2.1.2 Рабочая станция

   Системный профайлер позволяет разрешать конфликты синхронизации, определять ситуации взаимных блокировок, выявлять корни семантических ошибок, находить скрытые неполадки в программном и аппаратном обеспечении и оптимизировать производительность приложения, причём как для однопроцессорных, так и для многопроцессорных целевых систем. Характеристики системы могут быть проанализированы в реальном времени, в моменты возникновения событий. Удобный инструмент поиска позволяет проанализировать детали по каждому событию, включая время возникновения, владельца и тип. Системный профайлер может отображать огромные объёмы информации, включая информацию о вызовах ядра, аппаратных прерываниях, состоянии потоков, обмене сообщениями и событиях планировщика. Сложные комбинации условий могут быть отслежены благодаря развитой системе динамических фильтров, определяемых пользователем. В приложения могут быть встроены средства генерации специализированных сообщений для подсистемы трассировки, оказывающей упреждающее воздействие на процесс записи событий. Профайлер приложений предоставляет информацию об использовании процессорного времени каждым потоком и отображает её одновременно как в виде абсолютных значений, так и в виде процентной доли от общего времени с возможностью сортировки. Профайлер может анализировать динамически загружаемые разделяемые библиотеки, отвечая тем самым на вопрос, где кроется причина снижения производительности в коде приложения или в библиотеке, которую оно вызывает. ОС QNX предоставляет пользователю библиотеку распределения памяти, содержащую реализацию большинства типовых операций над строками и памятью. Эти функции перед выполнением операции проверяют корректность использования указанной области памяти, позволяя выявлять ошибки типа переполнения, выборки из пустого буфера, некорректного использования памяти и повторного освобождения одной и той же области. «Интеллектуальный» механизм отслеживает ошибки работы с памятью. При возникновении ошибки соответствующий фрагмент исходного текста будет помечен предупреждением, при этом можно:

• продолжить выполнение программы;
• завершить программу и сохранить её образ в дамп файле;
• остановить программу и немедленно переключиться в отладчик для локализации проблемы.

   Анализатор  ОЗУ помогает визуально представлять использование памяти программами и может быстро выявлять переполнения буферов, некорректные освобождения памяти и множество других типовых ошибочных ситуаций. Анализатор ОЗУ предоставляет:

• информацию на уровне процесса, которая позволяет быстро оценить карту памяти программы;
• специализированную статистику распределения памяти для выявления проблем с использованием «кучи». Статистика включает в себя суммарное количество свободных, распределённых и используемых байтов и блоков; динамический журнал использования памяти для оценки динамики ситуации. Комплекты разработки драйверов (DDK) позволяют быстро создавать драйверы для нестандартного оборудования — аудио, графических и сетевых адаптеров, устройств ввода, принтеров, символьных и USB устройств. Комплекты включают в себя исходные тексты, детальную документацию и готовый программный каркас, в котором весь высокоуровневый аппаратно независимый код уже реализован в виде библиотек.

   Поскольку в QNX драйверы выполняются как обычные  пользовательские процессы, их можно  отлаживать и оптимизировать при помощи того же интегрированного инструментария, который QNX Momentics предоставляет для отладки обычных приложений. Нет никакой необходимости в использовании отладчиков на уровне ядра, которые могут застопорить работу всей целевой системы, в результате скрывая ошибки. Микроядерная архитектура QNX позволяет тестировать изменения в коде драйверов без перезагрузки системы и даже без перезапуска сеанса отладки необходимо просто перекомпилировать и перезапустить драйвер. Наличие встроенного эмулятора позволяет тестировать и отлаживать драйверы непосредственно на инструментальном компьютере, не теряя времени на ожидание целевой аппаратуры. QNX Momentics предоставляет полный набор инструментария для начальной загрузки и взаимодействия с целевым оборудованием. В этот инструментарий входят пакеты поддержки (BSP) для широкого спектра процессорных плат, построитель встраиваемых систем, позволяющий быстро формировать и настраивать целевые образы, и уникальный целевой агент, динамически загружающий сервисные модули по мере необходимости. QNX Momentics также включает в себя навигатор целевых систем, который позволяет привязывать проекты к IP адресам или именам хостов, однозначно определяя программно аппаратную конфигурацию целевых систем. Эти конфигурации впоследствии могут использоваться при работе с другими инструментальными средствами. Навигатор целевых систем также обеспечивает интерактивное отображение выполняющихся процессов, позволяя просмотреть следующую информацию о целевой системе: использование ресурсов, атрибуты потоков, файловые дескрипторы и т.д. QNX Momentics предоставляет богатый выбор готовых пакетов поддержки процессорных плат (BSP) на основе процессоров ARM, MIPS, x86, PowerPC, SH-4, StrongARM и XScale. Каждый BSP снабжён детальной документацией и исходными текстами всех бинарных модулей, включая начальный загрузчик, стартовый код и драйверы устройств.

2.2 VxWorks/Tornado

   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.

2.2.1 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).

   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).

2.2.2 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. 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.

   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.

2.3 RTLinux

2.3.1 Основные сложности  при реализации  систем реального  времени в среде  LINUX

   Как было сказано выше, основной задачей является реагирование на некоторое внешнее событие в заданный промежуток времени. Внешнее событие обычно, с точки зрения программиста, выглядит как аппаратное прерывание. В современных многозадачных операционных системах первым на аппаратное прерывание реагирует ядро. Затем это прерывание через драйвера устройств каким-то образом может попасть и к прикладной задаче. Но в многозадачной системе должны одновременно работать сразу несколько задач и для того, чтобы доставить прерывание, ядро должно перевести процесс, выполняющийся в данный момент в состояние сна, пробудить нужный процесс и передать ему прерывание. Для этого нужно переключать контексты, что требует много времени, поэтому прерывание будет доставлено процессу со значительным опозданием. Кроме того, после получения прерывания процессом нельзя быть уверенным, что обработка информации будет завершена в минимальные сроки, т.к. если компьютер оснащен всего одним процессором, а в системе запущено больше одной задачи - то в любой момент может произойти переключение задач с очередным переключением контекстов. В результате - время реакции может получиться неоправданно большим (на достаточно производительном компьютере).

   Linux - современная POSIX-совместимая и Unix-подобная операционная система для ПК и рабочих станций, т. е. многопользовательская сетевая операционная система. ОС Linux поддерживает стандарты открытых систем и протоколы сети Internet. Все компоненты системы, включая исходные тексты, распространяются с лицензией на свободное копирование и установку для неограниченного числа пользователей. 

Характерные особенности Linux как  ОС:

• многозадачность (является обязательным условием);
• многопользовательский режим;
• защищенный режим процессора (386 protected mode);
• защита памяти процесса (сбой программы не может вызвать зависания системы);
• экономная загрузка: Linux считывает с диска только те части программы, которые действительно используются для выполнения;
• разделение страниц по записи между экземплярами выполняемой программы. Это значит, что процессы-экземпляры программы могут использовать при выполнении одну и ту же память. Когда такой процесс пытается произвести запись в память, то 4-килобайтная страница, в которую идет запись, копируется на свободное место. Это свойство увеличивает быстродействие и экономит память;
• виртуальная память со страничной организацией (т. е. на диск из памяти вытесняется не весь неактивный процесс, а только требуемая страница); виртуальная память в самостоятельных разделах диска и/или файлах файловой системы; объем виртуальной памяти до 2 Гб; изменение размера виртуальной памяти во время выполнения программ;
• общая память программ и дискового кэша: вся свободная память используется для буферизации обмена с диском;
• динамические загружаемые разделяемые библиотеки;
• дамп программы для пост-мортем анализа: позволяет анализировать отладчиком не только выполняющуюся, но и завершившуюся аварийно программу;
• сертификация по стандарту POSIX.1, совместимость со стандартами System V и BSD на уровне исходных текстов;
• через iВS2-согласованный эмулятор совместимость с SCO, SVR3, SVR4 по загружаемым программам;
• наличие исходного текста всех программ, включая тексты ядра, драйверов, средств разработки и приложений. Эти тексты свободно распространяются. В настоящее время некоторыми фирмами для Linux поставляется ряд коммерческих программ без исходных текстов, но все, что было свободным так и остается свободным;
• управление заданиями в стандарте POSIX;
• эмуляция сопроцессора в ядре, поэтому приложение может не заботиться об эмуляции сопроцессора. Конечно, если сопроцессор имеется в наличии, то он и используется;
• множественные виртуальные консоли: на одном дисплее несколько одновременно независимых сеансов работы, переключаемых с клавиатуры;
• поддержка ряда распространенных файловых систем (MINIX, Xenix, файловые системы System V); наличие собственной передовой файловой системы объемом до 4 Тб и с именами файлов до 255 знаков;
• прозрачный доступ к разделам DOS (или OS/2 FAT): раздел DOS выглядит как часть файловой системы Linux; поддержка VFAT (WNT, Windows 95);
• доступ (только чтение) к файловой системе HPFS-2 OS/2 2.1;
• поддержка всех стандартных форматов CD ROM;
• поддержка сети TCP/IP, включая ftp, telnet, NFS и т. д.