|
|
  |
Главная страница / Архитектура отрасли Встроенные операционные системы (ОС)Колоссальный прогресс микроэлектронной индустрии в последнее десятилетие не только изменил вычислительные машины и программное обеспечение к ним, но и существенно скорректировал саму парадигму их использования. Невиданная прежде дешевизна аппаратных ресурсов позволила превратить компьютер из инструмента обработки информации – орудия труда высококвалифицированных специалистов – в некое универсальное средство автоматизации бизнес-процессов и рабочих мест. Наращивание вычислительных мощностей сегодня зачастую обусловлено не только возрастанием интенсивности информационных потоков, но и модификациями интерфейсов прикладных программ и появлением новых методов визуализации и формирования отчетов. Свой вклад в возрастание вычислительных мощностей внесла и новая – телекоммуникационная – функция персональных компьютеров, придавшая им свойства интернет-терминалов. Кажется, разработчики программного обеспечения, несмотря на их заверения в обратном, уже никогда не начнут снова экономить процессорное время, оперативную память и дисковое пространство. То же относится и к операционным системам, разработчики которых, в погоне за универсальностью, реальной или мнимой, перегружают свои продукты драйверами сотен периферийных устройств и множеством функций, которые никогда не понадобятся большинству их пользователей. Однако в некоторых случаях важен не интерфейс и поддержка периферии, а нечто другое. Встроенные системы, управляющие реальными производственными процессами, распространены повсеместно в современном мире и образуют собственный, обширный и высокодоходный сегмент рынка высоких технологий. Встроенные (embedded) системы, как следует из их названия, являются «вычислительным ядром» промышленной автоматики любого рода, активного сетевого оборудования, POS и банкоматов, электронных бытовых приборов. Что отличает встроенные системы от «обычных», универсальных вычислительных систем? Прежде всего иной набор основных функций. Как правило, задача встроенной системы – не обработка и хранение информации, а ее получение, первичное накопление и выполнение функций управления. Не являясь самостоятельным устройством и будучи фактически одним из узлов «основного» изделия, встроенная система должна отвечать жестким критериям: высоконадежное, с исчезающе малым количеством отказов, выполнение основных функций, минимально возможный размер, минимальное и сбалансированное энергопотребление, как можно более низкое тепловыделение. Далеко не всегда встроенные системы конструируются модульными, гораздо чаще любая неисправность может вызвать демонтаж и замену всей системы. Узкоспециальное предназначение встроенных систем не означает, что для каждого устройства придется проектировать собственную встроенную систему. Существуют готовые и относительно недорогие решения, выполненные в виде плат, на которых смонтированы готовые компактные вычислительные системы, для которых, в свою очередь, производитех систем предлагают соответствующие BSP (Board Support Packages). Но даже такое решение зачастую оказывается избыточным: сегодняшний уровень развития производства микропроцессоров и DSP позволяет сконструировать работоспособную встроенную систему, производство которой обойдется в несколько долларов. Вообще, рынок встроенных систем как таковых более плюралистичен, нежели рынки персональных компьютеров или серверов. Это относится как к аппаратным архитектурам, использующимся для построения встроенных систем, так и к ОС и ПО для них. На современном рынке микроконтроллеров (MCU), которые являются ядром любой встроенной системы, сосуществуют решения от Motorola, Intel, Texas Instruments, ARM, NEC, Philips, Analog Devices, AMD, Hitachi и многих других компаний, причем свое применение находят и новейшие 32-разрядные RISC-решения, и хорошо себя зарекомендовавшие 8-разрядные микроконтроллеры, которые производятся и продаются уже в течение десятилетий. В мире встроенных систем продолжают цениться компактный, высокооптимизированный код ПО, экономия памяти и снижение энергопотребления. И сами встроенные системы, и программное обеспечение для них предназначены для функционирования годами, часто – в непрерывном режиме. Разработчики ОС для встроенных систем свободны от груза универсальности – от встроенных ОС требуется «всего лишь» своевременное и безошибочное выполнение только одной определенной задачи (или класса однотипных задач). Большинство ОС для встроенных систем – ОС реального времени. Это означает, что задачи должны выполняться в строго определенные временные интервалы. Необходимость такого режима очевидна, учитывая, что одна из основных сфер применения встроенных систем – автоматизация промышленного производства. Различают «мягкие» («гибкие») системы реального времени (например, системы обработки аудио- и видеоизображения), допускающие задержки (сбои) времени выполнения, и «жесткие» – в них сбои не предусмотрены, и все задачи выполняются точно в срок. Для встроенных систем существует множество ОС, BSP, ассемблеров, компиляторов, отладчиков и интегрированных инструментов разработчика (IDE): от бесплатно распространяемых до коммерческих, которые стоят тысячи долларов и имеют сложные схемы лицензирования. Среди производителей RTOS (real-time operating systems) есть, разумеется, и признанные лидеры. Один из них – компания Wind River (США), основанная в 1981 г. Ее RTOS VxWorks предназначена для работы со следующими аппаратными архитектурами: Motorola / IBM PowerPC®, Motorola ColdFire, Motorola 68K/CPU32, Intel® Pentium, Intel spanArm и XScale®, MIPS™, ARM, Hitachi SuperH™. Среди технологических преимуществ VxWorks – микроядерная архитектура, эффективный планировщик, поддержка стандарта POSIX (включая управление нитями pthreads), интерпретатор C в качестве шелла, высокая масштабируемость и высокоэффективные средства мониторинга. Ближайший конкурент Wind River – компания QNX Software Systems, существующая более 23 м встроенных систем свою RTOS QNX Neutrino, обещая удобство, масштабируемость и высокую эффективность. Среда разработчкика ПО QNX Momentics позволяет существенно ускорить разработку ПО, а значит, и выход продукта на рынок, с помощью большого количества BSPs и наборов разработчика драйверов. QNX Neutrino предназначена для работы на аппаратных архитектурах MIPS, PowerPC, SH-4, ARM, spanArm, XScale, и x86, имеется поддержка и для многочисленной периферии. Среди неоспоримых достоинств QNX Neutrino – поддержка многопроцессорных архитектур, функции автоматического исправления ошибок и восстановления после сбоев. Для платформ MIPS, x86 и PowerPC поддерживается адресация свыше 4 Гб. Микроядерная архитектура QNX Neutrino позволяет корректно обработать сбой любого модуля, даже драйвера, без остановки системы. Возможен даже апгрейд ОС без прерывания услуг! Разработчики QNX Neutrino сумели максимально использовать преимущества целостной модели IPC, предоставляя пользователям системы и разработчикам существенно сократить время отладки приложений и убытки от простоев. Поддерживаются дисковые файловые системы QNX POSIX, FAT (-12, -16 и -32), Ext2, iso9660; сетевые файловые системы NFS и CIFS и, разумеется, ROM/flash execute-in-place, linear flash, paged flash и ETFS (embedded transactional file system). Что особенно важно сегодня, в QNX Neutrino присутствует возможность использования стека TCP/IP, включая технологии IPv6 и IPSec. Хотя индустрии встроенных систем чужды маркетинговые потрясения и шумные рекламные кампании, характерные для отрасли IT в целом, ведущие игроки рынка высоких технологий полностью осознают важность этого сегмента, особенно в последние годы, когда миллионы людей становятся собственниками и активными пользователями миниатюрных и, как правило, узкоспециализированных систем, таких как мобильные телефоны, смартфоны, PDA, разнообразные встроенные вычислительные системы автомобилей, DVD-, MP3- и MPEG4-проигрыватели. Новейшие концепции компании Intel («Умный дом», «Интеллектуальная пыль» и т. д.) грозят наводнить жизнь современного человека встроенными системами. В публичных выступлениях руководителей Intel на последнем IDF заметно явное смещение акцентов: от «мегагерцевой гонки» к параллелизму, интеграции и снижению энергопотребления. Развитие свободно распространяемых RTOS, в первую очередь real-time версий Linux, открывает новые горизонты для разработчиков с небольшим бюджетом, которым необходима RTOS с низкой стоимостью, но широкими возможностями. В рамках обзорной статьи сложно осветить все аспекты развития рынка встроенных систем и ПО для них. Например, встроенные системы активного сетевого оборудования или многопроцессорные DSP – тема, требующая отдельного, детального рассмотрения. Однако даже из этого небольшого обзора читатель сможет сделать вывод о важности, активном развитии и большом будущем рынка встроенных систем. Главная страница / Архитектура отрасли |