GRID_УП

151

6 МИКРОЯДРО ОС QNX NEUTRINO

6.1 Введение

Микроядро ОС QNX Neutrino реализует основные функции стандартов POSIX, используемые во встраиваемых системах реального времени, а также базовые службы обмена сообщениями. Те функции, которые не реализованы в микроядре, выполняются дополнительными процессами или разделяемыми библиотеками.

На самых нижних уровнях микроядра расположено всего несколько базовых объектов, а также четко отрегулированные процедуры для управления ими. Это является основой, на которой строится ОС QNX (рис. 6.1).

Рис. 6.1 — Микроядро ОС QNX Neutrino

152

ВОС QNX Neutrino большинство служб по обеспечению работы в реальном времени и по планированию потоков реализовано прямо в микроядре. Эти службы могут работать без использования дополнительных модулей.

Вмикроядре ОС QNX существуют системные вызовы (kernel calls), которые служат для управления следующими объектами:

•потоками;

•сообщениями;

•сигналами;

•часами;

•таймерами;

•обработчиками прерываний;

•семафорами;

•блокировками взаимного исключения, мьютексами;

•условными переменными;

•барьерами.

ОС QNX целиком построена на основе таких вызовов, причем ядро ОС полностью вытесняемо (preemtable), в том числе и во время обмена сообщениями между процессами.

В микроядро включены службы, которые порождали наиболее короткую ветвь исполняемого кода. Операции, требующие значительных ресурсов (например, загрузка процесса), были переданы внешним процессам и потокам, в которых работа по переключению на контекст другого процесса пренебрежительно мала в сравнении с работой по обработке запроса, выполняемой внутри этого потока.

Оценим работу, которая выполняется между переключениями контекстов во время обмена сообщениями, и учтем высокую скорость их переключений в минимизированном ядре. Очевидно, что объем времени, расходуемый на выполнение этих действий, настолько минимален, что становится пренебрежительно малым в сравнении с работой, производимой для обработки запросов от механизма обмена межзадачными сообщениями.

154

6.2 Потоки и процессы

6.2.1Вызовы по управлению потоками

Вядре ОС QNX минимальной планируемой и выполняемой единицей является поток. Процесс можно рассматривать как объект, который содержит в себе эти потоки и определяет для их выполнения свое адресное пространство.

Вмикроядре ОС QNX реализован ряд вызовов по управлению потоками POSIX и соответствующие им вызовы микроядра

(табл. 6.1).

Таблица 6.1 — Вызовы по управлению потоками POSIX и соответствующие вызовы микроядра [9]

Несмотря на то, что потоки внутри процесса используют одно адресное пространство, каждый из этих потоков имеет «собственные» данные. В некоторых случаях эти данные защищаются внутри ядра (например, идентификатор потока), в то время как другие данные остаются незащищенными в адресном пространстве процесса (например, у каждого потока свой стек).

Данные, относящиеся к потоку, реализуются в библиотеки pthread и хранятся в локальной памяти потока. Они обеспечивают механизм, предназначенный для связывания глобального целочисленного ключа процесса (process global integer key) с

уникальным значением данных для каждого потока.

157

6.2.2 Состояния потока

Потоки создаются и уничтожаются динамически, и их количество внутри процесса может изменяться в значительных пределах. Создание потока включает в себя выделение и инициализацию необходимых ресурсов внутри адресного пространства процесса, а также запуск выполнения потока с некоторой функции.

Завершение потока включает в себя остановку потока и освобождение ресурсов потока.

Поток ОС QNX может находиться в одном из следующих состояний [9]:

−CONDVAR — поток блокирован на условной переменной (например, при вызове функции pthread_cond_var_wait());

−DEAD — поток завершен и ожидает завершения другого

потока;

−INTERRUPT — поток блокирован и ожидает прерывания (при вызове функции InterruptWait());

−JOIN — поток блокирован и ожидает завершения другого потока (например, при вызове функции pthread_join());

−MUTEX — поток блокирован блокировкой взаимного исключения (например, при вызове функции pthread_mutex_

lock());

−NANOSLEEP — поток находится в режиме ожидания в течение короткого периода времени (например, при вызове функции nanosleep());

−NET_REPLY — поток ожидает ответа на сообщение другого узла сети (поток вызвал функцию MsgReply);

−NET_SEND — поток ожидает получение импульса или сигнала от другого узла сети (поток вызвал функцию MsgSend-

Pulse(), MsgDeliverEvent или SignalKill());

−READY — поток ожидает выполнения, пока процессор занят выполнением другого потока равного или более высокого приоритета;

−RECEIVE — поток блокирован на операции получения сообщения (поток вызвал функцию MsgReceive);

158

−REPLY — поток блокирован при ответе на сообщение (поток вызвал функцию MsgReply);

−RUNNING — поток выполняется процессором;

−SEM — поток ожидает освобождения семафора (поток вызвал функцию SyncSemWait());

−SEND — поток блокируется при отправке сообщения (поток вызвал функцию MsgSend);

−SIGSUSPEND — поток блокирован и ожидает сигнала (поток вызвал функцию sigsuspend());

−SIGWAITINFO — поток блокирован и ожидает сигнала (поток вызвал функцию sigwaitinfo());

−STACK — поток ожидает выделения виртуального адресного пространства для своего стека (родительский поток вы-

зывает функцию ThreadCreate());

−STOPPED — поток блокирован и ожидает сигнала

SIGCOUNT;

−WAITCTX — поток ожидает доступности нецелочисленного контекста;

−WAITPAGE — поток ожидает выделения физической памяти для виртуального адреса;

−WAITTHREAD — поток ожидает завершения создания дочернего потока (поток вызвал функцию ThreadCreate()).

6.2.3Планирование потоков

При каждом вызове ядра, исключении или аппаратном прерывании, в результате которого управление передается коду ядра, выполнение активного потока временно приостанавливается. Действие планирования совершается в момент изменения состояния любого потока, независимо от того, в каком процессе поток расположен. Планирование потоков осуществляется по всем процессам сразу [9].

Как правило, выполнение приостановленного потока через некоторое время возобновляется. При этом планировщик (sсllеdulег) выполняет переключение контекстов с одного потока на другой всякий раз, когда активный поток [9]:

159

–блокируется. Активный поток блокируется, если он должен ожидать какого-либо события (например, ответа на запрос механизма обмена сообщениями, освобождения мьютекса

ит.д.). Блокированный поток удаляется из очереди готовности, после чего запускается поток с наивысшим приоритетом. Когда блокированный поток разблокируется, он помещается в конец очереди готовности на соответствующий приоритетный уровень;

–вытесняется. Активный поток вытесняется, когда поток с более высоким приоритетом помещается в очередь готовности (т.е. он переходит в состояние готовности (READY) в результате снятия условия блокировки). Прерванный поток остается на соответствующем приоритетном уровне в начале очереди готовности, а поток с более высоким приоритетом начинает выполняться;

–отдает управление. Активный поток самостоятельно освобождает процессор и помещается в конец очереди готовности на данном уровне приоритета. После этого запускается поток с наивысшим приоритетом (в том числе им может быть поток, который только что отдал управление).

Каждому потоку назначается свой приоритет. Планировщик выбирает поток для выполнения в соответствии с приоритетом каждого потока, находящегося в состоянии готовности (READY), т.е. способного использовать процессор. Таким образом, выбирается поток с наивысшим приоритетом [9].

Всего в ОС QNX Neutrino 6.3 поддерживается до 256 уровней приоритетов. Приоритет выполнения каждого непривилегированного потока может изменяться в пределах от 1 до 63 (наивысший приоритет), независимо от его дисциплины планирования. Только привилегированные (гoot) потоки могут иметь приоритет выше 63. Специальный поток с именем idle в администраторе процессов имеет приоритет 0 и всегда готов к выполнению. По умолчанию поток наследует приоритет своего родительского потока [9].

Команда procnto -р позволяет изменить диапазон допустимых приоритетов для непривилегированного процесса:

procnto -р приоритет

160

Следует обратить внимание на то, что для предотвращения инверсии приоритетов ядро может временно повышать приоритет потока.

Потоки, находящиеся в очереди, упорядочиваются по приоритету. В действительности, очередь готовых потоков состоит из 256 отдельных очередей по одной на каждый приоритет. Потоки выстраиваются в очереди по порядку поступления (FIFO) и в соответствии с их приоритетом. Для выполнения выбирается первый поток с наивысшим приоритетом [9].

Для работы в ОС QNX Neutrino 6.3 используются следующие алгоритмы планирования:

–FIFO-планирование (см. п. 3.1.2);

–циклическое планирование (Round robin, см. п. 3.1.2);

–спорадическое планирование.

Каждый поток в системе может выполняться по любому из методов. Методы применяются для каждого отдельного потока, а не для потоков или процессов одновременно.

FIFO-планирование и циклическое планирование применяются только в случаях, когда два или более потоков, имеющих одинаковый приоритет, находятся в состоянии готовности.

Спорадическое планирование. Алгоритм спорадического планирования обычно используется для задания верхнего лимита на время выполнения потока в пределах заданного периода времени. Этот метод необходим при выполнении монотонного частотного анализа системы, обслуживающей как периодические, так и апериодические события. По сути, данный алгоритм позволяет потоку обслуживать апериодические события, не препятствуя своевременному выполнению других потоков или процессов в системе [9].

Как и в FIFО-планировании, поток, для которого применяется спорадическое планирование, выполняется до тех пор, пока он не блокируется или прерывается потоком с более высоким приоритетом. Кроме того, так же как и в адаптивном планировании, поток, для которого применяется спорадическое планирование, получает пониженный приоритет. Однако спорадическое планирование дает значительно более точное управление потоком [9].