Встраиваемые операционные системы

Реферат по теме:

«Встраиваемые операционные системы »

студента гр. АК5-51

Коваленко Александра

Москва 2007

Содержание

1. Введение

1.1. Что такое встраиваемая система?

1.2. Что является характерным признаком встраиваемой операционной системы?

2. Платформа MicrosoftWindowsEmbedded

2.1. Что такое MicrosoftWindowsEmbedded?

2.2. Преимущества платформы WindowsEmbedded

2.3. В чем операционные системы Windows Embedded различаются между собой?

2.4. Операционная система WindowsXPEmbedded

2.5. В чем разница между Windows, WindowsXP, WindowsXPEmbedded и WindowsEmbedded?

2.6. Чем Windows CE отличается от программного обеспечения смартфонов и карманных ПК на базе Windows Mobile?

2.7. Чтотакое Windows Embedded for Point of Service?

2.8. Операционная система Windows Automotive

3. Операционная система реального времени QNX

3.1. Операционная система QNX

3.2. Архитектура ядра системы QNX

3.2.1. Ядро системы QNX

3.2.2. Системные процессы

3.3. Микроядро

4. Встраиваемая операционная система ON TIME RTOS – 32

4.1. RTOS-32

4.2. Архитектура RTOS-32

4.3. Компоненты архитектуры RTOS-32

5. Вывод

1. Введение

1.1 Что такое встраиваемая система?

Под встраиваемой системой обычно понимается любая компьютерная система или компьютерное устройство, имеющее специализированное назначение или рассчитанное на использование вместе с конкретным встраиваемым приложением. Конечный пользователь, как правило, не может изменять такие системы.

1.2 Что является характерным признаком встраиваемой операционной системы?

Встраиваемые операционные системы обычно отличаются высокой степенью адаптируемости к определенной задаче или функции. Их можно оптимизировать для поддержки специального оборудования или конкретного приложения. Конфигурация системы может быть заблокирована и тщательно протестирована, поэтому их изготовители имеют возможность контролировать уровень затрат и выпускать высоконадежные устройства, оптимизированные для выполнения специализированных задач.

2. ПлатформаMicrosoft Windows Embedded

2.1 Чтотакое Microsoft Windows Embedded?

Windows Embedded - это семейство операционных систем и наборов инструментальных средств корпорации Майкрософт, предназначенных для использования в таких компьютерных устройствах, как кассовые аппараты, банкоматы, промышленные контрольные приборы, шлюзы, IP-телефоны, серверные устройства, «тонкие» клиенты на базе Windows, новейшее оборудование бытовой электроники и специализированные карманные устройства.

В семейство продуктов Windows Embedded входят ведущие операционные системы Windows CE и Windows XP Embedded, в которых представлены технологии и средства, позволяющие разработчикам создавать встраиваемые устройства для разнообразных рабочих сред. Майкрософт также выпускает систему Windows Embedded for Point of Service (WEPOS), позволяющую разработчикам устройств розничной торговли быстрее выводить свои продукты на рынок.

2.2 Преимущества платформы WindowsEmbedded

1. Максимальная функциональность, проверенная производительность, надёжность и гибкость.

2. Структурированные, проверенные технические решения. Лучшие в своём

классе средства для быстрого создания интеллектуальных 32-разрядных устройств, работающих в сетевой среде.

3. Знакомый любому программисту интегрированный инструментарий разработки программного обеспечения, полностью покрывающий весь набор задач, а также знакомая парадигма программирования, обеспечивающая высокую производительность работы операционной системы и быструю разработку приложений.

4. Бизнес-модель, наилучшим образом отвечающая запросам изготовителей

оригинального оборудования (ОЕМ) на длительную перспективу.

Семейство операционных систем Windows Embedded обеспечивает работу тысяч разнообразных интеллектуальных взаимодействующих систем, таких как кассовые терминалы, «тонкие» клиенты, телевизионные приставки, цифровые медиаплееры и ресиверы, сложная потребительская электроника, IP-телефоны, сетевые шлюзы, серверные устройства, электронные киоски и торговые автоматы, системы управления зданиями, измерительные и контрольные приборы, карманные компьютеры и другие мобильные устройства.

2.3 В чем операционные системы Windows Embedded различаются между собой?

В операционной системе Windows CE надежные возможности работы в реальном времени интегрированы с передовыми технологиями Windows, что позволяет быстро создавать новаторские, компактные устройства широкого ассортимента. Windows CE может работать на нескольких процессорах и используется в устройствах различных типов - мобильных карманных ПК, тонких клиентах, шлюзах, IP-телефонах, автоматических промышленных устройствах и др.

Система Windows XP Embedded реализует богатые возможности Microsoft Windows в компонентной форме и обеспечивает быстрое создание надежных, высококачественных встраиваемых устройств на базе процессора x86 и аппаратной архитектуры ПК. Примерами устройств Windows XP Embedded служат кассовые терминалы розничной торговли, банкоматы, тонкие клиенты Windows и новейшие модели телеприставок.

Windows CE - ОС реального времени с мощнейшими средствами для быстрого создания интеллектуальных компактных устройств нового поколения для работы в сетевом окружении;

Windows XP Embedded - наиболее функционально полная встраиваемая ОС, предоставляющая сложным устройствам все возможности Windows в компонентной форме;

2.4 Операционная система WindowsXPEmbedded

Windows XP Embedded - это компонентная версия Windows XP Professional c дополнительными возможностями для встраивания и инструментарием, поддерживающим процесс разработки специализированных образов операционной системы. Основной целью разработки специальной версии XP, Embedded, было создание встраиваемой системы с богатыми функциональными возможностями, максимально совместимой как с имеющейся настольной операционной системой и существующим прикладным программным обеспечением, так и с привычным для программистов процессом разработки прикладных программ.

Действительно, включив в образ операционной системы только необходимые компоненты, можно тем не менее воспользоваться всеми богатыми возможностями Win32 API и системной инфраструктуры XP Professional. Для разработки приложений, работающих под управлением XP Embedded, нет необходимости переучивать разработчиков, создающих приложения под XP Professional, равно как и нет нужды в каких-либо специализированных средствах разработки - любые продукты, обеспечивающие разработку для XP Professional, позволяют осуществлять разработку программ и для XP Embedded.

Решаема и обратная задача - создание образа операционной системы, на котором может работать написанное ранее приложение. Версия XP Embedded включает специальные компоненты - макросы совместимости, позволяющие быстро адаптировать образ для запуска существующих приложений.

Итак, становится понятно, откуда в названии этой специализированной операционной системы суффикс XP. Что же делает XP встроенной, или Embedded? Во-первых, то, что она состоит из компонентов, и, во-вторых, имеет дополнительные возможности для встраивания. Представление возможностей операционной системы в виде отдельных компонентов позволяет разработчику включать в образ только необходимые компоненты, а дополнительные возможности встраивания - эффективно создавать специализированные устройства.

Поскольку операционная система Windows XP Embedded состоит из тех же бинарных файлов, что и Windows XP Professional, практически все возможности, которые есть в XP Professional, поддерживаются и в XP Embedded, например:

• вытесняющая многозадачность;
• поддержка нескольких процессоров;
• Win32 API;
• модель драйверов Windows (WDM);
• шифрованная файловая система (EFS);
• IP Security (IPSec);
• Kerberos;
• Windows Firewall;
• DEP (Data Execution Prevention);
• Internet Explorer 6;
• проигрыватель Windows Media версии 9;
• поддержка DirectX 9.0c API;
• удаленный рабочий стол (Remote Desktop);
• точки восстановление системы (System Restore Point);
• консоль восстановления (Recovery Console);
• Windows Management Instrumentation;
• TCP/IP, UDP;
• протокол IPv6;
• беспроводные сети и устройства (Wi-Fi, IrD, Bluetooth);
• Internet Information Server;
• .NET Framework 1.1;
• ASP.NET;
• и т. д.

Помимо этого, система поддерживает дополнительные возможности для встраивания:

• Enhanced Write Filter, т. е. загрузка с носителей только для чтения; зашита носителя от записи;
• загрузка с CompactFlash;
• загрузка с CD-ROM, по стандарту El Torito;
• загрузка с устройств Disk-On-Chip;
• загрузка операционной системы из сохраненного файла, режим Hibernate Once Resume Many, загрузка операционной системы происходит за 5 с в заранее настроенное состояние.
• автономные устройства (без мыши, монитора, клавиатуры);
• загрузка по сети (PXE), загрузка системы в образ, находящийся на сервере;
• агент обновления устройств (DUA), позволяет обновлять образ после развертывания;
• перехват системных сообщений;
• использование оболочки операционной системы.

2.5 Вчемразницамежду Windows, Windows XP, Windows XP Embedded и Windows Embedded?

Термин «Windows» охватывает широкий диапазон технологий и продуктов Майкрософт и нередко используется для обозначения настольной операционной системы. Windows XP - это последнее издание настольной операционной системы, выпущенной в нескольких версиях для корпоративных и домашних пользователей. Термином «Windows Embedded» обозначается семейство встраиваемых операционных систем Майкрософт для интеллектуальных, легко подключаемых, компактных устройств. В семейство Windows Embedded входит серия продуктов, основанных на платформах Windows CE и Windows XP Embedded.

Windows XP Embedded - это специализированная операционная система, которая включает функциональные возможности Windows XP Professional в компонентной форме и исчерпывающий набор средств разработки для устройств, отличных от ПК (настольной системы). Windows XP Embedded обычно используется разработчиками встраиваемых решений, системными интеграторами и поставщиками вычислительной техники (ПВТ).

2.6 Чем Windows CE отличается от программного обеспечения смартфонов и карманных ПК на базе Windows Mobile?

Windows CE — встраиваемая операционная система с широкими возможностями настройки, предназначенная для различных компактных устройств. ПВТ могут использовать Windows CE для разработки платформ и настройки приложений с целью расширения возможностей пользователей таких устройств, как карманные ПК, «тонкие» клиенты, логические устройства управления и новейшее оборудование бытовой электроники.

Windows Mobile — это полнофункциональная программная платформа, построенная на основе Windows CE. В отличие от Windows CE, операционные системы Windows Mobile Smartphone и Windows Mobile Pocket PC разработаны для конкретных категорий устройств, в которых требуется использовать специальную конфигурацию оборудования. Это программное обеспечение включает стандартные интерфейсы и приложения, обеспечивающие совместимость различных аппаратных архитектур.

2.7 Чтотакое Windows Embedded for Point of Service?

В октябре 2004 г. корпорация Майкрософт анонсировала разработку стандартной платформы операционной системы для кассовых терминалов розничной торговли — Windows Embedded for Point of Service. Эта система основана на технологиях Windows XP Embedded с пакетом обновления 2; она создана в рамках программы интеллектуализации розничной торговли (Microsoft Smarter Retail Initiative) и представляет собой простую в использовании платформу кассового терминала, оптимизированную для отрасли розничной торговли.

2.8 Операционная система Windows Automotive

Операционная система Windows Automotive основана на встраиваемой ОС реального времени Windows CE. В ней доступна мощная базовая платформа динамических приложений и услуг Windows CE, но, помимо этого, поддерживаются такие возможности, как распознавание речи, управление электропитанием автомобиля и другие специфические для автомашины функции.

3. Операционная система реального времени QNX

3.1 Операционная система QNX

QNX - операционная система реального времени, разработанная специально для высокоответственных приложений, бесперебойно функционирующих годами. Надёжность QNX обеспечивается её архитектурой - это настоящая операционная система на основе микроядра. В QNX ядром обрабатываются только базовые примитивы ОС (сигналы, таймеры, планирование). Все остальные компоненты: драйверы, файловые системы, стеки протоколов, прикладные приложения - выполняются вне пределов ядра как отдельные процессы, каждый в своём защищённом адресном пространстве. Такой подход автоматически обеспечивает системам на основе QNX «встроенную» отказоустойчивость.

Все компоненты QNX используют для общения друг с другом единый, чётко

детерминированный механизм - обмен сообщениями. Он образует между компонентами системы виртуальную «программную шину», позволяющую подключать к ней или, наоборот, отключать любой компонент «на лету». Сообщения могут свободно передаваться между узлами вычислительной сети, предоставляя прозрачный доступ к любому ресурсу, где бы он ни находился.

Использование QNX позволяет:

создавать системы, способные к самовосстановлению - в QNX любой компонент в случае отказа может быть перезапущен динамически, не нарушая работу микроядра и других компонентов. Например, если драйвер попытается обратиться к памяти за пределами своего адресного пространства (что для большинства ОС является фатальной ошибкой), QNX корректно завершит этот драйвер и освободит все занятые им ресурсы; использовать одну и ту же ОС во всей своей линейке программных продуктов - благодаря исключительной модульности QNX любые уже испытанные и проверенные компоненты: драйверы, приложения, дополнительные сервисы ОС - могут использоваться повторно в других продуктах. Фактически универсальный набор бинарных модулей может применяться как в однопроцессорном устройстве, так и в SMP_системе, и в вычислительном кластере; производить обновление системного программного обеспечения без остановки работы конечного устройства - поскольку любой компонент в QNX может быть добавлен или удалён динамически, система может продолжать работать даже в процессе замены или добавления в неё новых приложений, драйверов или стеков протоколов.

3.2Архитектура ядра системы QNX

Система QNX состоит из небольшого ядра (микроядра) и набора взаимодействующих процессов. Как показано на рис. 1, система не имеет иерархической структуры, ее организация скорее напоминает "спортивную команду", в которой игроки (процессы), имеющие равную значимость, взаимодействуют друг с другом и со своим "ведущим игроком" (ядром).

Рис. 1

3.2.1 Ядро системы QNX

Ядро является "сердцем" любой операционной системы. В некоторых системах на ядро возложено такое количество функций, что, по сути дела, оно само является полной операционной системой.

В системе QNX ядро является действительно ядром. Прежде всего, как и подобает ядру операционной системы реального времени, оно имеет небольшой размер_-_менее 8 Кбайт. На ядро системы QNX возложено выполнение только двух основных функций:

• передача сообщений (ядро реализует передачу всех сообщений между всеми процессами во всей системе);
• планирование (планировщик является частью ядра и подключается каждый раз, когда процесс меняет свое состояние в результате появления сообщения или прерывания).

В отличие от процессов само ядро никогда не планируется к выполнению. Управление передается ядру только в результате прямого вызова ядра либо из процесса, либо по аппаратному прерыванию.

3.2.2 Системные процессы

Все функции, выполняемые операционной системой QNX, за исключением функций ядра, реализуются стандартными процессами. В типичной конфигурации системы QNX имеются следующие системные процессы:

• Администратор процессов (Proc);
• Администратор файловой системы (Fsys);
• Администратор устройств (Dev);
• Сетевой администратор (Net).

3.3 Микроядро

Ядро операционной системы QNX, представленное на рис. 2, выполняет следующие функции:

• связь между процессами (IPC). Ядро обеспечивает три формы IPC (сообщения, proxy (прокси) и сигналы);
• сетевое взаимодействие нижнего уровня. Ядро передает все сообщения, предназначенные процессам на другом узле;
• планирование процессов. Планировщик ядра определяет, какой процесс будет выполняться следующим;
• первичную обработку прерываний. Все прерывания и сбои аппаратного обеспечения сначала обрабатываются в ядре, а затем передаются соответствующему драйверу или системному администратору.

4. Встраиваемая операционная система ON TIME RTOS – 32

4.1 RTOS-32

Встраиваемая операционная система реального времени

с Win32 совместимым API

· Полностью совместима с Microsoft Visual Studio и другими компиляторами

· Не требуются лицензии времени выполнения

· Доступность всего исходного кода

· Бесплатная оценочная версия

Компания On Time предлагает комплексное решение для высокопроизводительных встраиваемых систем, базирующихся на i386 совместимых платформах, - операционную систему жесткого реального времени RTOS - 32, которая имеет масштабируемую архитектуру и состоит из шести компонентов: RTTarget - 32, RTKernel - 32, RTFiles - 32, RTIP - 32, RTPEG - 32 и RTUSB - 32.

4.2 Архитектура RTOS-32

4.3 Компоненты архитектуры RTOS-32

Модуль RTTarget - 32 является основой RTOS - 32 и должен присутствовать во всех приложениях, разработанных на ее базе. Он включает все средства, необходимые для запуска 32-разрядных приложений во встроенной системе. RTTarget - 32 может выполнять одно 32-разрядное приложение, построенное Win32 совместимым компилятором. Он имеет загрузчик, инициализирующий аппаратуру и запускающий приложение. RTTarget-32 также поддерживает наборвызовов API Win32, позволяющий запускать программы, разработанные для консольного режима Windows NT. Этой эмуляции вполне достаточно для загрузки и выполнения программ, созданных обычными Win32 совместимыми компиляторами, без изменений или же с минимальными доработками. Таким образом,

RTTarget - 32 может рассматриваться как миниатюрное ядро Windows NT для встраиваемых систем, которое занимает не более 16 кбайт оперативной памяти. Другим преимуществом такой совместимости является возможность использования стандартных систем разработки приложений для NT, например, Inprise C++ и Delphi, MicrosoftVisualC++, WatcomC++, MicrosoftVisualStudio и других, способных создавать исполняемые файлы стандартного Win32 PE-типа. Возможна полная интеграция компонентов RTOS - 32 в Microsoft Visual Studio. При этом можно пользоваться встроенным отладчиком.

Модуль RTKernel - 32 - это библиотека диспетчеризации многозадачных систем реального времени. Компактный (16К кода и 6К данных) планировщик с поддержкой запуска динамических библиотек расширяет возможности программ, выполняемых на RTTarget - 32, и дополняет стандартные вызовы Win32 возможностью создания и управления потоками, семафорами, критическими секциями и другими свойствами, которыми наделены операционные системы жесткого реального времени: детерминированностью, реентерабельностью и приоритетностью. Планировщик RTKernel -32 работает в 15 раз быстрее, чем в Windows 95, и примерно в 5 раз быстрее, чем в NT.

Сетевая поддержка RTOS - 32 обеспечивается модулем RTIP - 32. Он позволяет одновременно обмениваться данными по нескольким каналам Ethernet и последовательным интерфейсам. Для RTIP - 32 необходимо использование RTKernel - 32. В стандартный комплект RTIP - 32 входит поддержка протоколов UDP, TCP, ARP, RARP, BOOTP, IGMP и ICMP. Дополнительно приобретаются модули поддержки протоколов PPP, FTP, TFTP, WebServer, POP3 Client, SMTPClient, TELNETClient/Server, SNMPAgent, DHCPClient/Server, SNTPClient, SMBClient/Server, WLAN.

Модуль файлового ввода-вывода RTFiles - 32 позволяет использовать стандартные функции работы с файловыми системами FAT-12, FAT-16 и FAT-32 и работать с любыми типами носителей - НГМД, НЖМД, флэш_дисков, статической памяти, USB-дисков (требуется RTUSB_32), CD_ROM и DVD. Нестандартное оборудование может поддерживаться через драйвер с простым интерфейсом. Поддержка жестких дисков до 2 терабайт, съемных дисков и «горячей» замены носителей позволяет использовать RTFiles с самым современным оборудованием.

Модуль RTPEG - 32 - графическая объектно-ориентированная библиотека для RTOS - 32. Включает в себя полный набор элементов управления для создания пользовательских интерфейсов в стиле Windows-приложений. При выполнении функций RTPEG - 32 никогда не блокируются прерывания, тем самым не прерываются процессы реального времени. Поддерживается многозадачный режим. Для работы с приложениями можно использовать мышь, сенсорный экран или клавиатуру. Имеется набор драйверов для различных VGA и SVGA/VESA графических адаптеров. Утилита WindowBuilder позволяет быстро создавать графические объекты RTPEG - 32, генерируя С++ код для инициализации всех созданных окон и обработки сообщений. Имеются дополнительные средства для создания шрифтов и для преобразования изображений различных форматов в массивы данных С++.

Модуль RTUSB - 32 — библиотека, реализующая стек

спецификации USB 1.1 и 2.0 для мастер-устройств. Включает в себя драйверы всех наиболее распространенных мастер-контроллеров (OHCI, UHCI, EHCI). Поддерживаются все стандартные режимы обмена, позволяющие использовать библиотеку как для обмена большими массивами данных, так и для обмена в режиме реального времени. Полностью поддерживается режим «включи и работай» и «горячее» подключение/отключение ведомых устройств. Возможны использование каналов DMA и доступ к периферийным устройствам на низком уровне. В комплект поставки входит набор драйверов типовых устройств: клавиатуры, мыши, принтера и т.д.

5. Вывод

В целом встраиваемая операционная система по возлагаемым на нее функциям практически не отличается от операционных систем персональных компьютеров и должна предоставлять следующие возможности:

• управление памятью (memory management);
• управление процессами (tasks management);
• интерфейс с периферийными устройствами (ввод/вывод, устройства хранения данных и т.п.);
• поддержка различных коммуникационных протоколов.

При этом если первые две функции выполняются ядром операционной системы, то интерфейс с устройствами и поддержку различных протоколов часто выносят в отдельные модули (своего рода аналоги драйверов), что повышает гибкость использования операционной системы.