為什么航天器、導(dǎo)彈喜歡用單片機，而不是嵌入式系統(tǒng)？

道哥的第 029 篇原創(chuàng)

• 一、前言

  
  

• 二、關(guān)于單片機與嵌入式系統(tǒng)之間界定

  
  

• 1. 單片機

  
  

• 2. 嵌入式系統(tǒng)

  
  

• 3. 嵌入式 Linux

  
  

• 三、非實時、軟實時、硬實時

  
  

• 四、x86 Linux 系統(tǒng)的調(diào)度策略

  
  

• 1. 為什么 Linux 系統(tǒng)是軟實時？

  
  

• 2. Linux 系統(tǒng)如何改造成硬實時？

  
  

• (1) RT-Preempt

  
  

• (2) Xenomai

  
  

• 五、RTOS 的優(yōu)勢

  
  

• 六、總結(jié)

  
  

一、前言

前幾天和一個在某研究所的發(fā)小聊天，他說：現(xiàn)在的航空、航天和導(dǎo)彈等武器裝備中，控制系統(tǒng)幾乎都是用單片機，而不是嵌入式系統(tǒng)。

乍一聽，和我們的直覺有矛盾啊：那么高大上的設(shè)備，其中的控制邏輯一定很復(fù)雜，不用嵌入式系統(tǒng)怎么來完成那么復(fù)雜的功能控制?。咳缓笞屑?xì)了解了一下，才明白答案是：安全 可控。

這篇文章我們就來聊一下關(guān)于單片機與嵌入式、操作系統(tǒng)與 RTOS 之間的那些事！通過這篇文章，讓你操作系統(tǒng)的實時性有一個系統(tǒng)、全面的理解！

二、關(guān)于單片機與嵌入式系統(tǒng)之間界定

說實話，關(guān)于它倆的區(qū)分，沒有人可以給出一個標(biāo)準(zhǔn)的、正確的答案。每個人理解的單片機與嵌入式系統(tǒng)，都是略有差別的。

拋開硬件，從應(yīng)用程序開發(fā)的角度來看，我是這樣來理解的：

單片機：可以直接使用狀態(tài)機來實現(xiàn)程序框架，也可以利用一些 RTOS(ucOS、FreeRTOS、vxWorks、RT-Thread)等來完成一些調(diào)度功能。

嵌入式系統(tǒng)：利用嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)以及一些變種來編寫應(yīng)用程序。

我知道自己的理解可能是不對的，至少不嚴(yán)謹(jǐn)、范圍狹隘，既然沒有標(biāo)準(zhǔn)答案，那姑且引用維基百科中的定義吧，畢竟概念是死的，更重要的是我們如何根據(jù)實際的需要來進行選擇。

1. 單片機

1. 單片機，全稱單片微型計算機（single-chip microcomputer），又稱微控制器單元 MCU（microcontroller unit）。
2. 把中央處理器、存儲器、定時/計數(shù)器、各種輸入輸出接口等都集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機。
3. 由于其發(fā)展非常迅速，舊的單片機的定義已不能滿足，所以在很多應(yīng)用場合被稱為范圍更廣的微控制器；

2. 嵌入式系統(tǒng)

1. 嵌入式系統(tǒng)（Embedded System），是一種嵌入機械或電氣系統(tǒng)內(nèi)部、具有專一功能和實時計算性能的計算機系統(tǒng)。
2. 嵌入式系統(tǒng)常被用于高效控制許多常見設(shè)備，被嵌入的系統(tǒng)通常是包含數(shù)字硬件和機械部件的完整設(shè)備，例如汽車的防鎖死剎車系統(tǒng)。
3. 現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)通常是基于微控制器（如含集成內(nèi)存和/或外設(shè)接口的中央處理單元）的，但在較復(fù)雜的系統(tǒng)中普通微處理器（使用外部存儲芯片和外設(shè)接口電路）也很常見。

3. 嵌入式Linux

1. 嵌入式Linux（英語：Embedded Linux）是一類嵌入式操作系統(tǒng)的概稱，這類型的操作系統(tǒng)皆以Linux內(nèi)核為基礎(chǔ)，被設(shè)計來使用于嵌入式設(shè)備。
2. 與電腦端運行的linux系統(tǒng)本質(zhì)上是一樣的，雖然經(jīng)過了一些功能上的裁剪，但是本質(zhì)上是一樣的，主要利用 Linux 內(nèi)核中的的任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理、硬件抽象等功能。

4. RTOS

1. 實時操作系統(tǒng)（RTOS），又稱即時操作系統(tǒng)，它會按照排序運行、管理系統(tǒng)資源，并為開發(fā)應(yīng)用程序提供一致的基礎(chǔ)。
2. 實時操作系統(tǒng)與一般的操作系統(tǒng)相比，最大的特色就是“實時性”，如果有一個任務(wù)需要執(zhí)行，實時操作系統(tǒng)會馬上（在較短時間內(nèi)）執(zhí)行該任務(wù)，不會有較長的延時。這種特性保證了各個任務(wù)的及時執(zhí)行。

三、非實時、軟實時、硬實時

首先要明白什么叫實時性？實時性考慮的不是速度、性能、吞吐量，而是確定性，也就是說：當(dāng)一個事件發(fā)生的時候，可以確定性的保證在多長時間內(nèi)得到處理，只要能滿足這個要求，就可以成為硬實時。比如：

操作系統(tǒng)1：當(dāng)中斷發(fā)生時，可以保證在 1 秒內(nèi)得到這里，那么它就是硬實時系統(tǒng)，雖然響應(yīng)時間長，但它是確定的；
操作系統(tǒng)2：當(dāng)中斷發(fā)生時，幾乎都可以在 1 毫秒內(nèi)完成，那么那就不能成為硬實系統(tǒng)，雖然響應(yīng)時間短，但是它不確定。

也看到有文章說：應(yīng)該取消軟實時這個模棱兩可的說法，要么是實時，要么是非實時！

操作系統(tǒng)包含的功能很多：任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理、文件管理等等，其中最核心的就是任務(wù)調(diào)度，這也是非實時、軟實時、硬實時的最大區(qū)別。

也就是說，衡量實時性的指標(biāo)就是：

1. 中斷延時：一個外部事件引發(fā)的中斷發(fā)生時，到相應(yīng)的中斷處理程序第一條指令被執(zhí)行時，所經(jīng)過的時間；
2. 任務(wù)搶占延時：當(dāng)一個高優(yōu)先級的任務(wù)準(zhǔn)備就緒時，從正在執(zhí)行的低優(yōu)先級任務(wù)中搶奪 CPU 資源所經(jīng)過的時間；

不同的操作系統(tǒng)，其任務(wù)調(diào)度機制也是不一樣的，而這個調(diào)度機制的策略，又是與實際的使用場景相關(guān)的。因此，并不存在哪個好、哪個不好這樣的說法，合適的就是最好的！

比如：我們的桌面系統(tǒng)，需要考慮的是多任務(wù)、并發(fā)，需要同時執(zhí)行多個程序，哪個程序慢一點，用戶無所謂，甚至覺察不到；但是對于一個導(dǎo)彈控制系統(tǒng)，當(dāng)一個外部傳感器輸入信號，觸發(fā)一個事件時，對應(yīng)的處理必須立刻執(zhí)行，否則耽擱 1 毫秒，結(jié)果可能就是差之千里！

四、x86 Linux 系統(tǒng)的調(diào)度策略

我們?nèi)粘Ｊ褂玫?PC 機，它的主要目標(biāo)是并行執(zhí)行多任務(wù)，強調(diào)的是吞吐率(盡可能多的執(zhí)行很多應(yīng)用程序的代碼)，因此，采用的是分時操作系統(tǒng)，也就是每個任務(wù)都有一個時間片，當(dāng)一個任務(wù)分配的時間片用完了，就自動換出（調(diào)度），然后執(zhí)行下一個任務(wù)。

我們平常在寫 x86 平臺上寫普通的客戶端程序時，很少需要指定應(yīng)用程序的調(diào)度策略和優(yōu)先級，使用的是系統(tǒng)默認(rèn)的調(diào)度機制。反過來說，也就是在某些需要的場合下，是可以設(shè)置進程的調(diào)度策略和優(yōu)先級的。

例如在 Linux 系統(tǒng)中，可以通過 sched_setscheduler()系統(tǒng)函數(shù) 設(shè)置 3 種調(diào)度策略：

1. SCHED_OTHER: 系統(tǒng)默認(rèn)的調(diào)度策略，計算動態(tài)優(yōu)先級（counter 20-nice），當(dāng)時間片用完之后放在就緒隊列尾；
2. SCHED_FIFO: 實時調(diào)度策略，根據(jù)優(yōu)先級進行調(diào)度，一旦占用CPU就一直執(zhí)行，直到自己放棄執(zhí)行或者有更高優(yōu)先級的任務(wù)需要執(zhí)行；
3. SCHED_RR: 也是實時調(diào)度策略，在 SCHED_FIFO 的基礎(chǔ)上添加了時間片。在執(zhí)行時，可以被更高優(yōu)先級的任務(wù)打斷，如果沒有更高優(yōu)先級的任務(wù)，那么當(dāng)任務(wù)的執(zhí)行時間片用完之后，就會查找相同優(yōu)先級的任務(wù)來執(zhí)行。

1. 為什么 Linux 系統(tǒng)是軟實時的？

可能有小伙伴會有疑問：既然 Linux 系統(tǒng)中提供了 SCHED_FIFO 基于優(yōu)先級的調(diào)度策略，為什么仍然不能稱之為真正的硬實時操作系統(tǒng)？這就要從 Linux 的發(fā)展歷史說起了。

Linux 操作系統(tǒng)在設(shè)計之初，就是為了桌面應(yīng)用而開發(fā)的，在那個時代，多個終端(電傳打字機和屏幕)連接到同一個電腦主機，需要處理的是多任務(wù)、并行操作，并不需要考慮實時性，因此，在 Linux 內(nèi)核中的一些基因，嚴(yán)重影響了它的實時性，例如有如下幾個因素：

(1) 內(nèi)核不可搶占

我們知道，一個應(yīng)用程序在執(zhí)行時，可以在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)執(zhí)行(當(dāng)調(diào)用一個系統(tǒng)函數(shù)，例如：write 時，就會進入內(nèi)核態(tài)執(zhí)行)，此時任務(wù)是不可搶占的。

即使有優(yōu)先級更高的任務(wù)準(zhǔn)備就緒，當(dāng)前的任務(wù)也不能立刻停止執(zhí)行。而是必須等到當(dāng)前這個任務(wù)返回到用戶態(tài)，或者在內(nèi)核態(tài)中需要等待某個資源而睡眠時，高優(yōu)先級任務(wù)才可以執(zhí)行。

因此，這就很顯然無法保證高優(yōu)先級任務(wù)的實時性了。

(2) 自旋鎖

自旋鎖是用于多線程同步的一種鎖，用來對共享資源的一種同步機制，線程反復(fù)檢查鎖變量是否可用。由于線程在這一過程中保持執(zhí)行，因此是一種忙等待。一旦獲取了自旋鎖，線程會一直保持該鎖，直至顯式釋放自旋鎖。

自旋鎖避免了進程上下文的調(diào)度開銷，因此對于線程只會阻塞很短時間的場合是有效的，也就是說，只能在阻塞很短的時間才適合使用自旋鎖。

但是，在自旋鎖期間，任務(wù)搶占將會失效，這就是說，即使自旋鎖的阻塞時間很短，但是這仍然會增加任務(wù)搶占延時，讓調(diào)度變得不確定。

(3) 中斷的優(yōu)先級是最高的

任何時刻，只要中斷發(fā)生，就會立刻執(zhí)行中斷服務(wù)程序，也就是中斷的優(yōu)先級是最高的。只有當(dāng)所有的外部中斷和軟終端都處理結(jié)束了，正常的任務(wù)才能得到執(zhí)行。

這看起來是好事情，但是想一想，如果有比中斷優(yōu)先級更高的任務(wù)呢？假如系統(tǒng)在運行中，網(wǎng)口持續(xù)接收到數(shù)據(jù)，那么中斷就一直被執(zhí)行，那么其他任務(wù)就可能一直得不到執(zhí)行的機會，這是影響 Linux 系統(tǒng)實時性的巨大挑戰(zhàn)。

(4) 同步操作時關(guān)閉中斷

如果去看 Linux 內(nèi)核的代碼，可以看到在很多地方都執(zhí)行了關(guān)中斷指令，如果在這期間發(fā)生了中斷，那么中斷響應(yīng)時間就沒法保證了。

2. Linux 系統(tǒng)如何改成硬實時？

以上描述的幾個因素，對 Linux 實現(xiàn)真正的實時性構(gòu)成了很大的障礙，但是現(xiàn)實世界又的確有很多場合需要 Linux 具有硬實時，那么就要針對上面的每一個因素提出解決方案。

目前主流的解決方案有 2 個：

1. 單內(nèi)核解決方案：給 Linux 內(nèi)核打補丁，解決上面提到的幾個問題，例如：RT-Preempt;
2. 雙內(nèi)核解決方案：在硬件抽象層之上，運行 2 個內(nèi)核：實時內(nèi)核 Linux 內(nèi)核，它們分別向上層提供 API 函數(shù)，例如：Xenomai;

這 2 種解決方案分別有不同的實現(xiàn)，從調(diào)研情況來看，RT-Preempt 和 Xenomai 是使用比較多的，下面分別來看一下他們的優(yōu)缺點。

（1）RT-Preempt

這種方式主要是對 Linux 內(nèi)核進行打補丁，解決了上面所說的幾個問題：內(nèi)核不可搶占、自旋鎖、關(guān)中斷以及終端優(yōu)先級的問題。

至于每一個問題是如何解決的，由于篇幅關(guān)系，這里就不介紹了，感興趣的小伙伴如果需要的話，可以深入了解一下。

由于是直接在 Linux 內(nèi)核上打補丁(以后肯定會合并到主分支中的)，因此對于應(yīng)用程序開發(fā)來說，操作系統(tǒng)向上層提供的 API 接口函數(shù)可以保持不變，這對應(yīng)用程序開發(fā)來說是一件好事情。

（2）Xenomai

Xenomai是一個 Linux 內(nèi)核的實時開發(fā)框架，它希望通過無縫地集成到 Linux 環(huán)境中來給用戶空間應(yīng)用程序提供全面的，與接口無關(guān)的硬實時性能。下面是 Xenomai 的架構(gòu)圖：

在硬件抽象層之上，是 2 個并列的域(內(nèi)核)，這 2 個內(nèi)核分別向上層提供自己的 API 接口函數(shù)。

圖中 glibc 是 Linux 系統(tǒng)提供的庫函數(shù)，應(yīng)用程序通過調(diào)用庫函數(shù)和系統(tǒng)調(diào)用來編寫程序。

Xenomai 也提供了相應(yīng)的庫函數(shù) libcobalt ，這個庫函數(shù)是需要我們在用戶層編譯、安裝的，就像安裝第三方庫一樣。

此外，Xenomai 還參考不同的操作系統(tǒng)風(fēng)格，提供了好幾套 API 函數(shù)(之前的說法是：皮膚)，API 接口函數(shù)在這里：

從圖中可以看到，Alchemy API 這套接口提供的功能更完善，提供了：定時器、內(nèi)存管理、條件變量、事件、互斥鎖、消息隊列、任務(wù)(可以理解為線程)等 API 函數(shù)。這一套 API 函數(shù)中具體的功能與 POSIX 標(biāo)準(zhǔn)大體相同，在一些細(xì)節(jié)上存在一些差異。

由于 Xenomai 向應(yīng)用層提供的 API 函數(shù)是獨立的一套，因此，如果我們需要創(chuàng)建實時任務(wù)，那么就要調(diào)用這一套接口函數(shù)來創(chuàng)建任務(wù)，包括使用其中的一些資源(例如：內(nèi)存分配)。而且文檔中也提出了一些注意點，例如：某些資源不能在 Xenomai 與 Linux 系統(tǒng)之間混用。

五、RTOS 的優(yōu)勢

上面已經(jīng)說到，Linux 桌面系統(tǒng)的主要目標(biāo)是吞吐量，在單位時間內(nèi)執(zhí)行更多的代碼。

但是對于單片機來說，首要目標(biāo)不是吞吐量，而是確定性，因此衡量一個實時操作系統(tǒng)堅固性的重要指標(biāo)，是系統(tǒng)從接收一個任務(wù)，到完成該任務(wù)所需的時間。也就是說，任務(wù)調(diào)度才是第一考量要素。

在單片機開發(fā)中，一般有 2 種編程模型：基于狀態(tài)機(裸跑)，基于 RTOS。

如果基于狀態(tài)機，就不存在任務(wù)調(diào)度問題了，因為只有一個執(zhí)行序列，所有的操作都是串行執(zhí)行的，唯一需要注意的控制流程就是中斷處理。

如果基于 RTOS，主要利用的就是任務(wù)調(diào)度，實現(xiàn)真正的硬實時。這方面最牛逼的就是VxWorks了，當(dāng)然價格也是非?？捎^的，有些公司購買之后，甚至?xí)殉?span>任務(wù)調(diào)度模塊之外的其他模塊全部重寫一遍，這也足以證明了 VxWorks 在任務(wù)調(diào)度處理上的確很厲害，這也是它的看家本領(lǐng)!

當(dāng)然，對于簡單、需要嚴(yán)格控制執(zhí)行序列的關(guān)鍵程序來說，使用有限狀態(tài)機的編程框架，一切都在自己的掌握中。只要代碼中沒有 bug，那么理論上，一切行為都是在控制之中的，這也是為什么很多軍事設(shè)備上使用單片機的原因！

六、總結(jié)

關(guān)于任務(wù)調(diào)度的問題，是一個操作系統(tǒng)的重中之重，其中需要學(xué)習(xí)的內(nèi)容還有很多，最近剛買了一本陳海波老師的新書，也就是華為的鴻蒙系統(tǒng)背后的靈魂人物。

如果有新的學(xué)習(xí)心得，再跟大家分享。

參考文獻：

https://linuxfoundation.org/blog/intro-to-real-time-linux-for-embedded-developers/
https://wiki.archlinux.org/index.php/Realtime_kernel_patchset
http://www.faqs.org/faqs/realtime-computing/faq/
https://xenomai.org/documentation/xenomai-3/html/README.INSTALL/

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