Операционные системы реального времени

Синхронизация задач и их защита осуществляется через рекурсивные блокировки ресурсов, мьютексы и условия, мониторы и условия, вычислительные семафоры, события.

3.8. DeltaOS

DeltaOS является ОСРВ для встраиваемых приложений, разработанной китайской корпорацией CoreTek Systems. Система поддерживается для наиболее популярных семейств микропроцессоров, таких как PowerPC, Intel X86, ARM, MIPS. DeltaOS настраивается и масштабируется в широком диапазоне систем реального времени и может применяться как в простых автономных устройствах, так и в сложных отказоустойчивых многопроцессорных системах.

DeltaOS основана на ядре DeltaCore, которое построено на надежной технологии реального времени, включающей приоритетное прерывание обслуживания, реентерабельность, многозадачность и детерминированное поведение. Ядро проектировалось на основе объектно-ориентированной парадигмы. Объектами, которыми оперирует DeltaOS, являются задачи, семафоры, события, таймеры, очереди сообщений, сегменты памяти. Планирование основано на приоритетах. Поддерживается планирование с вытеснением, циклическое и на основе разделения времени. Обработка прерываний осуществляется через ISR вне ядра. Для обеспечения быстрой обработки прерывания можно передавать непосредственно в ISR. Системные вызовы, сделанные из ISR, возвращают управление в ISR, сокращая, таким образом, временные затраты механизма планирования в ядре.

3.9. Palm OS

Операционные системы серии Palm OS (корпорация PalmPC) являются одним из популярных программных продуктов для портативных устройств и смартфонов [PALMOS]. К последним разработкам относятся Palm OS Garnet и Palm OS Cobalt 6.1.

Palm OS Garnet – это усовершенствованная версия системы Palm OS 5, которая обеспечивает дополнительные возможности, такие как динамическая область ввода, улучшенное сетевое взаимодействие и поддержка для широкого диапазона разрешающей способности экрана.

Palm OS Cobalt 6.1 – это следующее поколение системы Palm OS. Эта система позволяет создание новых классов устройств для коммуникации, предприятий, обучения и развлечений. Palm OS Cobalt 6.1 обеспечивает интегрированные телефонные функции, поддержку для сетей типа WiFi и Bluetooth и расширенные возможности для пользовательского интерфейса.

3.10. Symbian OS (EPOC)

EPOC – это операционная система от корпорации Psion Software, разработанная специально для мобильных, основанных на ROM-памяти (read-only memory) компьютерных устройств [EPOC]. EPOC16 – устаревшая 16-битовая версия этой ОС. EPOC32 – более современная 32-битовая ОС, которая поддерживает многозадачный режим с приоритетами. ОС EPOC распространяется корпорацией Symbian и часто выступает под названием Symbian OS, поскольку Symbian является совместным предприятием фирм Psion, Ericsson, Motorola и Nokia. ОС EPOC является ближайшим конкурентом Windows CE на рынке устройств PDA (personal digital assistant).

4. Настраиваемость операционных систем

Рассмотрим более подробно основные подходы к настраиваемости операционных систем. В первую очередь здесь обсуждаются вопросы адаптации ОС под набор приложений, хотя упоминаются и вопросы настройки на аппаратную платформу.

При обсуждении настраиваемости ОС часто применяются понятия распространения (spread) и уровня детализации настройки.

4.1. Адаптация, осуществляемая человеком

Системы в категории статической адаптации являются, по сути, каркасами операционных систем (framework), которые проектировщик может настраивать в соответствии с целями будущей ОС. Если область приложений, которые будут использовать создаваемую ОС, заранее известна, можно создать специфическую ОС, которая будет поддерживать необходимую функциональность и ничего более. Такой подход приводит к созданию высокопроизводительной специфической ОС. После компоновки такой системы ее функциональность и политики фиксированы. Эта форма адаптации применяется к встроенным ОС для устройств со специфической функциональностью и более или менее стабильной деятельностью.

Динамическая адаптация от имени администратора возможна в большинстве промышленных ОС – как во время загрузки, так и во время работы. Во время загрузки ядру передаются параметры настройки и конфигурационные установки, во время работы администратор может инсталлировать и подгружать новые модули ядра, а также отслеживать параметры производительности и настраивать операционную систему.

4.1.1. Статическая адаптация, инициированная  проектировщиком

В ОС этой категории все системные функции и политики определяются на этапе проектирования, а все системные сервисы встроены в ядро. Основное предназначение таких ОС – это специфическая операционная система, возможно даже для единственного приложения. Инициатором адаптации является проектировщик, функциональность и требования хорошо известны и понятны уже на этапе проектирования. Такой подход ведет к обедненным и высокопроизводительным системам, в которых может присутствовать только строго ограниченная функциональность, а все сервисы оптимизируются статически под вполне определенное приложение. Ясно, что новая функциональность и приложения другой категории не могут поддерживаться такой системой. Это значит, что для каждого приложения должна проектироваться и реализовываться новая система, и что один тип устройств или компьютеров будет поддерживать только одно приложение (или ограниченного число приложений) [KLM93]. Появляются каркасы (framework) ОС общего назначения, которые помогают избежать проектирования каждой новой ОС с нуля.

Flux OSKit – это система, состоящая из каркаса и библиотечных модулей [FBB97]. Каркас OSKit представляет собой набор библиотек, из которых компонуется ядро ОС. Все компоненты состоят из модулей. Используются интегрирующие (glue) слои, через которые осуществляется взаимодействие между компонентами и сервисами. Вообще говоря, компоненты скорее обладают крупным уровнем детализации, и являются, в основном, подсистемами, такими как файловая система, стек сетевого протокола или набор драйверов устройств.

Scout – это каркас для операционных систем, обслуживающих устройства в сети [MMO95]. ОС, созданная с помощью Scout состоит из модулей, связи между которыми представляются в виде графа модулей. Этот граф фиксируется на этапе проектирования. Связанные модули должны обеспечивать общий интерфейс.

Термин маршрут (path) означает поток данных через систему от источника ввода/вывода к стоку ввода/вывода. Это понятие можно рассматривать как последовательность решений о маршрутизации внутри модульной системы. Маршрут состоит из двух частей – последовательности модулей, которые определяют семантику (надежность, безопасность и согласование по времени), и требований на ресурсы, необходимых для обработки и прохождения данных. Маршруты через граф модулей создаются и разрушаются в динамике. Такое понятие маршрута хорошо подходит для распределения ресурсов и оптимизации производительности, т.к. маршрут обеспечивает нелокальный контекст, который не доступен внутри отдельного модуля.

В работе Спатчека и Петерсона [SP97] определяется архитектура безопасности, которая дает возможность проектировщику устанавливать политику безопасности для операционной системы Scout. Эта архитектура безопасности добавляет в Scout также многочисленные домены защиты, которые иначе находились бы в едином адресном пространстве.

Choices – это объектно-ориентированная, настраиваемая ОС, в которой для настраиваемости используются каркасная технология и подсистемы [CRJ87, CIR93]. Основное предназначение Choices – обеспечить пользователям возможность простой оптимизации и адаптации системы в соответствии с поведением приложений и рабочей нагрузкой. Система Choices спроектирована как иерархия каркасов, поддерживающих удобную организацию операционной системы по слоям. В Choices каркас состоит из набора классов, представляющих системные сущности, такие как диски, память, планировщики и т.д. Различные подсистемы ОС, такие как управление памятью, управление процессами, файловое запоминающее устройство, управление исключительными ситуациями и т.д. создаются непосредственно из объектно-ориентированных каркасов. Ресурсы системы, механизмы и политики представляются как экземпляры классов, принадлежащих некоей иерархии классов, где настройка осуществляется через использование наследования. Таким образом, специфическая ОС создается путем конкретизации классов и реализации набора объектов, которые вместе формируют данную ОС. Интерфейсом приложения является совокупность объектов ядра, экспортируемых через уровень защиты приложение/ядро.

Система Choices обладает слабой формой динамической адаптации. Когда приложению нужен какой-либо сервис, происходит динамическая загрузка соответствующего класса. Таким образом, нельзя сказать, что адаптация производится непосредственно через приложение, к тому же любое возможное поведение определяется статически.

Pebble является ОС, основанной на компонентах [MBG00]. В то же время Pebble можно назвать как каркасом ОС общего назначения, так и микроядром для узла, исполняющего роль портала (в последнем качестве она рассматривается в разделе о портал-ориенентированных ОС). Эта система обеспечивает некоторый набор абстракций операционных систем, реализуемых удостоверенными компонентами пользовательского уровня. Эти компоненты могут наращиваться, замещаться или разбиваться по слоям, что позволяет измененным абстракциям сосуществовать с существующими абстрациями или полностью заместить их стандартный набор. Pebble дает возможность создавать модульные ОС из компонентов многократного использования. В отличие от подобных систем, системные сервисы не интегрируются в ядро. Они предоставляются в виде удостоверенных серверных компонентов, которые выполняются в защищенных доменах на уровне пользователя.

Система PURE (Portable Universal Runtime Executive) является хорошо конфигурируемой системой и предоставляет средства для подбора требуемой функциональности [Beu99]. Хотя применение PURE и не ограничено какой-либо областью приложений, все же ее главное предназначение находится в области глубоко встроенных систем. Проектирование PURE основано на двух концепциях – семейства программ и объектно-ориентированного подхода. Концепция семейства программ обеспечивает иерархическую структуру системы, в которой минимальный набор системных функций используется как платформа для реализационных или системных расширений. Объектно-ориентированный подход служит основой для реализации. Минимальным компонентом является класс, т.е. систему PURE можно рассматривать как библиотеку классов. Например, компонент, реализующий управление потоками, состоит из 45 классов, выстроенных в 14-уровневую иерархию.

Компоненты PURE упорядочиваются в структуру, состоящую из ядер и их расширений. Ядра, так называемые CORE (concurrent runtime executive), отвечают за реализацию минимального набора системных функций, управляющих прерываниями и потоками. Дополнительные возможности, называемые минимальными системными расширениями, добавляются в систему с помощью ядерных расширений, называемых NEXT (Nucleus Extension).

Система PURE хорошо конфигурируется и обладает высоким уровнем детализации настройки.

Вышеописанные подходы приводят к хорошим результатам для устройств или компьютеров, функциональность которых известна заранее.

4.1.2. Динамическая адаптация, инициированная администратором

Этот класс ОС поддерживает адаптацию во время раскрутки или выполнения, которую осуществляет администратор, а иногда и пользователь. Такая адаптация достигается двумя способами.

Первый способ – метод загружаемого модуля ядра (loadable kernel module) – дает возможность доверенному лицу (обычно администратору или пользователю с полномочиями root) загрузить модули в ядро, таким образом, изменяя или расширяя функциональность ОС. Преимущество данного метода заключается в его простоте – это напоминает динамическую загрузку класса обычных приложений. Недостатком является возможность нарушения механизмов безопасности системы при добавлении произвольного кода в ядро, что может вызвать крах системы. Кроме того, стабильное состояние системы может стать нестабильным после загрузки в ядро злоумышленного или просто ошибочного модуля.

Второй способ – это настройка (tuning) системы. Обычно политики ОС параметризуются, и такие параметры могут изменяться либо администратором, либо пользователем. Кроме того, существуют счетчики производительности, которые помогают оценить преимущества той или иной политики, настроенной через параметры. Преимущество этого подхода состоит в том, что здесь не дискредитируются механизмы зашиты. Недостатком можно считать тот факт, что при таком подходе ограничиваются широта применения и уровень детализации.

Динамическая адаптация от имени администратора широко применяется во всех промышленных ОС (Linux, Solaris, Windows NT и т.д.). Windows 2000 имеет сотни счетчиков производительности и соответствующих системных переменных. Ядро Linux интенсивно использует загружаемые модули.

Следует отметить, что контекст и мотивы расширения и адаптируемости различны для промышленных и исследовательских ОС. В академическом сообществе для ОС главной движущей силой является производительность, часто в не удостоверенном (untrusted) контексте. Инициатор адаптации не может считаться удостоверенным и, следовательно, целостность ОС нужно защищать. В промышленных ОС расширяемость, главным образом, используется для добавления разных форм функциональности в удостоверенном контексте, где инициатор адаптации является удостоверенным (например, администратор файловой системы). Метод загружаемого модуля ядра используется для наращивания ядра новыми драйверами устройств с поддержкой новых файловых систем с новыми способами аутентификации, а также другими видами функциональности. Модули улучшения производительности, а также механизмов защиты целостности очень редки на практике. Как следствие этого, многие исследовательские результаты по адаптируемости и наращиванию не находят применения в промышленных ОС.

4.2. Адаптация, инициированная приложением

Адаптация, инициированная приложением, может производиться только динамически, и ее применение полезно в ОС общего назначения. В то время как традиционные ОС имели большие трудности при добавлении новых возможностей, требующихся, например, для обработки мультимедийных приложений, настраиваемые ОС быстрее адаптировались в новых условиях. Приложение часто знает свои потребности и может от своего имени инструктировать ОС о необходимой настройке. Механизмы, предоставляющие возможность настройки от имени приложений во время выполнения, вводят накладные расходы по производительности. Однако цель динамически настраиваемых ОС состоит в том, чтобы достичь лучшей производительности всей системы в целом, разрешая настройки, которые приводят к преобладанию преимуществ над накладными расходами.

4.2.1. Адаптация с уровня приложения