Ia-spox

OS-9

QNX

Обзор систем реального времени

На сегодняшний день существует большое количество коммерческих ОСРВ. Есть ряд бесплатных (или условно бесплатных) СРВ и систем, имеющих статус исследовательских или университетских проектов. В России хорошо представлены только несколько коммерческих систем (QNX, OS-9, VxWorks). QNX на сегодня является самой распространенной ОСРВ в России. Многие популярные в Европе и США ОСРВ до сих пор практически не представлены на российском рынке. Дадим краткое описание некоторых систем реального времени.

Операционная система QNX является разработкой канадской компании QNX Software System Ltd. Впервые система появилась на рынке в 1981 году. Среди пользователей QNX значатся такие компании, как Du Pont, Eastman Kodak, General Mills, General Motors, Motorola, Texaco.

Операционная система QNX представляет собой гибрид 16/32-битовой операционной системы, которую пользователь может конфигурировать по своему усмотрению. Время, необходимое для полной инсталляции системы, включая сетевые средства, составляет всего 10 – 15 минут, 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 в 10 Мбайт.

Система построена по технологии FLEET [Fault-tolerance (отказоустойчивая), Load-balancing (регулирующая нагрузку), Efficient (эффективная), Extensible (расширяемая), Transparent (прозрачная)]. Эта технология выражается в следующих принципах. QNX является ОСРВ на основе микроядра (размером около 10 Кбайт). В качестве основного средства взаимодействия между процессами система использует передачу сообщений. Благодаря этому в
32-битовой среде возможно взаимодействие процессов с 32 и 16-битовым кодом. 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 никакой необходимости вникать в сетевой протокол, который не является тайной, вплоть до его структуры. Он содержит пакеты, которые применяются также и для передачи сообщений. Сетевой администратор распознает эти пакеты и переправляет их микроядру, которое переправляет их в шину локальных сообщений. QNX способна распознавать не только пакеты сообщений QNX-процессов. Пользователь может легко обращаться к сетевому администратору для передачи таких пакетных протоколов, как TCP/IP и других. Возможно обращение к различным сетевым администраторам через один кабель. Операционная система QNX объединяет всю сеть персональных компьютеров 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. Причем 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. Файловая система QNX полностью соответствует стандарту POSIX. Эти отличия, в основном, сказываются на ее живучести, то есть на целостности данных, хранимых на диске, и на производительности. QNX обеспечивает работу с различными типами файловых систем: POSIX, Embedded (FLASH, ROM, SROM), CD-ROM (с поддержкой стандарта ISO 9660 и его расширения Rock Ridge), DOS (доступ ко всем носителям информации в формате DOS), NFS (доступ к различным типам удаленных файловых систем), SMB (прозрачный доступ к Windows 2000 или NT-серверам).

В настоящее время QNX имеет, повидимому, наибольшее число различных графических интерфейсов среди других ОС. Здесь можно создавать графические приложения с помощью библиотечных функций, поставляемых вместе с компилятором Watcom C. Графический интерфейс для ограниченной в ресурсах встраиваемой системы – Photon, компактный (256Кб) оконный пакет, поддерживающий стандарт Motif. Photon – это новая оконная графическая система, которая по своему подходу к реализации графического интерфейса коренным образом отличается от всех существовавших ранее систем. Для широкого спектра графических интерфейсов используется X Window System.

Кроме того, для QNX разработано множество баз данных (db_Vista, Watcom SQL, Faircom C-tree, OnCmd и др.), которые по производительности часто превосходят аналоги под управлением других операционных систем. В российской промышленности QNX можно встретить чаще, чем любую другую ОСРВ.

Одним из недостатков QNX является практически полное отсутствие версий для платформ, отличных от Intel.

OS-9 – одна из наиболее традиционных операционных систем реального времени c 1970-х годов. Первая версия системы была написана фирмой Microware Systems Corp. еще для процессора Motorola 6809. В дальнейшем основные идеи, заложенные в систему, стали опорными точками при создании многих известных сейчас систем этого класса и послужили исходным материалом при создании стандарта POSIX 1003.

OS-9 является многозадачной и многопользовательской, модульной и переносимой операционной системой для компактных встраиваемых приложений реального времени.

Продукты OS-9 фирмы Microware включают в себя высокотехнологичное системное программное обеспечение РВ и инструментальные средства разработки для интеллектуальных устройств, ориентированных на следующие рынки:

1. Промышленные встраиваемые системы.

2. Системы телекоммуникации.

3. Рынок потребительской электроники.

Программные средства OS-9 поставляются пользователям в виде:

1. Комплексных лицензируемых пакетов для OEM.

2. Пакетов поддержки аппаратных вычислительных плат, устройств и систем.

3. Системного програмного обеспечения реального времени.

OS-9 относится к классу UNIX-подобных операционных систем реального времени и предлагает к использованию многие привычные элементы среды UNIX. Модульность системы означает, что она может быть масштабирована для удовлетворения нужд как маленьких встроенных систем, так и больших сетевых приложений. Все функциональные компоненты OS-9, включая ядро, иерархические файловые менеджеры, систему ввода/вывода и средства разработки, реализованы в виде независимых модулей. Комбинируя эти модули, разработчик может создавать системы с разной конфигурацией – от миниатюрных автономных ПЗУ-ориентированных ядер до полномасштабных многопользовательских систем разработки. Как правило, разработка программ ведется в полнофункциональных конфигурациях. После того как будет отлажен код программы реального времени, отсоединяются модули разработки и ввода-вывода, и полученный код готов к исполнению под управлением ядра в целевой системе.

Все модули OS-9 могут быть размещены в ПЗУ. Кроме того, они все позиционно независимые. В результате любые системные и прикладные модули могут добавляться или удаляться из системы в процессе ее функционирования без какой-либо повторной компиляции или компоновки. OS-9 обеспечивает выполнение всех основных функций операционных систем реального времени типа управления задачами, памятью, межзадачного обмена информацией и синхронизации задач.

Компания Microware стала в 1994 году первым производителем программного обеспечения реального времени, который был сертифицирован по ISO9001.

OS-9 имеет самый широкий набор файловых менеджеров по сравнению с другими ОСРВ. Базовые файловые менеджеры OS-9 предназначены для организации обмена информацией между процессами и обеспечивают приложениям OS-9 доступ к различным последовательным устройствам типа принтеров и терминалов, а также к устройствам внешней памяти, таким как диски (жесткие, гибкие, электронные и оптические) и ленты. Сетевые файловые менеджеры обеспечивают доступ к самым разным сетевым устройствам по протоколу TCP/IP. Файловые менеджеры также поддерживают различные высокоуровневые сетевые протоколы и протоколы передачи файлов.

Модульная структура OS-9 позволяет разработчику выбирать именно те функциональные блоки, которые требуются данному приложению. Любая из опций легко может быть добавлена в систему для обеспечения соответствия изменившимся требованиям к системе. Для поддержки таких сложных приложений, как телекоммуникации, мультимедиа и системы выдачи видеоданных по запросу, фирма Microware разработала ряд дополнительных файловых менеджеров.

Файловый менеджер управления стеком протоколов поддерживает несколько типов коммуникационных протоколов типа X.25 и LAP-B. Он обеспечивает независимую от сети архитектуру для динамической сборки и разработки (stacking and unstacking) модулей протокола и драйверов устройств. В автономной встроенной системе такие приложения и стеки протокола могут быть как резидентными в устройстве, так и загружаться в устройство через сеть.

Пользовательский интерфейс мультимедиа-приложения MAUI содержит расширенный набор протоколов API для соответствия требованиям высокопроизводительных мультимедиа-протоколов либо протоколов пользователя. С данным интерфейсом могут общаться являющиеся промышленным стандартом пакеты Apple QuickDraw и QuickTime, Macromedia Director, Oracle Media Objects и Sybase Gain.

Файловый менеджер для приложений мультимедиа MPFM, соответствующий спецификациям MPEG, рассчитан на использование в различных приложениях мультимедиа, включающих интерактивное телевидение, образование, обучение и выдачу видеоинформации по запросу.

Основные характеристики OS-9:

– многозадачная (65535 процессов, 65535 уровней приоритета);

– многопользовательская (256 пользователей);

– переносимость приложений (ANSI C/C++, POSIX 1003.1, TCP/IP(NFS,RPC), X Windows X11.R6(OSF Motif)), JAVA;

– 100% размещение в ПЗУ системы и приложений пользователя;

– объектно-ориентированный модульный дизайн;

– полностью вытесняемое детерминированное ядро с минимальным временем реакции на прерывание;

– многоуровневая, основанная на приоритетах обработка прерываний;

– развитые сетевые средства (Arcnet, Ethernet, OMNInet, X.25, ISDN T1/E1, ATM NFM, TCP/IP, IPX Profibus, CAN, MIL STD 1553…);

– графические оконные интерфейсы – GUI;

– резидентные и кросс-средства разработки, прогрессивная технология высоко оптимизирующего ANSI C/C++ компилятора;

– поддержка HOST-систем (IBM PC(MS Windows 3.xx, 95, 98, 2000, NT), IBM RS6000/AIX, Sun4/SunOS/Solaris, HP9000 S/700, SGI IRIS/IRIX);

– широкая поддержка сторонних разработчиков программного обеспечения;

– широкая поддержка разработчиков аппаратных средств промышленной автоматизации;

– программные продукты для мобильной беспроводной коммуникации, устройств с минимальным потреблением энергии, мультимедиа);

– специальные программные средства и лицензионная политика для OEM;

– более 5 млн. установленных копий;

– более 800 OEM-партнеров.

VxWorks/Tornado [11]

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 детерминированность ядра, а также легко строить 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. Этот комплект конфигурационных и инициализационных модулей называется Board Support Package (BSP) 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.

Базовые сетевые средства VxWorks: UNIX-networking, SNMP и STREAMS.

VxWorks была первой операционной системой реального времени, в которой реализован протокол TCP/IP с учетом требований реального времени. С тех пор VxWorks поддерживает все сетевые средства, стандартные для UNIX: TCP/UDP/ICMP/IP/ARP, Sockets, SLIP/CSLIP/PPP, telnet/rlogin/rpc/rsh, ftp/tftp/bootp, NFS (клиент и сервер).

Реализация SNMP-агента с поддержкой как MIB-I, так и MIB-II предназначена для применения VxWorks в интеллектуальном сетевом оборудовании (хабы, мосты, маршрутизаторы, повторители) и других устройствах, работающих в сети.

STREAMS – стандартный интерфейс для подключения переносимых сетевых протоколов к операционным системам, реализован в VxWorks как в версии SVR3, так и SVR4. Таким образом, в VxWorks можно инсталлировать любой протокол, имеющий STREAMS-реализацию, как стандартный (Novell IPX/SPX, DECNET, Apple-Talk и пр.), так и специализированный. Wind River Systems анонсировала (1994) программу WindNet, по которой ведущие фирмы-производители программных средств в области коммуникаций интегрировали свои программные продукты с VxWorks.

На сегодняшний день это сетевые протоколы Х.25, ISDN, ATM, SS7, Frame Relay и OSI; CASE-средства разработки распределенных систем на базе стандартов ROOM (Real-Time Object Oriented Modelling) и CORBA (Common Object Request Broker Architecture); менеджмент сетей по технологиям MBD (Management By Delegation) и CMIP/GDMO (Common Management Information Protocol/Guidelines for Definition of Managed Objects).

Мониторинг и отладка в реальном масштабе времени: WindView. Обычные отладчики, позволяющие исследовать состояние программ и данных в точках останова, являются статическими средствами отладки. Возможности исследования динамики исполнения программ и изменения данных предоставляют специальные средства отладки в реальном масштабе времени, которые трассируют интересующие пользователя события и накапливают их в буфере для последующего анализа.

Трассировку системных событий (переключения задач, запись в очередь сообщений, установка семафора и т. д.) позволяет вести динамический анализатор WindView, который отображает накопленные в буфере события на временной диаграмме аналогично экрану логического анализатора.

Дисплей WindView предоставляет управляемый доступ к разнообразной информации о динамике событий в системе реального времени: переключение контекста, захват и освобождение семафоров, посылка и прием сообщений из очереди, а также истечение заданного интервала времени. События могут быть помечены либо временными метками микросекундного диапазона, либо последовательными номерами.

В последнее время высокопроизводительные микропроцессоры, а с ними и операционные системы реального времени все чаще используются в так называемых «глубоко встроенных» (deeply embedded) применениях (автомобильная электроника, офисная и бытовая техника, измерительные и медицинские приборы и др.). К таким компьютерным системам предъявляются два основных требования: малые габариты и низкая стоимость, поэтому глубоко встроенные микропроцессорные системы ставят две проблемы на пути применения серийных ОСРВ: небольшие объемы используемой памяти и отсутствие «лишних» интерфейсов, по которым можно было бы связать целевую и инструментальную машины на этапе разработки встроенного ПО.

Специально для систем с сильно ограниченным объемом памяти компания Wind River Systems разработала редуцированное ядро WindStream, которое требует для работы не более
8 Кб ПЗУ и 2 Кб ОЗУ. При этом для WindStream применим весь спектр инструментальных средств VxWorks, включая WindView.

В качестве интерфейса между инструментальной и встроенной целевой машинами можно использовать внутрисхемные эмуляторы ICE (In-Circuit Emulators), например, НР64700, которые включаются в гнездо микропроцессора целевой системы, не имеющей Ethernet или RS232 для связи с инструментальной машиной.

Экономичной альтернативой внутрисхемным эмуляторам являются так называемые ROM-эмуляторы, включаемые в гнездо ПЗУ микропроцессора целевой системы, например, NetROM фирмы XLNT Designs. К Ethernet-разъему эмулятора NetROM подключается инструментальная машина, стандартный Ethernet-драйвер VxWorks заменяется драйвером NetROM, и так на целевой машине появляется виртуальный Ethernet.

Инструментальная среда Tornado имеет открытую архитектуру, что позволяет другим фирмам-производителям инструментальных средств разработки ПО реального времени интегрировать свои программные продукты с Tornado. Пользователь может подключать к Tornado свои собственные специализированные средства разработки, а также расширять возможности инструментальных средств фирмы Wind River Systems.

В стандартную конфигурацию Tornado входят ядро VxWorks и системные библиотеки, GNU C/C++ Toolkit, дистанционный отладчик уровня исходного языка CrossWind, оболочка WindSh, конфигуратор BSP WindConfig и др.

Существует множество интегрированных с Tornado программных продуктов производства других фирм.

Это многозадачное ядро реального времени, разработанное компанией Spectron Microsystems, было, по-видимому, первой успешной попыткой соединения таких понятий, как Windows и жесткое реальное время. IA-SPOX спроектировано в виде набора виртуальных драйверов (VxD), которые работают совместно с ядром Windows 2000 на нулевом уровне привилегий процессора (Ring 0). Пользовательские программы, работающие на третьем уровне (Ring 3), могут вызывать функции и процессы реального времени, а также обмениваться данными с ними. Именно на IA-SPOX базировалась объявленная в 1994 году инициатива Intel по реализации мультимедиа-функций программным путем без использования специальных процессоров обработки сигнала. IA-SPOX показало свою эффективность в программной реализации синтеза звука, высокоскоростной модемной связи и решения других задач, требующих быстрой и детерминированной реакции системы.

Дата добавления: 2014-12-29