1

1

SYSTEM QNX 6 Neutrino

1.1

Wiadomości ogólne o systemach operacyjnych

Funkcje systemu operacyjnego:

•

Zarz

ądzanie zasobami systemu

o zarządzanie procesami,
o obsługa urządzeń,
o obsługa pamięci wirtualnej
o obsługa komunikacji

•

Zapewnienie abstrakcyjnego dost

ępu do usług systemu

•

Zapewnienie bezpiecze

ństwa

PA1

PA2

PAn

Procesy
aplikacyjne

Sprzęt

System operacyjny

Wywołania
systemowe

Rysunek 1-1 Rola systemu operacyjnego

Podstawowe struktury systemów operacyjnych:

•

system monolityczny

•

system z mikroj

ądrem.

W systemie monolitycznym podstawowe funkcje systemu umieszczone
s

ą w pojedynczym module programowym zwanym jądrem.

PDF created with pdfFactory trial version

www.pdffactory.com

2

PA1

PA2

PAn

Procesy aplikacyjne

szeregowanie

w

ątków

komunikacja

mi

ędzyprocesowe

timery

obs

ługa przerwań

synchroni-

zacja

Obsluga plików, sieci, urz

ądzeń

wej

ścia wyjścia

przerwania

J

ądro

W ywo

łania

systemowe

Rysunek 1-2 J

ądro monolityczne

Fragmenty kodu j

ądra wykonywane są:

•

pod wp

ływem przerwań

•

uruchamiania wywo

łań systemowych.

Cechy systemu z j

ądrem monolitycznym:

•

J

ądro nie podlega szeregowaniu

•

Awaria w jego obr

ębie skutkuje awarią całego systemu.

•

Wysoka szybko

ść działania

Systemy monolityczne: Linux, RTLinux.

PDF created with pdfFactory trial version

www.pdffactory.com

3

1.2

System QNX6 Neutrino

Wielozadaniowy, sieciowy system operacyjny czasu rzeczywistego

Podstawowe w

łasności:

1. Architektura

mikroj

ądra.

System

jest

zbiorem

procesów

wymieniaj

ących komunikaty w środowisku lokalnym i rozproszonym.

2. System od podstaw zaprojektowany zosta

ł jako wieloplatformowy:

Intel x86, MIPS, PowerPC, SH-4, ARM, StrongARM i xScale.

3. System spe

łnia wymagania stawiane systemom czasu rzeczywistego,

posiada

wyw

łaszczającą strategię szeregowania i rozwinięty

mechanizm priorytetów.

4. Zapewnia wysok

ą zgodność ze standardami POSIX 1003.1. Zawiera

wi

ększość zawartych tam mechanizmów czasu rzeczywistego tym

w

ątki.

5. Zapewnia wsparcie dla maszyn wieloprocesorowych SMP.
6. Zawiera wiele mechanizmów tolerowania awarii, w tym pakiet

wspierania wysokiej dost

ępności HAM (ang. High Availability

Manager).

7. Mo

żliwe jest zastosowanie wielu systemów plików: RAM, Flash, QNX,

Linux, DOS, CD-ROM, NFS.

8. Zapewnia wparcie dla wielu protoko

łów komunikacyjnych, w tym IPv4,

IPv6.

POSIX - Standard na interfejs pomi

ędzy systemem operacyjnym a

aplikacj

ą. Określa:

•

Niezb

ędny zestaw wywołań systemowych

•

Posta

ć funkcji systemowych (język C)

Wady systemu:

1. Wysoka cena
2. Utrata zgodno

ści z istniejącym oprogramowaniem dla systemu QNX4

3. Wsparcie tylko dla ograniczonej liczby urz

ądzeń peryferyjnych

4. Ma

ła ilość oprogramowania użytkowego

PDF created with pdfFactory trial version

www.pdffactory.com

4

Cecha systemu

QNX

VxWorks Windows

CE

Łatwość instalacji i konfiguracji

7

4

5

Architektura systemu

9

7

7

Kompletno

ść API

7

8

7

Jako

ść dokumentacji

5

4

5

Dostosowanie do Internetu

8

9

9

Narz

ędzia tworzenia

oprogramowania

7

8

8

W

łasności czasowe

9

5

7

Tabela 1-1. Porównanie systemów ONX6.1 Neutrino, VxWork A1.1 i Windows CE
.NET (skala 1-10)

PDF created with pdfFactory trial version

www.pdffactory.com

5

1.3

Budowa systemu

Budowa systemu:

- Mikrojądro

- microkernel

- Procesy systemowe

- system processes

- Procesy aplikacyjne

- application processes

IPC - komunikacja mi

ędzyprocesowa

Mikro-

j

ądro

PA1

PA2

PAn

...

Procesy

aplikacyjne

Administrator

plików

Administrator

dysku

Administrator

sieci

...

Procesy

systemowe

Rysunek 1-3 Struktura systemu QNX6 Neutrino

Funkcje mikroj

ądra:

1. Implementacja

podstawowych

mechanizmów

komunikacji

mi

ędzyprocesowej: komunikatów, impulsów, zdarzeń, sygnałów.

2. Implementacja funkcji synchronizacji w

ątków takich jak muteksy,

semafory, zmienne warunkowe, bariery, blokady, operacje atomowe.

3. Szeregowanie – procesy i w

ątki szeregowane są przez mikrojądro

zgodnie z dost

ępnymi algorytmami szeregowania: FIFO, karuzelowy,

sporadyczny.

4. Implementacja czasomierzy (

ang. Timers).

5. Obs

ługa przerwań.

PDF created with pdfFactory trial version

www.pdffactory.com

6

PA1

PA2

PAn

Procesy aplikacyjne

Administrator

plików

szeregowanie

w

ątków

IPC

timery

transformacja przerwa

ń

synchroni-

zacja

MIKROJ

ĄDRO

przerwania

Administrator

sieci

Administrator

procesów

procnto

Administratory
systemowe

Rysunek 1-4 Struktura mikroj

ądra

Zalety systemu z mikroj

ądrem:

1.

Niezale

żne szeregowanie procesów systemowych - obsługa

urz

ądzeń wejścia / wyjścia - procesy, które podlegają zwykłemu

szeregowaniu. Mechanizm umo

żliwia osiągnięcie lepszych

charakterystyk czasowych systemu - wa

żne w systemach RTS.

2.

Modularno

ść - prowadzi do zwiększenia niezawodności.

3.

Wzajemna izolacja procesów - ka

żdy z procesów systemowych

wykonywany jest w oddzielnie chronionym segmencie przestrzeni
adresowej. Awaria jednego z procesów nie powoduje awarii innego
procesu.

4.

Mo

żliwość dynamicznego uruchamiania procesów systemowych -

procesy systemowe s

ą zwykłymi procesami.

PDF created with pdfFactory trial version

www.pdffactory.com

7

1.4

Komunikaty i komunikacja międzyprocesowa

Przes

łanie komunikatu (ang. message passing)

Przes

łanie komunikatu pomiędzy procesami jest przesłaniem pomiędzy

nimi pewnej liczby bajtów wed

ług ustalonego protokołu. Przesłanie

komunikatu jest operacj

ą atomową

.

serwer

komunikat

proces

aplikacyjny

klient

odpowied

ź

administrator

zasobu

Rysunek 1-5 Klient przesy

ła komunikat do serwera

Przes

łanie komunikatu składa się z trzech faz:

1. Wys

łania komunikatu od procesu klienta do serwera. Proces klienta

ulega zablokowaniu a komunikat odblokowuje proces serwera (o ile
by

ł zablokowany).

2. Serwer przetwarza komunikat i przesy

ła odpowiedź do klienta.

3. Proces klienta po otrzymaniu odpowiedzi ulega odblokowaniu.

klient

serwer

komunikat

Wys

łanie

komunikatu

Odbiór komunikatu

Odpowied

ź na

komunikat

blokada

odpowied

ź

blokada

Rysunek 1-6 Transakcja przes

łania komunikatu

PDF created with pdfFactory trial version

www.pdffactory.com

8

Mechanizmy komunikacji mi

ędzyprocesowej implementowane w

mikroj

ądrze:

1. Komunikaty i impulsy - (

ang. messages, pulses)

2. Sygna

ły - (ang. signals)

3. Zegary - (

ang. clocks)

4. Czasomierze - (

ang. timers)

5. Procedury obs

ługi przerwań - (ang. interrupt handlers)

6. Semafory - (

ang. semaphores)

7. Blokady wzajemnego wykluczania - muteksy (

ang. mutual exclusion

lock )

8. Zmienne warunkowe (

ang. conditional variables)

9. Bariery (

ang. barriers)

Mechanizmy IPC zewn

ętrzne względem mikrojądra

1.

Łącza nienazwane - (ang. pipes),

2.

Łącza nazwane - (ang. named pipes)

3. Wspólna pami

ęć - (ang. shared memory)

4. Kolejki komunikatów - (

ang. message queues)

PDF created with pdfFactory trial version

www.pdffactory.com

9

1.5

Administratory zasobu i procesy systemowe

Administratory zasobu zapewniaj

ą jednolity dostęp do różnego rodzaju

urz

ądzeń.

Urz

ądzenia rzeczywiste:

•

dyski,

•

porty szeregowe,

•

porty równoleg

łe

Urz

ądzenia wirtualne:

•

sieciowy system plików

•

okno

•

pseudo terminal

Administrator zasobu jest procesem serwerowym który akceptuje
komunikaty od innych procesów.

Administrator zasobu obs

ługuje zlecenia klientów odnoszące się do

abstrakcji pliku.

Plik jest abstrakcyjn

ą strukturą na której można przeprowadzać

operacje: otwarcie, odczyt, zapis, zamkni

ęcie, zmianę bieżącej pozycji,

ustawianie praw dost

ępu.

Ka

żde urządzenie w systemie QNX6 Neutrino widziane jest jako plik

specjalny.

Rodzaje plików:

•

pliki specjalne (urz

ądzenia, gniazdka, kolejki, semafory, segmenty

pami

ęci dzielonej)

•

pliki regularne

•

katalogi

PDF created with pdfFactory trial version

www.pdffactory.com

10

/dev/hd0

devb-eide Proces obsługi dysków stałych

typu IDE

/dev/fd0

devb-fdc Proces obsługi stacji dyskietek

/dev/par1

devc-par Proces obsługi portu

równoleg

łego

/dev/ser1

devc-
ser8250

Proces obs

ługi portu

szeregowego RS232

/dev/con

devc-con Proces obsługi konsoli

/

fs-
qnx4.so

Proces obs

ługi systemu plików

QNX4

Tabela 1-2

Ścieżki do urządzeń i obsługujące je administratory

devc- ser

8250

układ 8250

fd = open("/dev/ser1",...)

klient

4

administrator zasobu

procnto

read(fd,buf,1)

2

administrator

procesów

1

rejestracja

3

urządzenie

Rysunek 1-7 Wspó

łpraca procesu klienta z portem transmisji szeregowej.

Wspó

łpraca procesu klienta z portem transmisji szeregowej:

1. Przy starcie systemu proces devc-ser8250 rejestruje si

ę w

administratorze procesów procnto.

2. Proces klienta wysy

ła komunikat do lokalnego administratora

procesów procnto z zapytaniem w gestii jakiego procesu le

ży ścieżka

/dev/ser1.

3. Lokalny administrator procesów odpowie

że należy się kontaktować z

procesem devc-ser8250.

4. Proces klienta wysy

ła komunikaty do procesu devc-ser8250.

PDF created with pdfFactory trial version

www.pdffactory.com

11

proces klienta

wysłanie

komunikatu

odbiór

komunikatu

przetwarzanie

komunikatu

wysłanie

odpowiedzi

odbiór odpowiedzi

oczekiwanie

administrator

zasobu

rejestracja ścieżki

Rysunek 1-8 Wspó

łpraca pomiędzy procesem klienta a administratorem zasobu

procnto

Zarz

ądzanie pamięcią, wątkami i procesami

devb-eide

Proces obs

ługi dysków stałych typu IDE

devb-fdc

Proces obs

ługi stacji dyskietek

devc-par

Proces obs

ługi portu równoległego

devc-ser8250 Proces obsługi portu szeregowego RS232
devc-con

Proces obs

ługi konsoli

io-net

Ogólny administrator sieci

io-graphisc Proces obsługi karty graficznej
Photon

Proces interfejsu graficznego

Tabela 1-3 Wa

żniejsze procesy systemowe systemu QNX6 Neutrino

PDF created with pdfFactory trial version

www.pdffactory.com

12

1.6

System plików

W systemie QNX6 Neutrino zaimplementowano wiele ró

żnych systemów

plików. Ka

żdy z systemów plików obejmuje fragment przestrzeni nazw i

obs

ługuje drzewo katalogów i plików leżące poniżej punktu jego

montowania.

W

łasności:

1. Systemy plików mog

ą być startowane i zatrzymywane dynamicznie w

trakcie pracy systemu.

2. Równocze

śnie może współistnieć wiele systemów plików.

3. System plików wykonywany na jednym w

ęźle może być w

prze

źroczysty sposób dostępny z innego węzła.

Najwa

żniejsze systemy plików dostępne w QNX6 Neutrino:.

1. Bezpo

średni system plików - Stosowany jest w wielu sterownikach

wbudowanych.

2. System plików RAM - prosty system plików pozwalaj

ący na zapis i

odczyt plików umieszczonych w pami

ęci RAM w katalogu /dev/shmem.

3. System plików QNX4 - jest to podstawowy system plików.
Charakteryzuje si

ę wysoką odpornością na awarie, wydajnością i

architektur

ą wielowątkową, obsługiwany przez proces fs-qnx4.so.

4. System plików DOS - System plików jest obs

ługiwany przez proces

fs-dos.so.

5. System plików CD-ROM - Obs

ługuje format ISO9660 System

obs

ługiwany przez proces fs-cd.so.

6. System plików FFS3 - system plików przeznaczony jest dla pami

ęci

Flash typu NOR

Błąd! Nie można odnaleźć źródła odsyłacza.

(Compact Flash i Smart Media). System zawiera zabezpieczenia
chroni

ące przed utratą integralności w przypadku wyłączenia zasilania w

trakcie operacji zapisu. Stosowany jest w sterownikach wbudowanych.

7. Sieciowy system plików NFS - Stacja kliencka mo

że sięgać poprzez

sie

ć do plików położonych na zdalnym serwerze. System oparty jest na

technologii RPC (

ang. Remote Procedures Calls). Jako warstwę

transportowa stosuje protokó

ł TCP/IP. Procesem obsługującym NFS jest

fs-nfs2 lub fs-nfs3.

PDF created with pdfFactory trial version

www.pdffactory.com

13

8. Sieciowy system plików CIFS - CISF jest sieciowym systemem plików
wspieranym przez Microsoft (uprzednio SMB). Stacja kliencka mo

że

uzyska

ć dostęp poprzez sieć do systemów plików na serwerze Windows

lub Linux na którym uruchomiono serwer SMB. Jako warstw

ę

transportowa stosowany jest protokó

ł TCP/IP a system utrzymywany

jest przez proces

fs-cifs.

9. System plików Ext2 - system plików Ext2 jest u

żywany przez Linux’a.

Procesem obs

ługującym ten system plików jest fs-ext2.so.

PDF created with pdfFactory trial version

www.pdffactory.com

14

1.7

Onet – rodzima sieć komunikacyjna systemu QNX6
Neutrino

Unikalno

ść mikrojądra Neutrino polega na łatwości implementacji

środowisk rozproszonych (ang. distributed enviroments). Osiągnięto to
dzi

ęki paradygmatowi przekazywania komunikatów, który dla pracy

lokalnej i sieciowej pozostaje zasadniczo taki sam.

Fundamentem tego systemu – protokó

ł Qnet umożliwia jednolitą metodę

dost

ępu do zasobów, tak lokalnych jak i zdalnych.

Standardowe programy narz

ędziowe operujące na takich zasobach

systemu jak pliki dzia

łają tak samo dla zasobów lokalnych i zdalnych.

Zastosowanie sieci Qnet pozwala na osi

ągnięcie następujących korzyści:

1 Przeźroczysty dostęp do zdalnego systemu plików.
2 Łatwość budowy aplikacji skalowalnych.
3 Łatwość tworzenia aplikacji rozproszonych składających się z

komunikuj

ących się procesów.

4 Łatwość tworzenie aplikacji równoległych wykonywanych na

po

łączonych siecią komunikacyjną komputerach.

Przyk

ład:

$ cat /net/qumak/home/juka/infor.txt

Komputer astra

Komputer qumak

infor.txt

/

/dev

/bin

/home

/home/juka

/

/dev

/net

/net/qumak/

Qnet

infor.txt

/net/qumak/home/juka

/bin

Rysunek 1-9 Odwzorowanie przestrzeni nazw komputera

qumak w katalogu

/net/qumak komputera astra

PDF created with pdfFactory trial version

www.pdffactory.com

15

fh = open(”/net/qumak/home/juka/infor.txt”, O_RDWR)

Z komputera astra

Lokalnie

Zasób

/net/qumak/dev/ser1 /dev/ser1

Port
szeregowy

/net/qumak/dev/par /dev/par

Port
równoległy

/net/qumak/home/

/home

Katalog

/net/qumak
/home/juka/infor.txt

/home/juka/infor.txt Plik

regularny

Tabela 1-4 Zasoby komputera

qumak lokalnie i poprzez sieć

aplikacja

Qnet

Qnet

Komputer astra

Administrator

dysków sta

łych

Administrator

procesów

Administrator

procesów

Komputer
qumak

2

4

4

3

4

3

1

3

infor.txt

Rysunek 1-10 Dost

ęp klienta do zasobu położonego na komputerze zdalnym

1. Nazwa komputera - jest

łańcuchem identyfikującym komputer. Nie

mo

że on zawierać kropek ani znaków ukośnika /. Nazwa komputera

jest okre

ślana w trakcie procesu konfiguracji sieci (np. astra).

2. Nazwa domeny - jest okre

ślona przez konfigurację sieci do której

do

łączony jest komputer i określana jest przez administratora sieci

zewn

ętrznej (np. telsat.wroc.pl).

3. Pe

łna kwalifikowana nazwa - komputera składa się z nazwy

komputera i nazwy domeny. (np

. astra.telsat.wroc.pl)

Katalog sieciowy - odwzorowuje nazwy komputerów po

łączonych siecią

Standardowo katalog sieciowy nazywa si

ę /net.

PDF created with pdfFactory trial version

www.pdffactory.com

16

Zawarto

ść katalogu sieciowego a tym samym nazwy komputerów

pracuj

ących w sieci Qnet uzyskać można poleceniem:

$

ls /net

$ astra qumak

Sie

ć Qnet obsługuje wielokrotne połączenia sieciowe. Z połączeniami

wielokrotnymi

łączy się pojęcie QoS (ang. Quality of Service)

•

po

łączenie równoważące obciążenie,

•

po

łączenie preferowane,

•

po

łączenie wyłączne.

PDF created with pdfFactory trial version

www.pdffactory.com

17

4.1

QNX6 w systemach wbudowanych

Aplikacje mog

ą być tworzone w środowiskach systemów:

•

QNX6 Neutrino, Windows (NT, 2000, XP),

•

Linux,

•

Solaris SPARC.

Narz

ędziem do tworzenia takich aplikacji jest Momentics Development

Suite.

Środowisko to zawiera:

1 Zintegrowane środowisko rozwoju oprogramowania IDE (ang. Integrated

Development Environment).

2 Biblioteki ANSI C, POSIX, DINKUM C++, GNU C++.
3 Dokumentację.
4 Narzędzia BSP (ang. Board Suport Packages) służące do dostosowania

systemu QNX6 Neutrino do ró

żnorodnych środowisk sprzętowych.

5 Narzędzia DDK (ang. Driver Development Kits) wspomagające

tworzenie sterowników urz

ądzeń zewnętrznych (grafiki, audio, sieciowe,

USB).

6 Narzędzia TDK (ang. Technology Development Kits) które ułatwiają

tworzenie wbudowanych systemów plików, systemów
wieloprocesorowych SMP, obs

ługi multimediów i grafiki 3D.

System docelowy na komputerach z procesorami:

•

ARM,

•

MIPS, PowerPC,

•

SH-4,

•

StrongARM (w tym Xscale)

•

x86.

PDF created with pdfFactory trial version

www.pdffactory.com