[学习参考]QNX体系结构白皮书

从1981产生至今，QNX 的体系结构与当前的形式基本上保持类似。QNX 4.x 有一个非常小的微内核(约为12K)，内核周边有一批协作进程，提供高层的 OS 服务．如今，QNX 广泛的用于那些实时性能、开发灵活性、网络灵活性为首要要求的应用。大量已安装的QNX系统证明微内核技术不仅经济上可行的而且适合关键性任务的应用，象过程控制、医疗器械、财政事务处理、数据通信、家用电器等等。事实上，这些应用对性能的需求是 QNX 发展的重要的推动力。
在网络上的每个计算机的进程管理器维护自身的前缀树，在每个节点上的进程可能看到的“网络范围路径名空间”可以是一致的也可以是不同的。以 / 开始的路径名的使用基于本节点的前缀树。也可得到网络上唯一的名字，这样就允许应用程序用此名字指定资源在网络范围路径名空间中的绝对位置。通过使用前缀别名( Proc 管理的在内存中的重映射表)，部分名字空间可以映射到网络上其他节点的资源管理器上。例如，一个从 LAN 上引导的无盘工作站希望拥有自己的以其他节点为根的文件系统，它就可以把自己的文件系统的根定义为一个远程的 Fsys 进程的别名。
QNX的体系结构白皮书
Байду номын сангаас
QNX的体系结构白皮书
Dan Hildebrand
QNX Software Systems Ltd.
(C) 2000, QNX Software Systems Ltd.
QNX, Photon microGUI, and Neutrino are registered trademarks, and IAT,FLEET, FTL, In-Hand, PhAB, Phindows, PhinX, Qnet, and Voyager are trademarks, of QNX Software Systems Ltd. All other trademarks belongto their respective owners.
在其他资源管理器执行之前，Proc “拥有”整个的路径名空间(根目录和其下面的所有东西)。如果没有其他的资源管理器出来提供服务，这基本上是一个空的文件系统。Proc 允许其他资源管理器通过一个标准的 API来接受其想管理的那一部分名字空间(拥有认证域)。Proc 响应并维护一个前缀树(prefix tree)来跟踪这些拥有各种各样的部分名字空间的进程。
(2)如果一个进程执行一个Receive() ，而此时没有等待处理的消息，此进程将被阻塞，直到其他进程执行一个 Send() 才被唤醒。
(3)因为这些基本操作(或原语)不经排队地直接在进程间拷贝数据，消息传送的性能接近底层硬件的内存带宽。
(4)在 QNX 中所有的系统服务都建立在消息传送的基本操作的基础上。
图 3. 多部分消息通过MX控制结构指定。微内核把它们组合进一个单一的数据流中。
在微内核中直接设计了一个用于网络通信的低层“挂钩”这个挂钩被一个称为网络管理器(在后面描述)的可选的进程所使用。当选了网络管理器时，网络管理器被连接到微内核，并把在局域网上的微内核之间移动消息所需要的设施提供给微内核。通过在这个在系统中最基础的层次上提供网络服务，任何在 OS 体系结构中更高层次上提供的服务都可以被在局域网任何地方的任何进程透明的访问。这种实现的性能是优异的，尤其是跨网络的用户层进程间递送近乎电缆的吞吐率。
译注：“优先级逆转指的是这样一种情形，低优先级的进程拥有高优先级所需要的资源，从而阻塞了高优先级的进程的执行”。
图2. 典型的"发送-接受-回应"事务涉及的状态 。
消息基本操作支持多块消息，这样一个从一个进程递送到另一个进程的消息不需要占用一块单一的连续的内存空间。实际上是，发送和接收进程可以指定一个 MX 表用来指示发送和接收的消息驻留在内存中的位置。这样就允许发送头部块和数据块分开的消息，而不用做消耗性能的复制的来生成一个连续的消息。除此之外，如果低层的数据结构是环状缓冲区，一个三部分的消息将被允许一个头和两个在环状缓冲区中区间不连贯的形式，并作为一个单一的原子的消息发送。提供给发送者和接收者的 MX 映射不必相同。
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摘要
体系结构：过去和现在
一个真正的微内核
资源管理和路径名空间管理
Fsys - 文件系统管理
Dev - 设备管理
网络服务 - FLEETTM 网络技术
可维护性
性能
结论
参考文献(不翻译)
附录A(不翻译)
附录B(不翻译)
摘要
本文提供了 QNX 4.x 实时操作系统(RTOS)的体系结构的概括性描述。它给应用提供了一个分布网络的，实时的环境，还提供了接近下层硬件所具有的所有能力的设备级的性能。实现这样的操作环境的 OS 体系结构包括一个实时微内核，周边的一系列可选的进程(叫做资源管理器)，这些资源管理器提供 Posix 和 UNIX 兼容的系统服务。通过在运行时包括或排除一些资源管理进程，开发者把QNX缩小成基于 ROM 的嵌入式系统，也可以放大到包含上百个处理器通过多种局域网技术连接起来的分布式系统。
在这些 IPC 基本操作之上的变体(例如消息队列)，业已轻松地作为使用这些低层服务的服务器实现了，用性能上的术语说，这 IPC 的变体是可以与单内核内实现的此类服务相比较的。
进程可以要求这些要求消息以优先级的次序递送(而不是以提交时间为次序)，在最高优先级执行的进程阻塞所有其他等待服务的进程。这种消息驱动的优先级机制巧妙的避免了优先级逆转。服务器进程被强制在它所服务的进程的优先级上执行，当然在一个更高的优先级进程在一个繁忙的服务器上阻塞时，服务器进程的优先级将自动的提高到适当级别。作为结果，一个低优先级进程，不能通过调用有更高优先级的服务器进程的服务的方式，来抢占高优先级进程的执行。
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在 QNX 中第一个和唯一必须的资源管理器是进程管理器(Proc)，它提供进程创建，进程记帐，内存管理，进程环境继承(对本地和网络远程进程都是)，路径名空间管理。第一级路径名由 Proc 管理的原因是在 QNX中文件系统是可选择的，而不象单体内核系统中文件系统总是存在。无盘和基于ROM 的系统可能不使用文件系统，所以不强制必须包括文件系统。
QNX 4.x 分布式环境透明地维持对 Posix 标准1003.1, 1003.2 (shell and utilities)的支持．和1003.1b(realtime)部分相容。要求完全相容的开发者请查阅 QNX Neutrino(R) OS 的资料。
体系结构：过去和现在
(4)本文档原文是 /literature/whitepapers/archoverview.html。
译序：
译者乃一介草莽，译文中存在疏忽错讹在所难免，祈望仁者指正。
寒蝉退士 2000年11月
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当一个文件系统管理器例如 Fsys(POSIX 文件系统管理器)和一个设备管理器例如 Dev 运行了，前缀树看起来可能象下面这样：
/ 基于磁盘的文件系统(Fsys)
/dev 字符设备系统 (Dev)
/dev/hd0 (Fsys)原始磁盘卷
/dev/null 空(Null)设备 (Dev)
QNX 的进程调度基本操作遵循 POSIX 1003.1b 标准的实时规范。QNX 提供了完整的、可抢先的、有优先级的环境切换，调度算法有：时间片轮转、FIFO、自适应调度。
资源管理和路径名空间管理
为了使微内核提供 POSIX 标准和 UNIX 惯例所定义的功能，可以增加被称为资源管理器的可选的进程。可以从微内核建立一个最小化的系统(比如没有文件系统和设备输入输出系统)，包括一个进程管理器，和一系列的应用程序进程。
在1989年，Posix 兼容的 QNX(4.0)版本的开发目标是把以前几代 QNX 的高性能和灵活性最大化。 本文详细描述此体系结构的特征，并讨论它的优点和局限，也包括将来开发的目标领域。
一个真正的微内核
QNX 微内核实现四种服务：进程间通信，低层网络通信，进程调度，中断派遣。微内核有少量的与这些服务有关的内核调用。总体上，这些功能粗略的占用了12K的代码，并提供实时执行的功能和性能(参见附录A)。很小的内核可以让有相当数量的片上 cache 的处理器为应用程序提供优异的性能，原因是微内核和系统中断处理的活跃部分可以很容易地放在大小合适的CPU 片上 cache 中。