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.

Когда Менеджер Памяти выделяет неперемещаемую порцию, он возвращает указатель на нее. Этот указатель сохраняет свое начальное значение все время существования порции. Когда Менеджер Памяти выделяет перемещаемую порцию, он возвращает ее манипулятор (handle). Манипулятор является номером элемента в Главной таблице указателей. Главная таблица указателей содержит указатели на порции. Поскольку обращения к перемещаемым порциям происходит через манипуляторы, ОС имеет возможность переместить порцию в памяти и изменить указатель на нее в Главной таблице, манипулятор же порции, которым оперирует приложение, не изменяется. Перемещение, однако, возможно только в те моменты, когда это "позволяет" приложение. Поскольку в системе не предусматривается аппаратное преобразование виртуальных адресов в реальные, для того, чтобы работать с данными памяти, приложение должно иметь указатель на данные. Системный вызов MemHandeLock фиксирует порцию в памяти, то есть запрещает ее перемещение. Этот вызов возвращает указатель на начало порции, через который приложение осуществляет доступ к данным порции. После окончания работы с данными приложение должно снять фиксацию с порции. ОС применяет перемещение порций для борьбы с фрагментацией памяти (внешними дырами). Процедура сжатия памяти вызывается всякий раз при нехватке памяти. Естественно, что чем больше порций будет зафиксировано в памяти, тем менее эффективна будет такая процедура. Поэтому эффективность управления памятью в значительной степени зависит от "грамотного" поведения приложения. В целях снижения фрагментации ОС выделяет память для перемещаемых порций в начале кучи, а для неперемещаемых - в конце кучи.

Каждая порция памяти имеет свой локальный (в пределах данной карты памяти) идентификатор. Для неперемещаемой порции этот идентификатор - ее смещение относительно начала карты, для перемещаемой - смещение относительно начала карты соответствующего ей элемента Главной таблицы указателей. Таким образом, обработка данных не зависит от того, в какой слот будет вставляться карта. Специальный системный вызов превращает номер слота и локальный идентификатор порции в указатель или манипулятор.

Каждая куча начинается с заголовка кучи, который содержит размер кучи и информацию о ее состоянии. Главная таблица указателей располагается сразу вслед за заголовком. Если размера таблицы недостаточно, выделяется память для ее расширения. Последнее поле таблицы содержит указатель на расширение. Таким образом может быть выделено сколько угодно расширений, и они связываются в однонаправленный линейный список. Расширения Главной таблицы указателей размещаются в конце кучи. Память, выделяемая для перемещаемых порций, находится сразу за Главной таблицей.

Заголовок кучи не подлежит изменению, поэтому куча может располагаться в ROM-памяти. Поскольку порции в ROM-памяти не могут быть перемещаемыми, Главная таблица кучи в ROM-памяти содержит 0 элементов.

Каждой порции памяти предшествует 8-байтный заголовок, в котором содержится признак свободной/занятой порции, размер порции, счетчик фиксаций и обратная ссылка на Главную таблицу указателей. Свободные участки памяти также имеют формат порций, таким образом, ОС может отследить все распределение памяти, начиная от первой порции и прибавляя к ее адресу размер. Каждая порция может быть зафиксирована в памяти до 16 раз, каждая новая фиксация просто прибавляет единицу к счетчику фиксаций, а снятие фиксации - вычитает единицу. Порция становится перемещаемой только, когда ее счетчик фиксаций обнулится. Для порций хранимой памяти счетчик фиксаций сразу устанавливается в максимальное значение и не уменьшается при попытках снять фиксацию.

Хранимые области памяти в Palm играют ту же роль, что файлы на внешней памяти в других вычислительных системах. Однако в отличие от "традиционных" вычислительных систем, в которых данные для обработки перемещаются в буфер в оперативной памяти, в PalmOS хранимые данные обрабатываются на месте, прямо в постоянной памяти. Работа с хранимыми данными обеспечивается Менеджером Данных, представляющим собой надстройку над Менеджером Памяти.

Данные хранятся в памяти в виде записей. Каждая запись представляет собой порцию памяти. Для выделения, освобождения, изменения размера записи Менеджер Данных обращается к Менеджеру Памяти. Логически связанные записи объединяются в базу данных, база данных является аналогом файла как именованная совокупность данных. Записи базы данных не обязательно располагаются в смежных порциях памяти, они могут быть даже рассредоточены по разным кучам в пределах одной карты памяти.

Каждая база данных имеет заголовок, в котором записано имя базы данных, количество записей в ней и другая управляющая информация. В заголовке же находится и план размещения базы данных, представляющий собой массив дескрипторов записей, входящих в базу. Если весь массив не помещается в заголовке, то последний его элемент содержит указатель (локальный идентификатор) продолжения списка. Каждый дескриптор записи представляет собой 4-байтную структуру, в первом байте которой находятся атрибуты записи (признаки: защиты, удаления, изменения, занятости), а в оставшихся трех - локальный идентификатор - адрес записи.

API Менеджера Данных представляет собой как бы "гибрид" традиционного файлового API и API памяти. Для того, чтобы работать с базой данных, приложение должно сначала ее "найти" - по символьному имени базы данных определить ее идентификатор (локальный идентификатор заголовка базы данных). Это обеспечивается специальным системным вызовом DmFindDatabase(). Затем база данных открывается, при этом в динамической куче создается для нее структура данных - аналог дескриптора открытого файла. С открытой базой данных приложение может работать. Основной системный вызов доступа к данным - DmGetRecord() - возвращает указатель на данные записи с заданным номером, выборка и изменение данных записи производится через этот указатель.

Особый вид базы данных называется ресурсом. Ресурсы служат для хранения специальных данных - программных кодов, изображений, интерфейсных элементов и т.д. Структура ресурса отличается от структуры обычной базы данных только тем, что дескриптор записи ресурса имеет размер 10 байтов, два дополнительных байта описывают свойства ресурса. Еще одна надстройка над Менеджером данных - Менеджер Ресурсов - обеспечивает работу с этой дополнительной информацией. API Менеджера Ресурсов функционально аналогичен API Менеджера Данных.

Кроме того, PalmOS обеспечивает интерфейс файлового потока. При использовании этого API хранимые данные представляются в виде потока байтов, не разделенного на записи. Ограничение 64 Кбайт на размер порции отсутствует. Системные вызовы этого интерфейса (FileOpen(), FileClose(), FileRead(), FileWrite(), etc.) аналогичны функциям стандартной библиотеки языка C. Файловый поток является только интерфейсной надстройкой, с одними и теми же данными можно работать и как с файловым потоком, и как с базой данных.

Расширения и файловая система

Начиная с версии 4.0, PalmOS содержит единообразную поддержку новых карт, которые могут расширять возможности PDA. В предыдущих версиях карты, вставляемые в слоты расширения, должны были обязательно соответствовать спецификациям памяти Palm и рассматривались OS как дополнительная память. В слоты расширения могут вставляться:

карты RAM-памяти (не обязательно соответствующие спецификациям Palm), содержащие приложения и данные к ним или используемые для специальных целей (например, для создания архивных копий);

карты ROM-памяти (не обязательно соответствующие спецификациям Palm), содержащие приложения и данные к ним;

карты ввода-вывода для специальных устройств (например, модема);

комбинированные карты, содержащие как возможности ввода вывода, так и RAM и ROM-память.

Новая версия ОС рассматривает все эти карты расширения как вторичную память и обеспечивает единообразную работу с ними. Основными компонентами архитектуры расширения PalmOS являются:

драйверы слота;

файловые системы;

Менеджер Виртуальной файловой системы (VFS);

Менеджер Расширения.

Драйвер слота аналогичен традиционному драйверу устройства, он инкапсулирует детали управления оборудованием карты расширения данного типа и предоставляет Менеджеру Расширения единый интерфейс для управления картами разных типов. Добавление поддержки нового аппаратного расширения требует включения в системную библиотеку нового драйвера слота.

Файловые системы аналогичны драйверам файловых систем в ОС с инсталлируемыми файловыми системами, они обеспечивают работу с конкретными файловыми системами ПК или других устройств. Обычно в PalmOS предустанавливается файловая система FAT, другие файловые системы могут быть добавлены при необходимости.

Менеджер VFS обеспечивает единый интерфейс системных вызовов (VFSFileOpen(), VFSFileClose(), VFSFileRead(), VFSFileWrite(), etc.) для всех файловых систем. Он обеспечивает также возможность работы с памятью на картах расширения с использованием API, подобного тому, который применяется для работы с базами данных в основной памяти.

Наконец, Менеджер Расширения обеспечивает отслеживание вставки/удаления карт расширения и управление драйверами слота.

Взаимодействие с пользователем

Три менеджера в составе PalmOS поддерживают взаимодействие с пользователем "по инициативе системы":

Менеджер Внимания (attention);

Менеджер Тревоги (alarm);

Менеджер Извещения (notification).

Менеджер Внимания отвечает за взаимодействие с пользователем в тех случаях, когда требуется привлечь его внимание. Этот менеджер обеспечивает выдачу сигнала пользователю (звуком, вибрацией, другими специальными эффектами), индикацию события, требующего внимания, на экране (в виде всплывающего окна или маленького индикатора события), управление со стороны пользователя списком таких событий.

Менеджер Тревоги посылает событие приложению при достижении определенного момента времени. Приложение затем может обратиться к Менеджеру Внимания, чтобы привлечь внимание пользователя.

Менеджер Извещения информирует приложения о наступлении некоторого события. Извещение получают те приложения, которые зарегистрировали свой интерес к данному событию. Приложение затем может обратиться к Менеджеру Внимания.

Пользовательский интерфейс PalmOS позволяет увеличить производительность, благодаря уменьшению навигации между окнами, открытию новых диалогов. Размещение структур управления приложением (меню, кнопки и т. д.) упрощено настолько, что пользователь может быстро и эффективно управлять ими. Всего интерфейс обеспечивает 10 основных управляющих структур: формы, диалоги, кнопки, триггеры, переключатели, ползунки, поля, меню, списки, линейки прокрутки. Система также дает возможность разработчикам создавать свои собственные компактные пользовательские интерфейсы размером 160x160 пикселов (размер экрана Palm).

Упрощение навигации достигается также за счет упрощения структуры каталогов VFS PalmOS. Пользователь в большинстве случаев просто не видит этой структуры, он видит на экране иконки доступных для запуска приложений. Эти приложения размещаются в каталоге \PALM\Launcher. Обеспечена автоматическая установка приложения в этом каталоге при добавлении новой карты. Имеется также возможность автоматического запуска приложения при вставке его карты в слот.

Хотя "девизом" PDA Palm и PalmOS является экономия ресурсов, существуют и PDA других фирм, также работающие под управлением PalmOS,которые предоставляют своим владельцам гораздо более широкие возможности, прежде всего - в части обработки мультимедийной информации (лидером в этом отношении, по-видимому, является фирма Cassio). "Карманная" работа с мультимедийной информацией является объективной тенденцией, и игнорировать ее фирма Palm не сможет. Возможно, в скором времени и облик PalmOS претерпит значительные изменения.

Похожие работы

Сравнительный анализ и оценка эксплутационных характеристик различных терминальных устройств информации в вычислительных системах

Скачать

129632

2

0

... , выдачей и приёмом лицензий). В условиях крупных сетей рекомендуется выделение под сервер лицензий отдельного компьютера (или нескольких - для резервирования). 1.1 Архитектура терминальных устройств В компьютерных технологиях трёхуровневая архитектура, синоним трёхзвенная архитектура (по англ. three-tier или Multitier architecture) предполагает наличие следующих компонентов приложения: ...

Сети, операционная система Netware

Скачать

116709

11

1

... ФС в разделе MS-DOS. Это конфигурационный файл в котором содержится информация о драйверах используемых в процессе запуска ФС. Пункт доступен супервизору или его эквивалентам. «Система учета» NetWare обладает очень гибкой системой учета ресурсов, предоставляемых в общее пользование. Используя данный пункт меню можно просмотреть, а так же имея определенные права настроить плату за использование ...

Системы управления базами данных

Скачать

41540

0

0

... числе на промышленных предприятиях, больше подходят клиент-серверные СУБД. Мы рассмотрим особенности таких распространенных СУБД, как Oracle и MS SQL Server. Глава 4. Язык SQL в системах управления базами данных SQL (англ. Structured Query Language — язык структурированных запросов) — универсальный компьютерный язык, применяемый для создания, модификации и управления данными в реляционных ...

Программа защиты объектов операционной системы Windows95, работающей в многопользовательском режиме под управлением сервера Novell NetWare

Скачать

111441

18

8

... ОС Windows 95, необходимость выбора тех конкретных объектов, к которым необходимо ограничить доступ. Настоящая работа посвящена разработке программы защиты объектов операционной системы WINDOWS95 работающей в многопользовательском режиме под управлением сервера Novell NetWare (Windows NT, Unix), позволяющей проводить защиту объектов ОС на уровне пользователя. Под защитой объектов ОС Windows 95 ...