. Это значит, что, с одной стороны, уменьшается вероятность повреждения сообщения в процессе передачи, а с другой - уменьшается объем оперативной памяти, необходимый для работы ядра. Кроме того, уменьшается число пересылок из памяти в память, что разгружает процессор. Особенностью процесса передачи сообщений является то, что в сети, состоящей из нескольких компьютеров под управлением QNX, сообщения могут прозрачно передаваться процессам, выполняющимся на любом из узлов. Определены в QNX еще и два дополнительных метода передачи сообщений - метод представителей (Proxy) и метод сигналов (Signal). Представители используются в случаях, когда процесс должен передать сообщение, но не должен при этом блокироваться на передачу. В таком случае вызывается функция qnx_proxy_attach( ) и создается 115 представитель. Он накапливает в себе сообщения, которые должны быть доставлены другим процессам. Любой процесс, знающий идентификатор представителя, может вызвать функцию Trig-ger( ), после чего будет доставлено первое в очереди сообщение. Функция Trigger( ) может вызываться несколько раз, и каждый раз представитель будет доставлять следующее сообщение. При этом представитель содержит буфер, в котором может храниться до 65 535 сообщений. Как известно, сигналы уже давно используются и ОС UNIX. Система QNX поддерживает множество сигналов, совместимых с POSIX, большое количество сигналов, традиционно использовавшихся в UNIX (поддержка этих сигналов реализована для совместимости с переносимыми приложениями, и ни один из системных процессов QNX их не генерирует), а также несколько сигналов, специфичных для самой QNX. По умолчанию любой сигнал, полученный процессом, приводит к завершению процесса (кроме нескольких сигналов, которые по умолчанию игнорируются). Но процесс с приоритетом уровня «superuser» может защититься от нежелательных сигналов. В любом случае процесс может содержать об- работчик для каждого возможного сигнала. Сигналы удобно рассматривать как разновидность программных прерываний. Редиректор прерываний является частью ядра и занимается перенаправлением аппаратных прерываний в связанные с ними процессы. Благодаря такому подходу возникает один побочный эффект - с аппаратной частью компьютера работает ядро, оно перенаправляет прерывания процессам - обработчикам прерываний. Обработчики прерываний обычно встроены в процессы, хотя каждый из них исполняется асинхронно с процессом, в который он встроен. Обработчик исполнялся в контексте процесса, и имеет доступ ко всем глобальным переменным процесса. При работе обработчика прерываний прерывания paзрешены, но обработчик приостанавливается только в том случае, если произошло более высоко- приоритетное прерывание. Если это позволяется аппаратной частью, к одному прерыванию может быть подключено несколько обработчиков, и каждый из них получит управление при возникновении прерывания. Этот механизм позволяет пользователю избежать работы с аппаратным обеспечением напрямую и тем самым избегать конфликтов между различными процессами, работающими с одним и тем же устройством. Для обработки сигналов от внешних устройств, чрезвычайно важно минимизировать время между возникновением события и началом непосредственной его обработки. Этот фактор является существенным в любой области применения, от работы терминальных устройств до обработки высокочастотных сигналов. Блок планирования выполнения задач (диспетчер задач) занимается обеспечением многозадачности. В этой части ОС QNX предоставляет разработчику огромный простоp для выбора той методики выделения ресурсов процессора задаче, которая обеспечит наиболее подходящие условия для критических приложений или обеспечит такие 116 условия для некритических приложений, что они выполнятся за разумное время, не мешая работе критических приложений. К выполнению своих функций как диспетчера ядро приступает в следующих случаях: . какой-либо процесс вышел из блокированного состояния; . истек квант времени для процесса, владеющего CPU; . работающий процесс прерван каким-либо событием. Диспетчер выбирает процесс для запуска среди неблокированных процессов в порядке значении их приоритетов, которые располагаются в диапазоне oт 0 (наименьший) до 31 (наибольший). Обслуживание каждого из процессов зависит от метода диспетчеризации, с которым он работает (уровень приоритета и метод диспетчеризации могут динамически меняться во время работы). В QNX существуют три метода диспетчеризации: FIFO (первым пришел - первым обслужен), round-robin (процессу выделяется определенный квант времени для работы) и адаптивный, который является наиболее используемым. Первый наиболее близок к кооперативной многозадачности. То есть процесс выполняется до тех пор, пока он не перейдет в состояние ожидания сообщения, состояние ожидания ответа на сообщение или не отдаст управление ядру. При переходе в одно из таких состояний процесс помещается последним в очередь процессов с таким же уровнем приоритета, а управление передается процессу с наибольшим приоритетом. Во втором варианте все происходит так же, как и в предыдущем, с той разницей, что период, в течение которого процесс может работать без перерыва, ограничивается неким квантом времени. Процесс, работающий с адаптивным методом, в QNX ведет себя следующим образом: 1. Когда процесс полностью использовал выделенный ему квант времени, его приоритет снижается на 1, если в системе есть процессы с тем же уровнем приоритета, готовые к исполнению. 2. Если процесс с пониженным приоритетом остается не обслуженным в течение секунды, его приоритет увеличивается на 1. Если процесс блокируется, ему возвращается оригинальное значение приоритета. По умолчанию процессы запускаются в режиме адаптивной многозадачности. В этом же режиме работают все системные утилиты QNX. Процессы, работающие в разных режимах многозадачности, могут одновременно находиться в памяти и исполняться. Важный элемент реализации многозадачности — это приоритет процесса. Обычно приоритет процесса устанавливается при его запуске. Но есть дополнительная возможность, называемая «вызываемый клиентом приоритет». Как правило, она реализуется для серверных процессов (исполняющих запросы на какое- либо обслуживание). При этом приоритет процесса-сервера устанавливается только на время обработки запроса и становится равным приоритету процесса-клиента. 117 Сетевой интерфейс в системе QNX является неотъемлемой частью ядра. Он взаимодействует с сетевым адаптером через сетевой драйвер, но базовые сетевые сервисы реализованы на уровне ядра. При этом передача сообщения процессу, находящемуся на другом компьютере, ничем не отличается с точки зрения приложения от передачи сообщения процессу, выполняющемуся на том же компьютере. Благодаря такой организации сеть превращается в однородную вычислительную среду. При этом для большинства приложений не имеет значения, с какого компьютера они были запущены, на каком исполняются и куда поступают результаты их работы. Такое решение принципиально отличает QNX от остальных ОС, которые тоже имеют все необходимые средства для работы в сети, и делает системы, работающие под ее управлением, по-настоящему распределенными. Все сервисы QNX, не реализованные непосредственно в ядре, работают как стандартные процессы в полном соответствии с основными концепциями микроядерной архитектуры. С точки зрения операционной системы системные процессы ничем не отличаются от всех остальных, как и драйверы устройств. Единственное, что нужно сделать, написав новый драйвер устройства в QNX, чтобы он стал частью операционной системы, - это изменить конфигурационный файл системы так, чтобы драйвер запускался при загрузке. 3. Основные механизмы QNX для организации распределенных вычислений QNX является сетевой операционной системой и позволяет организовать эффективные распределенные вычисления. Для организации сети на каждой машине, называемой узлом, помимо ядра и менеджера процессов должен быть запущен менеджер Net. Менеджер Net не зависит от аппаратной реализации сети. Данная аппаратная независимость обеспечивается за счет использования сетевых драйверов. В QNX имеются драйверы для различных сетей, например Ethernet, Arcnet, Token Ring. Кроме этого, имеется возможность организации сети через последовательный канал или модем. В QNX четвертой версии полностью реализовано встроенное сетевое взаимодействие «точка-точка». Например, находясь на машине А, можно скопировать файл с гибкого диска, подключенного к машине В, на жесткий диск, подключенный к машине С. По существу, сеть из машин QNX действует как один мощный компьютер. Любые ресурсы (модемы, диски, принтеры) могут быть добавлены к системе простым их подключением к любой машине в сети. QNX поддерживает одновременную работу в сетях Ethernet, Arcnet, Serial и Token Ring, обеспечивает более чем один- единственный путь для коммуникации, а также балансировку нагрузки в сетях. Если кабель или сетевая плата выходит из строя таким образом, что связь через эту сеть прекращается, то система будет автоматически перена- правлять данные через другую сеть. Это происходит в режиме «on-line», предоставляя пользователю автоматическую сетевую избыточность и увеличивая скорость коммуникаций во всей системе. 118 Каждому узлу в сети соответствует уникальный целочисленный идентификатор - логический номер узла. Любой поток в сети QNX имеет прозрачный доступ (при наличии достаточных привилегий) ко всем ресурсам сети, то же самое относится и к взаимодействию потоков. Для взаимодействия потоков, находящихся на разных узлах сети, используются те же самые вызовы ядра, что и для потоков, выполняемых на одном узле. В том случае, если потоки находятся на разных узлах сети, ядро переадресует запрос менеджеру сети. Для организации обмена в сети используется надежный и эффективный протокол транспортного уровня FLEET. Каждый из узлов может принадлежать одновременно нескольким QNX-сетям. В том случае если сетевое взаимодействие может быть реализовано несколькими путями, для передачи выбирается незагруженная и более скоростная сеть. Сетевое взаимодействие является узким местом в большинстве операционных систем и обычно создает значительные проблемы для систем реального времени. Для того чтобы обойти это препятствие, разработчики QNX создали собственную специальную сетевую технологию FLEET и соответствующий протокол транспортного уровня FTL (FLEET transport laуег). Этот протокол не базируется ни на одном из распространенных сетевых протоколов типа IPX или NetBios и обладает рядом качеств, которые делают его уникальным. Основные его качества зашифрованы в аббревиатуре FLEET, которая расшифровывается следующим образом. Благодаря этой технологии сеть компьютеров с QNX фактически можно представлять как один виртуальный суперкомпьютер. Все ресурсы любого из узлов сети автоматически доступны другим. Это значит, что любая программа может быть запущена на любом узле, при этом ее входные и выходные потоки могут быть направлены на любое устройство на любых других узлах. Например, утилита make в QNX автоматически распараллеливает компиляцию пакетов из нескольких модулей на все доступные узлы сети, а затем собирает исполняемый модуль по мере завершений компиляции на узлах. Специальный драйвер, входящий в комплект поставки, позволяет использовать для сетевого взаимодействия любое устройство, с которым может быть ассоциирован файловый дескриптор, например последовательный порт, что открывает возможность для создания глобальных сетей. Достигаются все эти удобства за счет того, что поддержка сети частично обеспечивается и микроядром (специальный код в его составе позволяет QNX фактически объединять все микроядра в сети в одно ядро). Разумеется, за такие возможности приходится платить тем, что мы не можем получить драйвер для какой-либо сетевой платы от кого-либо еще, кроме фирмы QSSL, то есть использоваться может только то оборудование, которое уже поддерживается. Однако ассортимент такого оборудования достаточно широк и периодически пополняется новейшими устройствами. 119 Fault-Tolerant Networking QNX может одновременно использовать несколько физических сетей. При выходе из строя любой из них данные будут автоматически перенаправлены «на лету» через другую сеть Load- Balancing on the Fly При наличии нескольких физически соединений QNX автоматически распараллеливает передачу пакетов по соответствующим сетям Efficient. Per- formance Специальные драйверы, разрабатываемые фирмой QSSL для широкого спектра оборудования, позволяют с максимальной эффективностью использовать сетевое оборудование Extensable Ar- chitecture Любые новые типы сетей могут быть поддержаны путем добавления соответствующих драйверов Transparent Distributed Processing Благодаря отсутствию разницы между передачей сообщений в пределах одного узла и между узлами нет необходимости вносить какие-либо изменения в приложении для того, чтобы они могли взаимодействовать через сеть Когда ядро получает запрос на передачу данных процессу, находящемуся на удаленном узле, оно переадресовывает этот запрос менеджеру Net, в подчинении которого находятся драйверы всех сетевых карт. Имея перед собой полную картину состояния всего сетевого оборудования, менеджер Net может отслеживать состояние каждой сети и динамически перераспределять нагрузку между ними. В случае, когда одна из сетей выходит из строя, информационный поток автоматически перенаправляется в другую доступную сеть, что важно при построении вы- соконадежных систем. Кроме поддержки своего собственного протокола, Net обеспечивает передачу пакетов TCP/IP, SMB и многих других, используя то же сетевое оборудование. Производительность QNX в сети приближается к производительности аппаратного обеспечения. При проектировании системы реального времени, как правило, необходимо обеспечить одновременное выполнение нескольких приложений. В QNX/Neutrino параллельность выполнения достигается за счет использования потоковой модели POSIX, в которой процессы в системе представляются в виде совокупности потоков. Поток является минимальной единицей выполнения и диспетчеризации для ядра Neutrino, процесс определяет адресное пространство для потоков. Каждый процесс состоит минимум из одного потока. QNX предоставляет богатый набор функций для синхронизации потоков. В отличие от потоков само ядро не подлежит диспетчеризации. Код ядра исполняется только в том случае, когда какой- нибудь поток вызывает функцию ядра или при обработке аппаратного прерывания. QNX базируется на концепции передачи сообщений. Передачу сообщений, а также их диспетчеризацию осуществляет ядро системы. Кроме 120 того, ядро управляет временными прерываниями. Выполнение остальных функций обеспечивается задачами-администраторами. Программа, желающая создать задачу, посылает сообщение администратору задач (модуль task) и блокируется для ожидания ответа. Если новая задача должна выполняться одновременно с порождающей ее задачей, администратор задач task создает ее и, отвечая, выдает порождающей задаче идентификатор (id) созданной задачи. В противном случае никакого сообщения не посылается до тех пор, пока новая задача не закончится сама по себе. В этом случае в ответе администратора задач будут содержаться конечные характеристики закончившейся задачи. Сообщения отличаются количеством данных, которые передаются от одной задачи точно к другой задаче. Данные копируются из адресного пространства первой задачи в адресное пространство второй, и выполнение первой задачи приостанавливается до тех пор, пока вторая задача не вернет ответное сообщение. В действительности обе задачи кратковременно взаимодействуют во время выполнения передачи. Ничто, кроме длины сообщения (максимальная длина 65 535 байт), не заботит QNX при передаче сообщения. Существует несколько протоколов, которые могут быть использованы для сообщений. Основные операции над сообщениями - это послать, получить и ответить, а также несколько их вариантов для обработки специальных ситуаций. Получатель всегда идентифицируется своим идентификатором задачи, хотя существуют способы ассоциировать имена с идентификатором задачи. Наиболее интересные варианты операций включают в себя возможность получать (копировать) только первую часть сообщения, а затем получать оставшуюся часть такими кусками, какие потребуются. Это может быть использовано для того, чтобы сначала узнать длину сообщения, а затем динамически распределить принимающий буфер. Если необходимо задержать ответное сообщение до тех пор, пока не будет получено и обработано другое сообщение, то чтение первых нескольких байт дает вам компактный «обработчик», через который позже можно получить доступ ко всему сообщению. Таким образом, ваша задача предохраняется от того, чтобы хранить в себе большое количество буферов. Другие функции позволяют программе получать сообщения только тогда, когда она уже ожидает их приема, а не блокироваться до тех пор, пока, не прибудет сообщение транслировать сообщение к другой задаче без изменения идентификатора передатчика. Задача, которая транслировала сообщение, в транзакции невидима. Кроме этого, QNX обеспечивает объединение сообщений в структуру данных, называемую очередью. Очередь - это область данных в третьей, отдельной задаче, которая временно принимает передаваемое сообщение и немедленно отвечает передатчику. В отличие от стандартной передачи сообщений, передатчик немедленно освобождается для того, чтобы продолжить свою работу. Задача администратора очереди хранить в себе сообщение до тех пор, пока приемник не будет готов прочитать его. Это он 121 делает путем запроса сообщения у администратора очереди. Любое количество сообщений (ограничено только возможностью памяти) может храниться в очереди. Они хранятся и передаются в том порядке, в котором были приняты. Может быть создано любое количество очередей. Каждая оче- редь идентифицируется своим именем. Помимо сообщений и очередей в QNX для взаимодействия задач и организации распределенных вычислений имеются так называемые порты, которые позволяют формировать сигнал одного конкретного условия, и механизм исключений. Порт подобен флагу, известному всем задачам на одном и том же узле (но не на различных узлax). Он имеет два состояния, которые могут трактоваться как «присоединить» и «освободить», хотя пользователь может использовать свою интерпретацию; например, «занят» и «доступен». Порты используются для быстрой простой синхронизации между задачей и обработчиком прерываний устройства. Они нумеруются от нуля до максимума 32 (на некоторых типах узлов возможно и больше). Первые 20 номеров зарезервированы для использования операционной системой. С портом могут быть выполнены три операции: - присоединить порт; - отсоединить порт; - послать сигнал в порт. Одновременно к порту может быть присоединена только одна задача Если другая задача попытается «отсоединиться» от того же самого порта, то произойдет отказ при вызове функции, и управление вернется к задаче, которая в настоящий момент присоединена к этому порту. Это самый быстрый способ обнаружить идентификатор другой задачи, подразумевая, что задачи могут договориться использовать один номер порта. Все рассматриваемые задачи должны находиться на одном и том же узле. При работе нескольких узлов специальные функции обеспечивают большую гибкость и эффективность. Любая задача может посылать сигнал в любой порт независимо от того, была ли она присоединена к нему или нет (предпочтительно, чтобы не была присоединена). Сигнал подобен не блокирующей передаче пустого сообщения. То есть передатчик не приостанавливается, а приемник не получает какие-либо данные, он только отмечает, что конкретный порт изменил свое состояние. Задача, присоединенная к порту, может ожидать прибытия сигнала или может периодически читать порт. QNX хранит информацию о сигналах, передаваемых в каждый порт, и уменьшает счетчик после каждой операции «приема» сигнала («чтение» возвращает счетчик и устанавливает его в ноль). Сигналы всегда принимаются перед сообщениями, давая им тем самым больший приоритет над сообщениями. В этом смысле сигналы часто используются обработчиками прерываний для того, чтобы оповестить задачу о внешних (аппаратных) событиях (действительно, обработчики прерываний 122 не имеют возможности посылать сообщения и должны использовать сигналы). В отличие oт описанных выше методов, которые строго синхронизируются, «исключения» обеспечивают асинхронное взаимодействие. То есть исключение может прервать нормальное выполнение потока задачи. Они, таким образом, являются аварийными событиями. QNX резервирует для себя 16 исключений для того, чтобы оповещать задачи о прерывании с клавиатуры, нарушении памяти и подобных необычных ситуациях. Остальные 16 исключений могут быть определены и использованы прикладными задачами. Системная функция может быть вызвана для того, чтобы позволить задаче управлять своей собственной обработкой исключений, выполняя свою собственную внутреннюю функцию во время возникновения исключения. Функция исключения задачи вызывается асинхронно операционной системой, а не самой задачей. Вследствие этого исключения могут иметь сильнодействующее побочное влияние на операции (например, передачу сообщений), которые выполняются в это же время. Обработчики исключений должны быть написаны очень аккуратно. Одна задача может установить одно или несколько исключений на другой задачей. Они могут быть комбинацией системных исключений (определенных выше) и исключений, определяемых приложениями, что обеспечивает другие возможности для межзадачного взаимодействия. Благодаря такому свойству QNX, как возможность обмена посланиями между задачами и узлами сети, программы не заботятся о конкретном размещении ресурсов в сети. Это свойство придает системе необычную гибкость. Так, узлы могут произвольно добавляться и изыматься из системы, не затрагивая системные программы. QNX приобретает эту конфигурационную независимость благодаря применению концепции о «виртуальных» задачах. У виртуальных задач непосредственный код и данные, будучи на одном из удаленных узлов, возникают и ведут себя так, как если бы они были локальными задачами какого-то узла со всеми атрибутами и привилегиями. Программа, посылающая сообщение в сети, ни- когда не посылает его точно. Сначала она открывает «виртуальную цепочку». Виртуальная цепочка включает все виртуальные задачи, связанные между собой. На обоих концах такой связи имеются буферы, которые позволяют хранить самое большое послание из тex, которые цепочка может нести в данном сеансе связи. Сетевой администратор помещает в эти буферы все сообщения для соединенных задач. Виртуальная задача, таким образом, занимает всего лишь пространство, необходимое для буфера и входа в таблицу задач. Чтобы открыть связь, необходимо знать идентификатор узла и задачи, с которой устанавливается связь. Для этого необходимо знать идентификатор задачи администратора, ответственного за данную функцию, или глобальное имя сервера. Не раскрывая здесь подробно механизм обмена посланиями, добавим, что наша задача может вообще выполняться на другом узле, где имеется более совершенный процессор. |