TheLib.Ru » ОС и Сети » Автор неизвестен » Системная архитектура QNX4 » онлайн-чтение (стр. 1)

 

 

---------------------------------------------------------------
(С) QNX Software Systems Ltd., 1996
Автор: QNX Software Systems Ltd.
Русское издание: SWD Software Ltd.
WWW: http://www.swd.ru/qnx/support/literature/sysarch/
E-mail: books.qnx@swd.ru
Date: 04 Mar 2002
---------------------------------------------------------------



Впервые на русском языке книга о QNX.
Роб Кертен "Введение в QNX/Neutrino 2". Аннотация,
Заказ печатной версии(400 р.)


Системная архитектура QNX4




Книга Системная архитектура сопровождает операционную
систему QNX и предназначена как для разработчиков приложений, так и для
конечных пользователей.

В книге подробно рассматривается структура и функции
QNX. В ней описаны микроядро, системные менеджеры, а также уникальный
механизм связи между процессами, основанный на передаче сообщений.
Прежде чем использовать QNX, рекомендуется сначала прочитать эту книгу.

За информацией об установке и использовании QNX,
обратитесь к книге Руководство пользователя ОС QNX

Системная архитектура содержит следующие главы:





<!-- 1 -->



 

Концепция QNX



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.


fig: i/modules.gif



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.






Note: 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.




<!-- 1 -->





<!-- 2 -->


Микроядро



Эта глава охватывает следующие темы:




Введение


Микроядро QNX отвечает за выполнение следующих функций:

  • связь между процессами - Микроядро управляет маршрутизацией
    сообщений; оно также поддерживает две другие формы IPC -
    прокси и сигналы;

  • сетевой интерфейс низкого уровня - Микроядро осуществляет
    доставку всех сообщений, предназначенных для процессов на других узлах
    сети;

  • диспетчеризация процессов - входящий в состав Ядра
    планировщик решает, какому из запущенных процессов должно быть
    передано управление;

  • первичная обработка прерываний - все аппаратные прерывания и
    исключения сначала проходят через Микроядро, а затем передаются
    соответствующему драйверу или системному менеджеру.


fig: i/kernel.gif



Внутри микроядра QNX.


Связь между процессами


Микроядро QNX поддерживает три важнейшие формы связи между
процессами: сообщения, прокси и сигналы.

  • Сообщения - это основополагающая форма IPC в QNX.
    Они обеспечивают синхронную связь между взаимодействующими процессами,
    когда процессу, посылающему сообщение, требуется получить
    подтверждение того, что оно получено и, возможно, ответ.

  • Прокси - это особый вид сообщения. Они больше всего
    подходят для извещения о наступлении какого-либо события, когда процессу,
    посылающему сообщение, не требуется вступать в диалог с получателем.

  • Сигналы - это традиционная форма IPC. Они
    используются для асинхронной связи между процессами.



IPC посредством сообщений


Сообщения в QNX - это пакеты байт, которые синхронно
передаются от одного процесса к другому. QNX при этом не анализирует
содержание сообщения. Передаваемые данные понятны только отправителю и
получателю и никому более.


Примитивы передачи сообщений

Для непосредственной связи друг с другом взаимодействующие
процессы используют следующие функции языка программирования Си:


Функция языка Си:
Назначение:
Send()посылка сообщений
Receive()получение сообщений
Reply()ответ процессу, пославшему сообщение

Эти функции могут быть использованы как локально, т.е. для связи
между процессами на одном компьютере, так и в пределах сети, т.е. для
связи между процессами на разных узлах.

Следует заметить, однако, что далеко не всегда возникает
необходимость использовать функции Send(), Receive() и
Reply() в явном виде. Библиотека функций языка Си в QNX построена
на основе использования сообщений - в результате, когда процесс использует
стандартные механизмы передачи данных (такие, как, например, программный
канал - pipe), он косвенным образом использует передачу сообщений.


fig: i/messpass.gif



Процесс A посылает сообщение процессу B, который получает его,
обрабатывает и посылает ответ


На рисунке изображена последовательность событий, имеющих место,
когда два процесса, процесс A и процесс B, используют функции
Send(), Receive() и Reply() для связи друг с другом:



  1. Процесс A посылает сообщение процессу B, вызвав функцию Send(),
    которая передает соответствующий запрос ядру. В этот момент времени
    процесс A переходит в SEND-блокированное состояние и остается в этом
    состоянии до тех пор, пока процесс B не вызовет функцию Receive()
    для получения сообщения.

  2. Процесс B вызывает Receive() и получает сообщение от
    процесса A. При этом состояние процесса A изменяется на REPLY-блокирован.
    Процесс B при вызове функции Receive() в данном случае не блокируется,
    т.к. к этому моменту его уже ожидало сообщение от процесса A.

    Заметьте, что если бы процесс B вызвал Receive() до того, как
    ему было послано сообщение, то он бы попал в состояние RECEIVE-блокирован до
    получения сообщения. В этом случае процесс-отправитель сообщения
    немедленно после посылки сообщения попал бы в состояние
    REPLY-блокирован.

  3. Процесс B выполняет обработку полученного от процесса A
    сообщения и затем вызывает функцию Reply(). Ответное сообщение
    передается процессу A, который переходит в состояние готовности к
    выполнению. Вызов Reply() не блокирует процесс B, который также готов
    к выполнению. Какой из этих процессов будет выполняться, зависит от их
    приоритетов.



Синхронизация процессов

Передача сообщений не только позволяет процессам обмениваться
данными, но и предоставляет механизм синхронизации выполнения
нескольких взаимодействующих процессов.

Давайте снова рассмотрим приведенный выше рисунок. После того как
процесс A вызвал функцию Send(), он не может продолжать выполнение
до тех пор, пока не получит ответ на посланное сообщение. Это
гарантирует, что выполняемая процессом B по запросу процесса A
обработка данных будет завершена прежде, чем процесс A продолжит
выполнение. Более того, после вызова процессом B запроса на получение
данных Receive(), он не может продолжать выполнение до тех пор,
пока не получит следующее сообщение.






Note: Более подробно диспетчеризация процессов в QNX рассматривается в
разделе "Диспетчеризация процессов"
далее в этой главе.



Блокированные состояния

Когда процессу не разрешается продолжать выполнение, т.к. он
должен ожидать окончания определенной стадии протокола передачи
сообщения, - процесс называется блокированным.

Возможные блокированные состояния процессов приведены в следующей
таблице:


Если процесс выдал:
То процесс:
Запрос Send(), и отправленное им сообщение еще не получено процессом-получателем
SEND-блокирован
Запрос Send(), и отправленное им сообщение получено процессом-получателем, но ответ еще не выдан
REPLY-блокирован
Запрос Receive(), но еще не получил сообщение
RECEIVE-блокирован


fig: i/states.gif



Изменение состояния процессов в типичном случае передачи сообщения.







Note: Для получения информации обо всех возможных состояниях процесса смотри
главу "Менеджер процессов".



Использование Send(), Receive() и Reply()

Давайте теперь более подробно рассмотрим вызовы функций Send(),
Receive() и Reply(). Воспользуемся рассмотренным выше
примером передачи сообщения от процесса A к процессу B.


Функция Send()


Предположим, что процесс А выдает запрос на передачу сообщения
процессу В. Это выполняется посредством вызова функции
Send():




Send( pid, smsg, rmsg, smsg_len, rmsg_len );


При вызове функции Send() используются следующие аргументы:


pid

идентификатор процесса (process ID), которому
предназначается сообщение (т.е. процесса B); этот идентификатор
используется для обращения к процессу со стороны операционной
системы и других процессов;
smsg

буфер сообщения (т.е. сообщение, подлежащее посылке)
rmsg

буфер ответа (будет содержать ответ от процесса B)
smsg_len

длина посылаемого сообщения в байтах
rmsg_len

максимальная длина ответа, который может принять процесс A, в байтах

Обратите внимание, что будет передано не более smsg_len байт и
не более чем rmsg_len байт будет получено в качестве ответа - это
гарантирует, что не произойдет случайного переполнения буферов.


Функция Receive()


Вызвав запрос Receive(), процесс B может получить сообщение,
направленное ему процессом A:




pid = Receive( 0, msg, msg_len )


Вызов функции Receive() содержит следующие аргументы:


pid

идентификатор процесса, который послал сообщение (т.е. процесс A)
0

(ноль) означает, что процесс B желает принять сообщение от любого
процесса
msg

буфер, куда будет помещено принимаемое сообщение
msg_len

максимальный размер данных, которые будут помещены в буфер приема, в байтах

Если значения аргументов smsg_len в вызове функции Send()
и msg_len в вызове функции Receive() отличаются, друг от
друга, то наименьшее из них определяет размер данных, которые будут
переданы.


Функция Reply()


После успешного получения сообщения от процесса A, процесс B
должен ответить процессу A, вызвав функцию Reply():




Reply( pid, reply, reply_len );


Вызов функции Reply() содержит следующие аргументы:


pid

идентификатор процесса, которому предназначается ответ (т.е. процесс A)
reply

буфер, содержащий ответ
reply_len

длина данных, передаваемых в качестве ответа, в байтах

Если значения аргументов reply_len при вызове
функции Reply() и rmsg_len при вызове
функции Send() отличаются друг от друга, то
наименьшее из них определяет размер передаваемых данных.


Reply-управляемый обмен сообщениями

Пример обмена сообщениями, который мы только что рассмотрели,
иллюстрирует наиболее распространенный случай использования сообщений
- случай, когда для процесса, выполняющего функции сервера, нормальным
является состояние RECEIVE-блокирован в ожидании каких-либо запросов
клиента. Это называется send-управляемый обмен сообщениями:
процесс-клиент инициирует действие, посылая сообщения, ответ сервера на
сообщение завершает действие.

Существует и другая модель обмена сообщениями, не столь
распространенная, как рассмотренная выше, хотя в некоторых ситуациях
она даже более предпочтительна: reply-управляемый обмен
сообщениями, при котором действие инициируется вызовом функции
Reply(). В этом случае процесс-"работник" посылает серверу
сообщение, говорящее о том, что он готов к работе. Сервер не отвечает
сразу, а "запоминает", что работник готов выполнить его задание.
В последствии сервер может инициировать действие, ответив ожидающему
задание работнику. Процесс-работник выполнит задание и завершит
действие, послав серверу сообщение, содержащее результаты своей работы.


Дополнительные сведения

При разработке программ, использующих передачу сообщений,
необходимо иметь в виду следующее:

  • сообщение сохраняется в теле посылающего процесса до тех пор,
    пока принимающий процесс не будет готов получить его. Сообщение не
    копируется в Микроядро. Это безопасно, т.к. посылающий процесс
    SEND-блокирован и не может неумышленно изменить содержимое сообщения

  • при вызове функции Reply() данные копируются
    из отвечающего процесса в REPLY-блокированный процесс как одна неразрывная
    операция. Вызов функции Reply() не блокирует
    процесс - REPLY-блокированный процесс перестает быть блокированным после
    того, как в него скопированы данные;

  • при посылке сообщения процессу не требуется знать состояние
    того процесса, которому это сообщение адресовано. Если получатель не
    готов к приему сообщения в момент его отправки, то посылающий сообщение
    процесс просто становится SEND-блокирован;

  • если это необходимо, то процесс может посылать сообщение
    нулевой длины, ответ нулевой длины, либо и то и другое;

  • с точки зрения разработчика, использование Send() для
    передачи процессу-серверу запроса на получение какой-либо услуги
    равнозначно вызову библиотечной подпрограммы, предоставляющей ту же