Эта глава охватывает следующие темы:
Что такое QNX?
Главная обязанность операционной системы состоит в управлении ресурсами компьютера. Все действия в системе - диспетчеризация прикладных программ, запись файлов на диск, пересылка данных по сети и т.п. - должны выполняться совместно настолько слитно и прозрачно, насколько это возможно.
Некоторые области применения предъявляют более жесткие требования к управлению ресурсами и диспетчеризации программ, чем другие. Приложения реального времени, например, полагаются на способность операционной системы обрабатывать многочисленные события в пределах ограниченного интервала времени. Чем быстрее реагирует операционная система, тем большее пространство для маневра имеет приложение реального времени в пределах жестких временных рамок.
Операционная система QNX идеальна для приложений реального времени. Она обеспечивает все неотъемлемые составляющие системы реального времени: многозадачность, диспетчеризацию программ на основе приоритетов и быстрое переключение контекста.
QNX - удивительно гибкая система. Разработчики легко могут настроить операционную систему таким образом, чтобы она отвечала требованиям конкретных приложений. QNX позволяет вам создать систему, использующую только необходимые для решения вашей задачи ресурсы. Конфигурация системы может изменяться в широком диапазоне - от ядра с несколькими небольшими модулями до полноценной сетевой системы, обслуживающей сотни пользователей.
QNX достигает своего уникального уровня производительности, модульности и простоты благодаря двум фундаментальным принципам:
- архитектура на основе микроядра;
- связь между процессами на основе сообщений.
Архитектура микроядра системы QNX
QNX состоит из небольшого ядра, координирующего работу взаимодействующих процессов. Как показано на рисунке, структура больше напоминает не иерархию, а команду, в которой несколько игроков одного уровня взаимодействуют между собой и со своим "защитником" - ядром.
Микроядро системы QNX координирует работу системных менеджеров.
Настоящее ядро
Ядро - это "сердце" любой операционной системы. В некоторых операционных системах на него возлагается так много функций, что ядро, по сути, заменяет всю операционную систему!
В QNX же Микроядро - это настоящее ядро. Во-первых, как и следует ядру реального времени, ядро QNX имеет очень маленький размер. Во-вторых, оно выполняет две важнейшие функции:
- передача сообщений - Микроядро обеспечивает маршрутизацию всех сообщений между всеми процессами в системе;
- диспетчеризация - планировщик - это часть Микроядра, и он получает управление всякий раз, когда процесс изменяет свое состояние в результате получения сообщения или прерывания.
В отличие от всех остальных процессов, ядро никогда не получает управления в результате диспетчеризации. Входящий в состав ядра код выполняется только в результате прямых вызовов из процесса или аппаратного прерывания.
Системные процессы
Все услуги операционной системы, за исключением тех, которые выполняются ядром, в QNX предоставляются через стандартные процессы. Типичная конфигурация QNX имеет следующие системные процессы:
- Менеджер процессов (Proc);
- Менеджер файловой системы (Fsys);
- Менеджер устройств (Dev);
- Менеджер сети (Net).
Системные и пользовательские процессы
Системные процессы практически ничем не отличаются от любых написанных пользователем программ - они не имеют какого-либо скрытого или особого интерфейса, недоступного пользовательским процессам.
Именно за счет такой системной архитектуры QNX обладает уникальной наращиваемостью. Так как большинство услуг операционной системы предоставляются стандартными процессами QNX, то расширение операционной системы требует всего лишь написания новой программы, обеспечивающей новую услугу!
Фактически, граница между операционной системой и прикладной программой может быть очень размыта. Единственный критерий, по которому мы можем отличить прикладные процессы и системные сервисные процессы, состоит в том, что процесс операционной системы управляет каким-либо ресурсом в интересах прикладного процесса.
Предположим, что вы написали сервер базы данных. Как же должен быть классифицирован этот процесс?
Точно так же, как сервер файловой системы принимает запросы (в QNX реализованные через механизм сообщений) на открытие файлов и запись или чтение данных, это будет делать и сервер базы данных. Хотя запросы к серверу базы данных могут быть и более сложными, сходство обоих серверов заключается в том, что оба они обеспечивают доступ к ресурсу посредством запросов. Оба они являются независимыми процессами, которые могут быть написаны пользователем и запускаться по мере необходимости.
Сервер базы данных может рассматриваться как процесс в одном случае и как приложение в другом. Это действительно не имеет значения! Важно то, что создание и выполнение таких процессов в QNX не требует абсолютно никаких изменений в стандартных компонентах операционной системы.
Драйверы устройств
Драйверы устройств - это процессы, которые являются посредниками между операционной системой и устройствами и избавляют операционную систему от необходимости иметь дело с особенностями конкретных устройств.
Так как драйверы запускаются как обычные процессы, добавление нового драйвера в QNX не влияет на другие части операционной системы. Таким образом, добавление нового драйвера в QNX не требует ничего, кроме непосредственно запуска этого драйвера.
После запуска и завершения процедуры инициализации, драйвер может выбрать один из двух вариантов поведения:
- стать расширением определенного системного процесса;
- продолжать выполнение как независимый процесс.
Связь между процессами (IPC)
В типичной для многозадачной системы реального времени ситуации, когда несколько процессов выполняются одновременно, операционная система должна предоставить механизмы, позволяющие им общаться друг с другом.
Связь между процессами (Interprocess communication, сокращенно IPC) является ключом к разработке приложений как совокупности процессов, в которых каждый процесс выполняет отведенную ему часть общей задачи.
QNX предоставляет простой, но мощный набор возможностей IPC, которые существенно облегчают разработку приложений, состоящих из взаимодействующих процессов.
Передача сообщений
QNX была первой коммерческой операционной системой своего класса, которая использовала передачу сообщений в качестве основного способа IPC. Именно последовательное воплощение метода передачи сообщения в масштабах всей операционной системы обусловливает мощность, простоту и элегантность QNX.
Сообщения в QNX - это последовательность байт, передаваемых от одного процесса другому. Операционная система не пытается анализировать содержание сообщения - передаваемые данные имеют смысл только для отправителя и получателя, и ни для кого более.
Передача сообщения позволяет не только обмениваться данными, но и является способом синхронизации выполнения нескольких процессов. Когда они посылают, получают или отвечают на сообщения, процессы претерпевают различные "изменения состояния", которые влияют на то, когда и как долго они могут выполняться. Зная состояния и приоритеты процессов, ядро организует их диспетчеризацию таким образом, чтобы максимально эффективно использовать ресурсы центрального процессора (ЦП).
Приложение реального времени и другие ответственные приложения по праву нуждаются в надежном механизме передачи сообщений, т.к. входящие в состав этих приложений процессы тесно взаимосвязаны. Реализованный в QNX механизм передачи сообщений способствует упорядочению и повышению надежности программ.
QNX как сеть
В простейшем случае локальная сеть обеспечивает разделяемый доступ к файлам и периферийным устройствам для нескольких соединенных между собой компьютеров. QNX идет гораздо дальше этого простейшего представления и объединяет всю сеть в единый однородный набор ресурсов.
Любой процесс на любом компьютере в составе сети может непосредственно использовать любой ресурс на любом другом компьютере. С точки зрения приложений, не существует никакой разницы между местным или удаленным ресурсом, и использование удаленных ресурсов не требует каких-либо специальных средств. Более того, чтобы определить, находится ли такой ресурс как файл или устройство на локальном компьютере или на другом узле сети, в программу потребуется включить специальный дополнительный код!
Пользователи могут иметь доступ к файлам по всей сети, использовать любое периферийное устройство, запускать программы на любом компьютере сети (при условии, что они имеют надлежащие полномочия). Связь между процессами осуществляется единообразно, независимо от их местоположения в сети. В основе такой прозрачной поддержки сети в QNX лежит всеобъемлющая концепция IPC на основе передачи сообщений.
Модель единого компьютера
QNX изначально проектировался как сетевая операционная система. В некоторых отношениях QNX сеть напоминает скорее большую ЭВМ, нежели набор мини-компьютеров. Пользователям известно, что в распоряжении любой из прикладных программ имеется большой набор ресурсов. Но в отличие от большой ЭВМ, QNX обеспечивает быструю реакцию системы, т.к. соответствующий объем вычислительных ресурсов может быть выделен на каждом узле в соответствии с потребностями каждого пользователя.
В условиях управления производством используются программируемые контроллеры и другие устройства ввода/вывода, а также комплексы программ, работающие в режиме реального времени, которым может потребоваться больше ресурсов, чем другим менее ответственным приложениям, таким как текстовый редактор. Сеть QNX достаточно "отзывчива", чтобы поддерживать одновременно оба этих типа приложений, QNX позволяет сфокусировать вычислительную мощность системы на производственном оборудовании (там, где это необходимо), в то же время, не жертвуя интерфейсом пользователя.
Гибкая поддержка сети
QNX сеть может быть построена с использованием различного оборудования и стандартных промышленных протоколов. В силу своей полной прозрачности для прикладных программ и пользователей, новые сетевые архитектуры могут быть внедрены в любое время, не разрушая операционной системы.
 |
Список поддерживаемого QNX сетевого оборудования пополняется со временем. Для получения подробной информации обратитесь к документации на сетевое оборудование, которое вы используете. |
Каждому узлу QNX сети присваивается уникальный номер, который становится его идентификатором. Этот номер также единственный видимый признак того, функционирует QNX как сеть или как однопроцессорная операционная система.
Такая степень прозрачности является еще одним примером больших возможностей архитектуры QNX, основанной на передаче сообщений. Во многих операционных системах такие важные функции как поддержка сети, IPC или даже передача сообщений выполнены в виде надстроек над операционной системой, а не интегрированы непосредственно в ее сердцевину. Результатом такого подхода является неуклюжий и неэффективный интерфейс с "двойным стандартом", когда связь между процессами - это одно дело, в то время как проникновение в скрытый интерфейс таинственного монолитного ядра - совершенно другое дело!
QNX, напротив, исходит из того, что эффективная связь является ключом к эффективной работе. Передача сообщений является, таким образом, краеугольным камнем архитектуры QNX, увеличивает эффективность всех без исключения транзакций между процессами в системе, независимо от того, идет ли речь о передаче данных по внутренней шине персонального компьютера или по коаксиальному кабелю на расстояние нескольких миль.
Теперь давайте перейдем к более подробному рассмотрению структуры QNX.
|
