software1_2000_1.pdf

(289 KB) Pobierz

ОБЗОР/ПРОГРАММНОЕ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Сергей Прожоги�½

Neutrino:

быстрее, выше и… ме�½ьше

В�½има�½ию читателей предлагается описа�½ие особе�½�½остей и возмож�½остей операцио�½�½ой системы

реаль�½ого време�½и QNX/Neutrino.

QNX/Neutrino появилась �½е �½а пус

том месте: ей предшествовала ОС

QNX, которая была первой коммерче

ской ОС, построе�½�½ой �½а при�½ципах

микроядра и обме�½а сообще�½иями.

Да�½�½ая ОС реализова�½а в виде взаимо

связа�½�½ых, �½о в то же время �½езависи

мых (взаимодействие посредством об

ме�½а сообще�½иями) процессов раз

лич�½ых уров�½ей. ОС QNX содержит в

себе предсказуемость, что край�½е �½е

обходимо для реше�½ия задач жесткого

реаль�½ого време�½и, масштабируемость

и эффектив�½ость в управле�½ии ресур

сами, расширяемость, проявляющую

ся в добавле�½ии своего драйвера уст

ройства без перекомпилирова�½ия яд

ра, собстве�½�½ый сетевой протокол

FLEET, по скорости приближающийся

к физической скорости передачи да�½

�½ых. Тем �½е ме�½ее, QNX имеет ряд �½е

достатков и огра�½иче�½ий из за своей

орие�½тации �½а аппарат�½ую архитекту

ру Intel x86, а также из за строгого со

ответствия требова�½иям ОС реаль�½ого

време�½и (ОС РВ). В число этих �½едо

статков входят:

отсутствие поддержки SMP (м�½ого

процессор�½ых систем);

отсутствие свопи�½га виртуаль�½ой па

мяти �½а диск;

�½еста�½дарт�½ая поддержка �½итей;

м�½ого огра�½иче�½ий файловой систе

мы;

отсутствие Unix domain sockets.

Если обобщить все проблемы QNX,

то получатся четыре ос�½ов�½ых пу�½к

та:

1)�½едостаточ�½ая поддержка POSIX;

2)отсутствие меха�½изма поддержки

ста�½дарт�½ых �½итей;

3)отсутствие поддержки SMP;

4)�½епере�½осимость �½а другие аппарат

�½ые платформы.

www.cta.ru

После з�½акомства с этими пу�½ктами

ста�½овится очевид�½о, что цель, кото

рой

пытается

достичь

QSSL

(http://www.qnx.com) — разработчик

QNX/Neutrino, состоит в созда�½ии

POSIX совместимой ОС, пригод�½ой

для использова�½ия как в и�½теллекту

аль�½ых ко�½троллерах, так и в мощ�½ых

серверах и кластерах.

ОДДЕРЖКА

POSIX

СТАНДАРТА

семейство x86 — 386, i386 EX,

Am386SE/DE, AMD ElanSC400/410,

486, Cyrix MediaGX, Pentium,

Pentium Pro, Pentium II, STPC;

семейство PowerPC — 401, 403, 603e,

604e, 750, MPC860, MPC821,

MPC823;

семейство MIPS — R4000, R5000,

NEC VR4300/4102/4111, VR5000,

IDT R4700, QED RM5260/5270/

5261/5271.

При�½ято считать, что поддержка

POSIX ста�½дарта операцио�½�½ой сис

темой делает ее слишком громоздкой

для встраиваемых систем. Тем �½е ме

�½ее, QNX/Neutrino является POSIX

совместимой ОС (в отличие от QNX,

слабо поддерживающей POSIX) для

встраиваемых систем реаль�½ого време

�½и. QNX/Neutrino обладает высокой

эффектив�½остью, присущей предыду

щим версиям QNX, и включает в себя

ста�½дарт�½ый программ�½ый и�½тер

фейс, что долж�½о существе�½�½о облег

чить разработку приложе�½ий и пере

�½ос их с других платформ.

В микроядре Neutrino реализова�½ы

ос�½ов�½ые фу�½кции POSIX:

1003.1, 1003.1a – управле�½ие процесса

ми, вводом выводом и файловой си

стемой;

1003.1b – выпол�½е�½ие в реаль�½ом мас

штабе време�½и;

1003.1c – созда�½ие и управле�½ие �½итя

ми в рамках процесса;

1003.1d – расшире�½ия ОС РВ (обра

ботчики прерыва�½ий и т.п.).

СНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

QNX/N

EUTRINO

Ключевыми свойствами, делающи

ми ОС QNX/Neutrino край�½е привле

катель�½ой для использова�½ия во

встрое�½�½ых системах, являются:

м�½огозадач�½ость;

управляемая приоритетами диспет

черизация;

ми�½ималь�½ые �½аклад�½ые расходы �½а

обработку аппарат�½ых прерыва�½ий и

переключе�½ие задач;

масштабируемость;

прозрач�½ая сетевая поддержка;

соответствие ста�½дарту POSIX;

поддержка м�½огопроцессор�½ых сис

тем;

ИКРОЯДРО

QNX/N

EUTRINO

У�½икаль�½ость QNX/Neutrino заклю

чается в эффектив�½ости использова

�½ия вычислитель�½ых ресурсов, в мо

дуль�½ости и простоте. Ос�½ов�½ые

при�½ципы построе�½ия ОС:

архитектура «микроядро»;

межпроцессор�½ое взаимодействие, в

ос�½ову которого положе�½ при�½цип

обме�½а сообще�½иями.

Архитектура «микроядро» оз�½ачает,

прежде всего, построе�½ие ОС по при�½

ципу модуль�½ости, а размер ядра игра

ОДДЕРЖИВАЕМЫЕ

АППАРАТНЫЕ ПЛАТФОРМЫ

На да�½�½ый моме�½т QNX/Neutrino

поддерживает ос�½ов�½ые аппарат�½ые

платформы, используемые во встраи

ваемых системах, включая

СТА 1/2000

О Б З О Р

П Р О Г РА М М Н О Е О Б Е С П Е ЧЕ Н И Е

Микроядро Neutrino обеспечивает

щих версиях ОС QNX, од�½ако о�½а, в

ет �½е глав�½ую роль. Фу�½кцио�½аль�½ые

перераспределе�½ие процессор�½ого вре

отличие от Neutrino, �½е могла работать

возмож�½ости такой системы �½аращи

ме�½и между потоками (процессами) за

без ме�½еджера процессов. Так как ядро

ваются �½е путем добавле�½ия �½овых

счет различ�½ых меха�½измов диспетче

QNX/Neutrino обеспечивает достаточ

фу�½кций в ядро, а за счет подключе

ризации. Испол�½е�½ие потока приоста

�½ый �½абор фу�½кций для управле�½ия

�½ия �½овых процессов, обеспечиваю

�½авливается всякий раз при воз�½ик�½о

потоками, то пользователь имеет воз

щих допол�½итель�½ый сервис. Поэтому

ве�½ии од�½ого из следующих условий:

мож�½ость создать ко�½фигурацию, со

поддержка файловой системы, сетевой

стоящую из од�½их только пользова

обработки, графического и�½терфейса

поток вызывает фу�½кцию ядра;

тельских потоков, �½е включая в ядро

и других сервисов �½е является фу�½кци

происходит аппарат�½ое прерыва�½ие;

ме�½еджер процессов (рис. 1).

ей микроядра, как в больши�½стве ОС.

воз�½икает исключе�½ие.

Все это �½еобходимо для реализации

Эти сервисы обеспечиваются отдель

встрое�½�½ых систем реаль�½ого време

�½ыми процессами. Целью созда�½ия

ОДДЕРЖКА

ОС �½а ос�½ове микроядра яв

МУЛЬТИПРОЦЕССОРНОСТИ

ляется �½е жела�½ие сделать ее

При работе QNX/Neutrino мы уви

как мож�½о ме�½ьше по разме

дим почти ли�½ей�½ый рост производи

ру, а стремле�½ие обеспечить

тель�½ости при добавле�½ии допол�½и

бо льшую гибкость за счет

тель�½ых процессоров (всего до 8). Это

модуль�½ости структуры. Не

достигается за счет того, что все сис

большой размер является,

тем�½ые вызовы QNX/Neutrino могут

�½есом�½е�½�½о, положитель

вытес�½яться при �½еобходимости обра

�½ым, �½о все таки побоч�½ым

ботать вызов от �½ити с более высоким

эффектом.

приоритетом даже в процессе переда

Компакт�½ое ядро Neutrino

чи сообще�½ий. Такое качество микро

имеет оче�½ь �½ебольшой раз

ядра в совокуп�½ости со срав�½итель�½ой

мер — ме�½ее 32 кбайт, вы

простотой и малым размером позволя

пол�½яя �½ескольких ос�½ов

ет ми�½имизировать �½евытес�½яемые

�½ых служб операцио�½�½ой си

последователь�½ости кода в системе.

стемы:

Это влечет за собой ряд положитель

�½ых последствий. Во первых, улучша

службы обме�½а сообще�½и

Рис. 1. Микроядро QNX/Neutrino

ются време�½�½ые характеристики сис

ями между потоками всей

темы. Во вторых, �½евысокие требова

системы;

�½и. Допол�½итель�½о к этим фу�½кциям в

�½ия к памяти упрощают разработку

службы си�½хро�½изации потоков;

ядре реализова�½ меха�½изм обме�½а со

встрое�½�½ых систем �½изшего уров�½я.

службы диспетчеризации потоков;

обще�½иями, являющийся отличитель

В третьих, уме�½ьшается количество

службы управле�½ия таймерами и ап

�½ой чертой ОС QNX. Введе�½о �½овое

блокировок в коде, �½еобходимых для

парат�½ыми прерыва�½иями.

по�½ятие «пульс» — краткое служеб�½ое

поддержки симметрич�½ых мультипро

В отличие от потоков (процессов),

сообще�½ие, �½е требующее ответа и ис

цессор�½ых архитектур (SMP) и повы

само ядро Neutrino �½е подлежит дис

пользуемое для аси�½хро�½�½ых передач.

шается эффектив�½ость использова�½ия

петчеризации. Код ядра испол�½яется

Ядро управляет объектами и поддер

допол�½итель�½ых процессоров (рис. 2).

только при вызове фу�½кции ядра ка

живает 57 вызовов для поддержки по

Кроме того, реализация SMP

ким �½ибудь потоком или при обработ

токов, сообще�½ий, сиг�½алов, тайме

QNX/Neutrino допускает руч�½ое рас

ке аппарат�½ого прерыва�½ия. Все ос

ров, обработчиков прерыва�½ий, при

пределе�½ие процессов между процес

таль�½ые службы операцио�½�½ой систе

митивов си�½хро�½изации (семафоров,

сорами, что позволяет добиться еще

мы реализова�½ы посредством ста�½

критических секций, услов�½ых пере

большей эффектив�½ости в ко�½троли

дарт�½ых процессов. Пользователь

ме�½�½ых). Все вызовы ядра являются

руемой среде испол�½е�½ия.

имеет возмож�½ость создавать �½еобхо

пол�½остью прерываемыми. Прерыва

димую ему ко�½фигурацию операцио�½

�½ия отключаются �½а 8 кома�½д при вхо

�½ой системы путем добавле�½ия или

ИСПЕТЧЕРИЗАЦИЯ

де в код ядра, �½а 14 кома�½д при выходе

удале�½ия �½еобходимых в да�½�½ой реа

ПРОЦЕССОВ

из �½его и �½а 40 кома�½д при воз�½ик�½о

лизации процессов. В QNX/Neutrino

Реше�½ие о том, какой поток в�½овь

ве�½ии исключе�½ия.

�½е существует различия между пользо

получит

управле�½ие,

при�½имает

вательскими и систем�½ыми процесса

ми: и те и другие используют

оди�½аковые меха�½измы взаи

модействия с ядром ОС. Драй

веры устройств в QNX/Neutri

no �½е отличаются от осталь

�½ых процессов в системе, и их

мож�½о создавать и отлажи

вать, как обыч�½ые пользова

тельские приложе�½ия.

Микроядер�½ая структура

Рис. 2. Поддержка м�½огопроцессор�½ых ко�½фигураций в QNX/Neutrino

присутствовала и в предыду

СТА 1/2000

www.cta.ru

О Б З О Р

П Р О Г РА М М Н О Е О Б Е С П Е ЧЕ Н И Е

вии с приоритетами потоков, которым

QNX/Neutrino. Если уп

о�½и при�½адлежат.

равле�½ие получает по

ток, отлич�½ый от теку

щего, то производится

ОСТАВ

ОС QNX/N

EUTRINO

переключе�½ие ко�½текста

операцио�½�½ую

систему

актив�½ой задачи. Пере

QNX/Neutrino �½аряду с микроядром

ключе�½ие

ко�½текста

Neutrino входят следующие компо�½е�½

производится в том слу

ты:

чае, если текущий поток

ме�½еджер процессов — procnto;

блокируется (�½апример,

ме�½еджеры файловых систем —

в результате вызова

io blk, fs nfs, fs cifs;

фу�½кции ожида�½ия со

ме�½еджеры символь�½ых устройств;

обще�½ий), доброволь�½о

графический и�½терфейс пользовате

передает управле�½ие (�½а

ля — Photon;

пример,

посредством

ме�½еджер очередей;

вызова

фу�½кции

ме�½еджер TCP/IP.

sched_yield()), или если в

Модуль procnto (рис. 4) служит для

системе существует по

поддержки определе�½�½ых POSIX про

ток, выпол�½е�½ие которо

цессов, каждый из которых может со

го по ряду причи�½ явля

держать м�½ожество потоков. Ме�½ед

Рис. 3. Состоя�½ия и приоритеты �½итей в очереди

ется более предпочти

жер процессов добавляет к фу�½кциям,

тель�½ым (рис. 3).

обеспечиваемым ядром, три �½овые:

что существует готовый к выпол�½е

Каждый поток имеет определе�½�½ый

�½ию поток с таким же приоритетом;

управле�½ие процессами — созда�½ие,

приоритет от 0 (�½аиме�½ьший) до 31

у�½ичтоже�½ие процессов и управле

если поток переходит в заблокиро

(�½аивысший). QNX/Neutrino выбира

�½ие их атрибутами;

ва�½�½ое состоя�½ие, то его приоритет

ет для выпол�½е�½ия поток, готовый к

восста�½авливается до перво�½ачаль

управле�½ие памятью — обеспече�½ие

выпол�½е�½ию (�½езаблокирова�½�½ый) и

�½ого з�½аче�½ия.

различ�½ых меха�½измов защиты па

имеющий �½аивысший приоритет.

мяти, поддержка разделяемых биб

Для обеспече�½ия большей гибкости

лиотек и работа с общей памятью для

ПРАВЛЕНИЕ АППАРАТНЫМИ

при перераспределе�½ии процессор�½о

межпроцесс�½ого взаимодействия;

ПРЕРЫВАНИЯМИ

го време�½и QNX/Neutrino использует

QNX/Neutrino пол�½остью обеспечи

управле�½ие простра�½ством име�½, ис

3 алгоритма диспетчеризации для каж

вает управле�½ие аппарат�½ыми прерыва

пользуемым ме�½еджерами ресурсов.

дой очереди потоков с оди�½аковым

�½иями. Для обработки прерыва�½ия

приоритетом:

приложе�½ию требуется привязать �½еоб

АЙЛОВЫЕ СИСТЕМЫ

ходимую фу�½кцию обработки к иско

FIFO,

QNX/N

EUTRINO

мому прерыва�½ию, используя вызовы

Round robin,

QNX/Neutrino поддерживает �½е

ядра. Да�½�½ый обработчик прерыва�½ия

сколько типов файловых систем. Каж

адаптив�½ый алгоритм.

�½е содержит кода, связа�½�½ого с аппа

дому типу файловой системы соответ

Поток может уста�½овить для себя

рат�½ой реализацией прерыва�½ия (вход в

ствует свой ме�½еджер, который может

любой из да�½�½ых алгоритмов, од�½ако

прерыва�½ие, выход из прерыва�½ия, со

быть запуще�½ или выгруже�½ в любой

о�½ будет приме�½яться в том случае, ес

хра�½е�½ие текущего ко�½текста), и �½ичем

моме�½т време�½и.

ли существует хотя бы еще оди�½ поток

�½е отличается от обыч�½ой фу�½кции.

Файловая система QNX �½аряду с вы

с таким же приоритетом и да�½�½ым ал

К од�½ому прерыва�½ию может быть

сокой производитель�½остью обеспе

горитмом диспетчеризации. Перерас

привяза�½о �½есколько обработчиков,

чивает �½еобходимый урове�½ь �½адеж

пределе�½ие време�½и процессора, со

получающих управле�½ие в соответст

�½ости.

глас�½о од�½ому из приведе�½�½ых алго

ритмов, �½арушается в том

случае, если поток с боль

шим приоритетом ста�½овит

ся готовым к выпол�½е�½ию, в

этом случае о�½ �½емедле�½�½о

получает управле�½ие, преры

вая выпол�½е�½ие ме�½ее при

оритет�½ого потока. Алгорит

мы FIFO и Round robin в

комме�½тариях �½е �½уждаются.

Адаптив�½ый алгоритм дис

петчеризации подразумевает

следующее:

если поток исчерпал выде

ле�½�½ый ему и�½тервал вре

ме�½и, то его приоритет по

Рис. 4. Модуль�½ость архитектуры QNX/Neutrino позволяет легко добавлять любые модули

�½ижается �½а 1 при условии,

для поддержки устройств

www.cta.ru

СТА 1/2000

О Б З О Р

П Р О Г РА М М Н О Е О Б Е С П Е ЧЕ Н И Е

Из рис. 5 вид�½о, что

файловые системы вы

пол�½е�½ы как разделяе

мые библиотеки. В отли

чие от больши�½ства сис

тем, где драйверы уст

ройств загружаются опе

рацио�½�½ой системой в

самом

�½ачале,

QNX/Neutrino разделяе

мые библиотеки загружа

ются позже. Библиотека

fs cd.so

обеспечивает

прозрач�½ый доступ к

файловой системе CD

ROM, удовлетворяющей ста�½дарту

ISO 9660 с расшире�½иями High

Sierra. Кроме файлов, поддержива

ются аудиодиски и фото CD в

формате Kodak.

Модули fs cifs и fs nfs позволяют

рабочей ста�½ции QNX осуществлять

доступ к файлам �½а компьютере под

управле�½ием Windows NT/95 и в сете

вых файловых системах (Network File

System) по протоколу TCP/IP. Запросы

к файлам преобразуются в запросы

протокола CIFS (Common Internet File

System) или NFS и посылаются соот

ветствующему серверу. В качестве про

токола тра�½спорт�½ого уров�½я fs cifs и

fs nfs используют TCP/IP, поэтому для

выпол�½е�½ия CIFS и NFS в системе �½е

обходимо �½аличие ме�½еджера TCP/IP,

который поддерживается разделяемой

библиотекой npi ttcpip.so.

Рис. 5. Файловая модуль�½ая система

QNX/Neutrino

грамм�½ый код. Ме�½еджер TCP/IP мо

жет обслуживать �½есколько клие�½тов

од�½овреме�½�½о, в порядке их приорите

тов, что приводит к более рацио�½аль

�½ой загрузке процессора (рис. 6).

РАФИЧЕСКАЯ ПОДСИСТЕМА

HOTON

ICRO

GUI

Neutrino имеет свою графическую

подсистему Photon. Существует �½емало

ОС, пригод�½ых для созда�½ия систем

реаль�½ого време�½и, тем �½е ме�½ее, в

больши�½стве из �½их �½ет сколько �½и

будь удоб�½ого и отвечающего требова

�½иям реаль�½ого време�½и графического

и�½терфейса пользователя (GUI). Те �½е

м�½огие системы, которые способ�½ы

поддержать пол�½оце�½�½ый GUI, �½е

позволяют использовать это �½а прак

тике, поскольку реализация традици

о�½�½ых GUI, �½апример типа X11, связа

�½а с оче�½ь высокими затратами ресур

сов, особе�½�½о памяти.

Micro GUI Photon является графиче

ской подсистемой, по в�½еш�½ему виду и

структуре похожей �½а X11/Motif, �½о

куда ме�½ее требователь�½ой к ресурсам.

Графический и�½терфейс Photon пост

рое�½ по при�½ципу модуль�½ости с при

ме�½е�½ием меха�½изма обме�½а сообще

�½иями, что и сделало его пригод�½ым к

использова�½ию во встраиваемых сис

темах реаль�½ого време�½и.

Низкие требова�½ия к оператив�½ой

памяти являются отличитель�½ой чер

ЕТЕВОЙ

ПРОТОКОЛ

QNX/N

EUTRINO

QNX/Neutrino имеет собстве�½�½ый

�½адеж�½ый и эффектив�½ый сетевой

протокол

тра�½спорт�½ого

уров�½я

FLEET, который используется для ор

га�½изации обме�½а в сети и �½е зависит

от аппарат�½ой реализации сети. Эта

�½езависимость обеспечивается за счет

использова�½ия сетевых драйверов. В

QNX/Neutrino имеются драйверы для

таких сетей, как Ethernet, Arcnet, Token

Ring. Кроме этого, есть возмож�½ость

орга�½изации сети через последователь

�½ый ка�½ал или модем.

TCP/IP

QNX/N

EUTRINO

www.cta.ru

Ме�½еджер TCP/IP выпол�½е�½ в виде

разделяемой библиотеки, что позволя

ет м�½огократ�½о использовать про

СТА 1/2000

О Б З О Р

П Р О Г РА М М Н О Е О Б Е С П Е ЧЕ Н И Е

той Photon по срав�½е

�½ию с другими графиче

скими средами.

Photon имеет оче�½ь

удоб�½ую, гибкую и рас

ширяемую архитектуру,

которая позволяет раз

работчикам GUI при

ложе�½ий существе�½�½о

сокращать сроки созда

�½ия программ�½ого обес

пече�½ия.

trino, работающая �½епосредстве�½�½о

под управле�½ием Neutrino (self hosted).

АКЛЮЧЕНИЕ

Уже сейчас по�½ят�½о, что у

QNX/Neutrino огром�½ые возмож�½ости

для приме�½е�½ия, благодаря соответст

вию и�½терфейса приклад�½ого про

граммирова�½ия ста�½дартам POSIX и

�½астоящему микроядру. Эти свойства

оди�½аково привлекатель�½ы как для

использова�½ия во встраиваемых систе

мах (и�½теллектуаль�½ые ко�½троллеры,

маршрутизаторы и т.д.), так и для реа

лизации фу�½кций Internet сервера,

файл сервера и сервера приложе�½ий.

Все это, �½есом�½е�½�½о, делает ОС РВ

QNX/Neutrino перспектив�½ой систе

мой для �½овых разработок во встраи

ваемых системах и в системах управле

�½ия производством.

С.С. Прожоги�½ – сотруд�½ик SWD

Real Time Systems

196135, Россия,

Са�½кт Петербург,

пр. Ю. Гагари�½а, 23.

Тел.: (812) 443 0260

Факс: (812) 443 0497

E mail: sergey.prozhogin@swd.ru

РЕДА РАЗРАБОТКИ

При всех перечисле�½�½ых до

стои�½ствах операцио�½�½ая систе

ма �½е может быть сколько �½ибудь

и�½терес�½ой без удоб�½ого и пол�½ого

средства

разработки.

Для

QNX/Neutrino таковым является Code

Warrior IDE, созда�½�½ый фирмой

MetroWerks, мировым лидером в сис

темах разработки встраиваемых сис

тем. Эта кросс платформе�½�½ая и�½тег

рирова�½�½ая система разработки поз

воляет разрабатывать приложе�½ия �½е

только из QNX/Neutrino, �½о и под уп

равле�½ием Windows NT, а также легко

�½астраивается для работы с любым

C/C++ компилятором и включает в

Рис. 6. TCP/IP стек в QNX/Neutrino

себя м�½огооко�½�½ый и�½терфейс, от

ладчик и систему ко�½текст�½ых под

сказок.

На да�½�½ый моме�½т в среду QNX 4.x

пере�½есе�½ GNU C/C++ компилятор с

библиотеками, позволяющий ге�½ери

ровать приложе�½ия для QNX/Neu

trino. К ко�½цу года ожидается GNU

версия компилятора для QNX/Neu

СТА 1/2000

www.cta.ru

Plik z chomika:

fred1144

software1_2000_1.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: