49786 (Операционные системы "тонких" клиентов)

Глава 7. Операционные системы "тонких" клиентов

7.1 Карманные персональные компьютеры

Под "тонкими" клиентами понимают вычислительные устройства, обладающие неполной функциональностью. Вообще говоря, спектр таких устройств достаточно велик - от специализированных вычислителей, встраиваемых в бытовую аппаратуру, до "сетевых" компьютеров, обладающих практическими всеми аппаратными возможностями ПК, кроме жесткого диска. Мы в этой главе рассматриваем в основном класс тонких клиентов, называемых карманными персональными компьютерами или PDA - Personal Digital Assistant (персональный цифровой помощник). Такие устройства используются в качестве интеллектуальных органайзеров или/и в качестве мобильных устройств доступа к серверам информационных систем. По оценкам некоторых экспертов число мобильных клиентов во всем мире к 2003 г. достигнет 80 млн. Производство карманных ПК является перспективным направлением, и на этом направлении действует большое число фирм. Многие из них разрабатывают собственные ОС для своих PDA, однако многие используют и ОС от других производителей. Практически каждая фирма - производитель карманных ПК придает своей модели некоторые уникальные свойства, дающие ей какие-то конкурентные преимущества. Однако все многообразие карманных ПК, по-видимому, можно свести к двум типам: ПК без клавиатуры, ввод данных в которых - рукописный или с виртуальной клавиатуры, в обоих случаях - при помощи светового пера, и ПК с клавиатурой. Второй тип приближается к настольным ПК, в частности, в его функциональность включается и обработка мультимедийной информации. Первый тип беднее (точнее говоря, специфичнее) по функциональности, однако отличается меньшими размерами и энергопотреблением. Задача ОС для ПК первого типа - обеспечить максимальную экономию ресурсов, задача ОС для ПК второго типа - обеспечить максимальную функциональность. Среди универсальных ОС для карманных ПК первого типа лидирует PalmOS, для второго типа - Windows CE.

7.2 Операционная система PalmOS

Операционная система PalmOS [31] предназначена для управления PDA на базе микропроцессора Motorolla Dragon Ball VZ, за которыми закрепилось название PalmPilot (хотя правильное название их - просто Palm). Однако архитектура устройства Palm - открытая, и многие фирмы выпускают собственные PDA, подобные Palm, но с теми или иными отличиями - Sony, HandEra, Kyocera, Symbol и другие. Все эти PDA работают под управлением PalmOS.

Специфика функционирования приложений в PalmOS, а, следовательно, и самой PalmOS заключается в следующем:

малый размер экрана (160х160 точек) не позволяет приложению иметь сложный интерфейс; при проектировании интерфейса следует соблюдать баланс между информационной достаточностью и перегруженностью экрана;

приложение должно иметь простую и быструю навигацию, выбор требуемого действия должен производиться одной-двумя операциями пользователя, а не длинным диалогом, как бывает в настольных ПК;

ОС и приложения функционируют в условиях очень ограниченного объема ресурсов, прежде всего - памяти;

одним из важнейших требований является эффективное управление питанием.

ОС должна быть рассчитана на быстрый рост вычислительных возможностей - как собственных базовых возможностей PDA, так и расширения номенклатуры, возможностей и форматов подключаемых к PDA карт.

Обязательным компонентом платформы Palm является синхронизационная приставка (cradle), которая обеспечивает соединение с настольным ПК и синхронизацию данных, находящихся на ПК и на PDA. Многие приложения для PalmOS имеют аналоги для настольного ПК. Для синхронизации данных, разделяемых ПК и PDA, используется технология HotSync, которая предусматривает создание специальных каналов (conduit) для синхронизации данных. Существуют специальные инструментальные средства для программирования таких каналов, и многие популярные программные продукты (Netscape Communicator, Oracle, IBM DB2, etc.) имеют в своем составе такие каналы.

Архитектура PalmOS показана на рисунке 7.1.

PalmOS базируется на микроядре. Вокруг микроядра построены системные службы - менеджеры PalmOS, представляющие собой наборы модулей, обеспечивающих определенные функции. К таким менеджерам относятся, например:

Менеджер Graffiti - система рукописного ввода;

Менеджер Событий;

Менеджер Памяти;

Менеджер Данных;

Менеджер Ресурсов;

Менеджер Звука;

и т.д.

Библиотеки (системные или от других производителей) обеспечивают высокоуровневый доступ к системным функциям. Хотя для PalmOS и существуют стандартные библиотеки языка C, в системных библиотеках имеются собственные функциональные аналоги стандартных функций C, которые оптимизированы для PalmOS, поэтому их использование предпочтительнее.

Микроядро и управление задачами

Само микроядро не является собственностью фирмы Palm, используется микроядро AMX RTOS [13], разработанное фирмой Kadak. Микроядро AMX RTOS представляет собой микроядро реального времени, адаптированное для нескольких аппаратных платформ и приспособленное для размещения в ПЗУ. Микроядро обеспечивает вытесняющую многозадачность с абсолютными приоритетами. В каждый момент времени выполняется только задача с наивысшим приоритетом. Переключение задач может происходить

по инициативе самой задачи - задача переходит в состояние ожидания или запраштвает выполнение операции, вызывающей выполнение задачи с более высоким приоритетом;

по внешнему событию - прерыванию, обработка которого может запустить или "разбудить" задачи с более высоким приоритетом;

по событию таймера, которое также может "разбудить" задачи с более высоким приоритетом.

Микроядро AMX RTOS оптимизировано с целью минимизации времени переключения задач и минимизации нереентерабельных участков кода. Как правило, прерывания могут обрабатываться даже во время переключения задач. Служба обработки прерывания микроядра обеспечивает прием прерывания и вызов пользовательской процедуры обработки прерывания. AMX RTOS обеспечивает также вложенную обработку прерываний для тех аппаратных платформ, на которых вложенные прерывания поддерживаются процессором.

Микроядро обеспечивает также богатые средства синхронизации процессов:

события - события могут образовывать группы до 16 событий, и ожидаться может любая заданная конфигурация совершенности событий в группе;

семафоры - традиционные общие семафоры, используемые как счетчики ресурсов;

очереди сообщений - "почтовые ящики" (одна очередь) и "коммуникационные каналы" (4 очереди с разными приоритетами).

Также микроядро обеспечивает ряд сервисных функций, таких как выделение/освобождение памяти, работу с пулом буферов и работу со связными списками.

Микроядро написано на языке C и, следовательно, может быть реализовано для любой аппаратной платформы. Средства конфигурирования позволяют включать в микроядро только те функции, которые необходимы заказчику.

Микроядро само по себе обеспечивает вытесняющую многозадачность. Но по условиям лицензионного соглашения на использование микроядра API микроядра является закрытым, и разработчики не могут создавать программы, напрямую использующие функции микроядра, в том числе и многозадачность. Поэтому приложения PalmOS - однозадачные. В PalmOS в каждый момент времени может выполняться только одно приложение, имеющее доступ к пользовательскому интерфейсу, это приложение - главное, приоритетное. Параллельно с ним может быть запущено фоновое (не имеющее доступа к интерфейсу) приложение, которое получает процессорное время только, когда главное приложение бездействует. Поскольку главное приложение работает во взаимодействии с пользователем, фоновое приложение занимает почти все процессорное время, но оно немедленно прерывается, при появлении событий, требующих активизации главного приложения.

Обработка событий

Интерфейсные приложения PalmOS управляются событиями. Такое приложение представляет собой единственный цикл, каждая итерация которого начинается с получения очередного события. Системный вызов EvtGetEvent обеспечивает ожидание и прием события. Полученное событие передается ряду обработчиков в такой последовательности:

обработчик системных событий;

обработчик событий меню;

обработчик событий приложения;

обработчик диспетчеризации экранных форм;

обработчик экранных форм.

Если вызванный обработчик распознает событие как подлежащее его обработке, он эту обработку выполняет. В процессе этой обработки он может генерировать и направлять в очередь другие события. Если обработчик выполнил полную обработку события, то он возвращает true, и тогда приложение прерывает цепочку вызовов обработчиков. Алгоритм функционирования приложения, таким образом, выглядит примерно так, как показано на рисунке 7.2.

Рисунок 7.2 Обработка событий в приложении PalmOS

Управление энергопотреблением

PDA Palm являются рекордсменами среди устройств такого типа по низкому энергопотреблению, что обеспечивается. аппаратными средствами совместно с ОС. Это достигается наличием в PDA нескольких режимов энергопотребления и их управлением со стороны ОС. Режимы эти следующие:

Рабочий режим. В рабочем режиме процессор выполняет инструкции. Процессор и вся аппаратура ввода-вывода потребляют энергию в полном объеме. Типичное приложение, переводящее систему в рабочий режим, использует около 5% процессорного времени.

Ждущий режим. PDA выглядит включенным, процессорные часы активны, но инструкции не выполняютcя. Процессор работает на пониженном энергопотреблении. Когда процессор получает прерывание, он переходит из ждущего режима в рабочий. Также переключение происходит, когда пользователь начинает вводить информацию световым пером. PalmOS программно переводит устройство в ждущий режим в системном вызове EvtGetEvent, если очередь событий пуста. Поступление нового события начнется с прерывания, которое вернет PDA в рабочий режим.

Спящий режим. PDA выглядит выключенным: дисплей пуст, процессор неактивен, а главные часы остановлены. Активны только часы реального времени и генератор прерываний. PalmOS включает этот режим, когда нет активных действий пользователя в течение некоторого интервала времени или когда пользователь нажимает кнопку выключения. Вход из спящего режима происходит по прерыванию, например, если пользователь нажал на любую кнопку или сработали часы реального времени по заданной программе. Когда система получает одно из этих прерываний в спящем режиме, она переходит в рабочий режим.

Управление памятью и данными

Память является одним из наиболее критических ресурсов PDA, и в то же время - наиболее быстро наращиваемым. За время существования PDA Palm и PalmOS доступные объемы памяти в устройстве возросли от 512 Кбайт до 8 Мбайт. Память в устройстве Palm есть оперативная (RAM) и постоянная (ROM). Вся память расположена на карте памяти, на карте может размещаться как ROM, так и RAM-память или обе вместе. Содержимое обоих видов памяти сохраняется даже при "выключении" PDA (переводе его в спящий режим). Архитектура памяти Palm 32-битная. Каждой карте памяти отводится адресное пространство 256 Мбайт. ROM и RAM-память карты разбита на "кучи", размер каждой кучи - не менее 64 Кбайт. Деление памяти на кучи - условное, оно производится ОС и никак не отражается на аппаратной архитектуре памяти. В каждой куче содержится либо ROM, либо RAM-память, но не обе вместе. В RAM-памяти на внутренней карте памяти PDA реализована "динамическая куча". Фактически, это и есть оперативная память. В этой куче ОС размещает динамические данные: глобальные переменные, динамические системные области памяти, стек, кучу приложения и сами коды приложений, загружаемых из дополнительных карт. Размер динамической кучи зависит от объема памяти на внутренней карте PDA и от предустановленного программного обеспечения. Каждая куча имеет свой номер-идентификатор. Динамическая куча имеет номер 0. Эта куча инициализируется автоматически всякий раз при рестарте системы. Все другие кучи инициализируются собственными циклами переустановки.

Память распределяется порциями (chunk) переменной длины. Порция располагается в одной куче, выравнивается по границе 2-байтного слова и занимает непрерывную область памяти - от 1 байта до 64 Кбайт. Порции в RAM-памяти бывают динамическими или хранимыми, перемещаемыми или неперемещаемыми. Порции в ROM-памяти бывают только неперемещаемыми и хранимыми.

Управление памятью (прежде всего - динамической, перемещаемой памятью) ведется Менеджером Памяти ОС. Управление хранимой памятью ведется надстройкой над Менеджером Памяти, называемой Менеджером Данных.