Сетевая ОС реального времени QNX

⇐ ПредыдущаяСтр 48 из 50Следующая ⇒

Операционная система QNX является мощной операционной системой, позволяющей проектировать сложные программные системы, работающие в реальном времени как на одном-единственном 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 очень похожа на UNIX. Однако QNX – это не версия UNIX, хотя почему–то многие так считают. Она была разработана, что называется «с нуля», канадской фирмой QNX Software Systems Limited в 1989 году по заказу Министерства обороны США. Причём 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. Вот как они описаны на сайте, посвященном системе QNX [60].

¨ Предсказуемость, означающая её применимость к задачам жёсткого 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 нереентерабельный код ядра слишком велик. Любой системный вызов из обработчика прерывания в UNIX может привести к непредсказуемой задержке (то же самое касается Windows NT, где реальное время заканчивается между ISR и DPC).

¨ Масштабируемость и эффективность, достигаемые оптимальным использованием ресурсов и означающие её применимость для встроенных (embedded) систем; вы не увидите в каталоге /dev огромной кучи файлов, соответствующих ненужным драйверам. Драйверы и менеджеры можно запускать и удалять (кроме файловой системы, что очевидно) динамически, просто 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 надёжность одновременно, поскольку написанный вами драйвер не нужно компилировать в ядро, рискуя вызвать нестабильность системы.

Менеджеры ресурсов (сервис логического уровня) работают в кольце защиты 3, и вы можете 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 FLEET1, 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 GUI2 (расширенный Motif), работающий вместе с POSIX-совместимой ОС всего в 4Мбайт памяти, начиная с i80386 процессора.

Вспомним основные принципы, обязательная реализация которых позволят создавать ОСРВ (см. раздел «Требования, предъявляемые к ОС реального времени», глава 5). Первым обязательным требованием к архитектуре ОСРВ является многозадачность в истинном смысле этого слова. Очевидно, что варианты с псевдомногозадачностью (а точнее – не вытесняющая многозадачность) типа MS Windows 3.х 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), что является достаточно легкой задачей. Вторая проблема (организация надёжных 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. Наконец, 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. Весьма важно также, чтобы ОС поддерживала множественные потоки управления (не только мультипрограммный, но и мультизадачный режимы), а также симметричную мультипроцессорность.

И, наконец, при соблюдении всех перечисленных условий ОС должна быть способна работать на ограниченных аппаратных ресурсах, поскольку одна из её основных областей применения – это встроенные системы. К сожалению, данное условие обычно реализуется путём урезания стандартных сервисных средств.

Архитектура системы QNX

QNX – это ОС реального времени, позволяющая эффективно организовать распределённые вычисления. В системе реализована концепция связи между задачами на основе сообщений, посылаемых от одной задачи к другой, причём задачи эти могут находиться как на одном и том же компьютере, так и на удалённых, 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 в 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 [54]:

¨ механизм передачи сообщений между процессами (IPC);

¨ редиректор3 прерываний;

¨ блок планирования выполнения задач;

¨ сетевой интерфейс для перенаправления сообщений (менеджер Net).

Механизм передачи межпроцессных сообщений занимается пересылкой сообщений между процессами и является одной из важнейших частей операционной системы, так как всё общение 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 вероятности повреждения сообщения в процессе передачи, а с другой – уменьшается объём 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 ещё 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 создаётся представитель. Он накапливает в себе сообщения, которые должны быть доставлены другим процессам. Любой процесс, знающий идентификатор представителя, может вызвать функцию Trigger( ), 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 в 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 обработчик 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 исполняется в контексте процесса и имеет доступ ко всем глобальным переменным процесса. При работе обработчика прерываний прерывания разрешены, но обработчик приостанавливается только в том случае, если произошло более высокоприоритетное 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 существен в любой области применения, от работы терминальных устройств до возможности обработки высокочастотных сигналов.

Блок планирования выполнения задач (диспетчер задач) занимается обеспечением многозадачности. В этой части ОС QNX предоставляет разработчику огромный простор для выбора той методики выделения ресурсов процессора задаче, которая обеспечит наиболее подходящие условия для критических приложений или обеспечит такие 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;

¨ истёк квант времени для процесса, владеющего CPU;

¨ работающий процесс прерван каким-либо событием.

Диспетчер выбирает процесс для запуска среди неблокированных процессов в порядке значений их приоритетов, которые располагаются в диапазоне от 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 адаптив-ный, который является наиболее используемым.

Первый наиболее близок к кооперативной многозадачности. То есть процесс выполняется до тех пор, пока он не перейдёт 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 всё 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:

¨ 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.

¨ Если процесс с пониженным приоритетом остаётся 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.

Сетевой интерфейс в системе QNX является неотъемлемой частью ядра. Он, конечно, 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 её управлением, по-настоящему распределёнными.

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, впрочем, 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.

⇐ Предыдущая 41 42 43 44 45 46 474849 50 Следующая ⇒