Программное обеспечение ядра системы управления

Специфика объектно-ориентированного программирования. Абстрактная модель системы управления, данные, команды, процессы, языковый процессор.

Абстрактными называются виртуальные и динамические методы, которые определены в классе, но не содержат никаких действий, никогда не вызываются и обязательно должны быть переопределены в потомках класса. Абстрактными могут быть только виртуальные и динамические методы, В Object Pascal для объявления метода абстрактным при его описании используется директива abstract после директивы virtual или dynamic:

TOb = class

Procedure X; virtual; abstract;

end;

При этом никакого кода для этого метода писать не нужно. Вызов абстрактного метода приведет к ошибке периода выполнения. Вызывать можно только перекрывающие его методы классов-потомков.

При разработке программы, содержащей достаточно сложную иерархию классов достаточно часто классы, стоящие на верхнем уровне иерархии не используются сами по себе. Их основное предназначение - быть родоначальником иерархии классов, давая тем самым возможность абстрагирования. В этих классах-предках реализованы все общие методы - те, которые не перекрываются в потомках, а перекрываемые методы не реализуются и объявляются абстрактными.

Операционные системы и системы управления. Классификация систем реального времени, Windows NT & RTX, VxWorks, многопоточность.

Ядро ОСРВ обеспечивает функционирование промежуточного абстрактного уровня ОС, который скрывает от прикладного ПО специфику технического устройства процессора (нескольких процессоров) и связанного с ним аппаратного обеспечения.

На сегодняшний день существует более 100 коммерческих ОСРВ. Есть множество бесплатных (или условно бесплатных) СРВ и систем, имеющих статус исследовательских или университетских проектов. Сначала рассмотрим краткое описание некоторых систем реального времени, а затем более подробно остановимся на СРВ Win NT RTX, как наиболее перспективной системе.

Операционная система QNX является разработкой канадской компании QNX Software System Ltd (1981).

Операционная система QNX представляет собой гибрид 16/32-битовой операционной системы, которую пользователь может конфигурировать по своему усмотрению. Наиболее часто она применяется для создания систем, работающих в реальном масштабе времени. Время, необходимое для полной инсталляции системы, включая сетевые средства, составляет всего 10-15 мин, после чего можно начинать работу. Нетребовательность системы к ресурсам проявляется уже в том, что система с необходимой и достаточной средой разработки в виде компилятора Watcom C/C⁺⁺ (основной компилятор для QNX) умещается на 10 Мб.

QNX - первая коммерческая ОС, построенная 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. 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 (как и в Windows NT);

§ масштабируемость и эффективность, достигаемые оптимальным использованием ресурсов и означающие ее применимость для встроенных (embedded) систем. В каталоге dev присутствуют только необходимые для поставленных задач файлы, соответствующие нужным драйверам. Драйверы и менеджеры можно запускать и удалять (кроме файловой системы) динамически, просто из командной строки. Возможна также покупка только тех модулей, которые реально необходимы для обеспечения нужных функций;

§ расширяемость и надежность одновременно, поскольку написанный драйвер не нужно компилировать в ядро, рискуя вызвать нестабильность системы.

Система построена по технологии FLEET [Fault-tolerance (отказоустойчивая), Load-bаlаncing (регулирующая нагрузку), Еffiсiеnt (эффективная), Ехtеnsible (расширяемая), Тгаnsparent (прозрачная)], которая характеризуетмя следующим. QNX является ОСРВ на основе микроядра (размером около 10 Кб). В качестве основного средства взаимодействия между процессами система использует передачу сообщений. Благодаря этому в 32-битовой среде возможно взаимодействие процессов с 32 и 16-битовыми кодами, причем сообщения передаются между любыми процессами, независимо от того, находятся ли процессы на одном компьютере или на разных узлах сети.

Пользователь, работая на одном из узлов сети, может иметь доступ к любым ресурсам остальных узлов, включая порты, файловую систему и задачи. Пользователю нет необходимости вникать в сетевой протокол, который, кстати, не является тайной, вплоть до его структуры. Он содержит пакеты, которые применяются и для передачи сообщений. Сетевой администратор распознает эти пакеты и переправляет микроядру, которое, в свою очередь, переправляет их в шину локальных сообщений. QNX распознает не только пакеты сообщений QNX-процессов. Можно также легко обращаться к сетевому администратору для передачи таких пакетных протоколов, как TCP/IP, 8MB и др. Возможно обращение к различным сетевым администраторам через один кабель.

Операционная система QNX объединяет всю сеть ПК в единый набор ресурсов с абсолютной прозрачностью доступа к ним. Узлы могут добавляться и исключаться из сети, не влияя на целостность системы. Сетевая обработка данных в QNX является настолько гибкой, что можно объединить в одну сеть любой разнородный набор Intel совместимых компьютеров, соединенных через Arcnet, Ethernet, Token Ring или через последовательный порт, к которому также может быть подключен модем. Кроме того, возможно участие компьютера одновременно в нескольких сетях, и если одна из них окажется перегруженной или выйдет из строя, то QNX автоматически будет использовать другие доступные сети без потери информации.

QNX имеет некоторые ограничения, связанные с ориентацией системы на рынок встроенных систем реального времени:

§ нет поддержки SMP;

§ отсутствует запись виртуальной памяти на диск;

§ неэффективная и нестандартная поддержка нитей;

§ неполноценная реализация отображения файлов в памяти;

§ нет поддержки UNIX-domain sockets;

§ слабые средства безопасности в рамках собственного сетевого протокола.

Несмотря на присущие минусы, для QNX разработано множество пользовательских программ, например, базы данных, которые по производительности часто превосходят аналоги под управлением других операционных систем.

В российской промышленности QNX встречается достаточно часто. Это объясняется наличием достаточного количества программного обеспечения под QNX (драйверы и т. д.) для различного оборудования, представленного на российском рынке.

Операционная система реального времени VxWorks и инструментальная среда Tornado фирмы Wind River Systems предназначены для разработки ПО встроенных компьютеров, работающих в системах жесткого реального времени. Операционная система VxWorks является системой с кросс-средствами разработки прикладного программного обеспечения. Разработка ведется на инструментальном компьютере (host) в среде Tornado для последующего исполнения на целевой машине (target) под управлением VxWorks.

VxWorks поддерживает целевые архитектуры (targets):

§ Motorola 680x0 и CPU32, PowerPC;

§ Intel 386/486/Pentium, Intel 960;

§ Spare, Mips R3000/4000;

§ AMD 29K, Motorola 88110;

§ HP PA-RISC;

§ Hitachi SH7600;

§ DEC Alpha.

§ Инструментальные платформы, поддерживаемые для Tornado (hosts):

§ Sun SPARCstation (SunOS и Solaris);

§ HP 9000/400,700 (HP-UX);

§ IBM RS6000 (AIX);

§ Silicon Graphics (IRIX);

§ DEC Alpha (OSF/1);

§ PC (Windows).

§ Поддерживаемые интерфейсы host-target:

§ host-target Ethernet;

§ RS232;

§ внутрисхемный эмулятор ICE (In-Circuit Emulator);

§ кросс-шина (backplane).

Операционная система VxWorks построена, как и положено ОС жесткого реального времени, по технологии микроядра, т. е. на нижнем непрерываемом уровне ядра выполняются только базовые функции планирования задач и их управления коммуникацией/синхронизацией. Все остальные функции операционной системы более высокого уровня (управление памятью, вводом/выводом, сетевые средства и т. д.) базируются на простых функциях нижнего уровня, что позволяет обеспечить быстродействие и предсказуемость ядра, а также легко построить необходимую конфигурацию операционной системы.

В многозадачном ядре wind применен алгоритм планирования задач, учитывающий приоритеты и включающийся по прерываниям. В качестве основного средства синхронизации задач и взаимоисключающего доступа к общим ресурсам в ядре wind применены семафоры. Имеется несколько видов семафоров, ориентированных на различные прикладные задачи: двоичные, целочисленные, взаимного исключения и POSIX.

Все аппаратно-зависимые части VxWorks вынесены в отдельные модули для того, чтобы разработчик встроенной системы мог сам портировать VxWorks на свою нестандартную целевую машину. Этот комплект конфигурационных и инициализационных модулей называется BSP (Board Support Package) и поставляется для стандартных компьютеров (VME-процессор, PC или Sparcstation) в исходных текстах. Разработчик нестандартной машины может взять за образец BSP наиболее близкий по архитектуре стандартный компьютер и перенести VxWorks на свою машину путем разработки собственного BSP с помощью BSP Porting Kit.

Дата добавления: 2014-01-20