提高實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能和可靠性策略

對(duì)很多嵌入式系統(tǒng)來說，一個(gè)設(shè)計(jì)良好的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以讓開發(fā)工程師把握系統(tǒng)執(zhí)行任何任務(wù)或響應(yīng)任何關(guān)鍵事件的時(shí)間，滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求。為了理解RTOS如何通過系統(tǒng)調(diào)度策略實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性要求，本文介紹了搶占式調(diào)度、可搶占的內(nèi)核、優(yōu)先級(jí)繼續(xù)和中斷處理等概念。

在設(shè)計(jì)工業(yè)控制系統(tǒng)或醫(yī)療設(shè)備時(shí)，大部分工程師和系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師會(huì)認(rèn)為采用RTOS是必需的。然而，網(wǎng)際路由器、車載娛樂系統(tǒng)和多媒體設(shè)備等普通應(yīng)用還需要采用RTOS嗎？像Linux或Windows這樣的通用操作系統(tǒng)是否就能勝任呢？通常，這些產(chǎn)品需要采用RTOS，但是這個(gè)問題經(jīng)常直到設(shè)計(jì)階段的后期才能意識(shí)到。

RTOS對(duì)于很多嵌入式系統(tǒng)來說不但是有益的，而且也是必要的，熟悉到這一點(diǎn)很重要。例如，一個(gè)播放如MPEG格式電影的設(shè)備，假如依靠軟件來實(shí)現(xiàn)其整個(gè)內(nèi)容傳輸，可能會(huì)出現(xiàn)用戶難以接受的高丟幀率。然而，通過使用RTOS，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師能夠準(zhǔn)確地控制軟件過程的執(zhí)行順序，從而保證按照給定的媒體速率進(jìn)行播放。上述大部分情況適用于用戶希望對(duì)輸入做出立即響應(yīng)的系統(tǒng)。通過RTOS，開發(fā)人員能夠保證由用戶的操作總能得到及時(shí)的響應(yīng)，除非一個(gè)更重要的操作必須首先執(zhí)行。

總之，一個(gè)好的RTOS支持開發(fā)人員控制系統(tǒng)執(zhí)行任何任務(wù)或?qū)θ魏沃匾录龀龇磻?yīng)的時(shí)間，并且能夠以一種可以猜測并且完全一致的形式滿足任務(wù)執(zhí)行的最終期限要求。但是，假如RTOS崩潰，這些最終期限就不能被滿足。因此，RTOS必須提供高度的可靠性。非凡是它必須提供在不需要重啟的情況下，從軟件故障中快速并智能恢復(fù)的機(jī)制。

搶占式調(diào)度

在像Linux這樣的通用操作系統(tǒng)中，在對(duì)線程和進(jìn)程的CPU占用上采用了“公平”調(diào)度策略。這樣的策略能夠提供良好的整體表現(xiàn)，但是不能保證高優(yōu)先級(jí)、對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格的線程將優(yōu)先于低優(yōu)先級(jí)的線程執(zhí)行。事實(shí)上，操作系統(tǒng)有時(shí)甚至?xí)袛喔邇?yōu)先級(jí)的線程來為低優(yōu)先級(jí)線程提供CPU時(shí)間。其結(jié)果可能造成對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格的線程很輕易地錯(cuò)過它們的最終期限，甚至在一個(gè)高速的高端處理器上運(yùn)行時(shí)也會(huì)出現(xiàn)這種情況。

而在RTOS中，線程按照其優(yōu)先級(jí)順序執(zhí)行。假如一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的線程預(yù)備運(yùn)行時(shí)，它將在一個(gè)短的、有限時(shí)間間隔內(nèi)從任何可能正在運(yùn)行的低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程接管CPU。另外，高優(yōu)先級(jí)的線程能夠不被中斷地運(yùn)行，直到它已經(jīng)完成了需要做的事情－當(dāng)然是在不被更高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程搶占的前提下。這種方法就是搶占式調(diào)度，保證了高優(yōu)先級(jí)線程始終滿足其最終期限，而不管有多少其它線程正在競爭CPU時(shí)間。

通過合理地控制線程優(yōu)先級(jí)，開發(fā)者能顯著地提高很多對(duì)用戶非常重要的應(yīng)用響應(yīng)速度。然而，控制優(yōu)先級(jí)可能是一把雙刃劍，當(dāng)使用不當(dāng)時(shí)它可能會(huì)潛在地導(dǎo)致低優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程不能得到CPU時(shí)間。保證高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程和線程的同時(shí)確保不會(huì)使其它進(jìn)程處于“饑餓”狀態(tài)的關(guān)鍵是要對(duì)它們的執(zhí)行進(jìn)行限制，通過對(duì)執(zhí)行進(jìn)行調(diào)整或在響應(yīng)加載的過程中進(jìn)行控制，開發(fā)人員能夠限制這些活動(dòng)消耗的CPU時(shí)間比例，并支持低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程獲得對(duì)CPU的共享。

優(yōu)先級(jí)控制能夠使很多應(yīng)用受益，包括像前面提到的媒體播放器。媒體播放器需要實(shí)現(xiàn)正常播放所要求的速率。在這種限制之下，一個(gè)讀線程和一個(gè)顯示線程可以被設(shè)計(jì)成依靠一個(gè)可編程的定時(shí)器來喚醒，緩沖或顯示一幀后進(jìn)入睡眠狀態(tài)，直到下一個(gè)定時(shí)觸發(fā)。這提供了一種調(diào)整機(jī)制，支持高于正常用戶活動(dòng)而又低于關(guān)鍵系統(tǒng)功能的優(yōu)先級(jí)設(shè)置。換句話說，假如沒有更重要的任務(wù)預(yù)備運(yùn)行，媒體播放將始終以給定的媒體速率執(zhí)行。

最壞情形

搶占式調(diào)度僅在高優(yōu)先級(jí)的線程在一個(gè)短的、有限時(shí)間段內(nèi)搶占低優(yōu)先級(jí)線程的情況下有效。否則，系統(tǒng)將不可能猜測要花費(fèi)多長時(shí)間來執(zhí)行一個(gè)給定的操作。因此，任何銷售進(jìn)程模式的RTOS的供給商都必須提供針對(duì)下面兩種時(shí)間間隔提供最壞情形：線程切換時(shí)間，即當(dāng)兩個(gè)線程處于同一進(jìn)程的情況下，從執(zhí)行一個(gè)線程的最后一條指令到執(zhí)行下一個(gè)被調(diào)度線程的第一條指令所經(jīng)過的時(shí)間；前后關(guān)系切換時(shí)間，其定義同上，但僅針對(duì)兩個(gè)線程處于不同進(jìn)程的情況。

可以將線程看作是最小的“執(zhí)行單元”，而將進(jìn)程看作是一個(gè)或多個(gè)線程的“容器”，進(jìn)程定義了線程將要在其中執(zhí)行的地址空間。顯然，最壞情形的前后關(guān)系切換時(shí)間將比最壞情形的線程切換時(shí)間要慢，盡管在一個(gè)好的RTOS設(shè)計(jì)中差別可能是微不足道的。

將所有的線程放在幾個(gè)大的進(jìn)程中將是錯(cuò)誤的，因?yàn)榫€程提供的切換速度更快。雖然線程能實(shí)現(xiàn)并行處理優(yōu)勢因而適合于某些設(shè)計(jì)，但將一個(gè)應(yīng)用分成多個(gè)內(nèi)存保護(hù)的進(jìn)程使得代碼更輕易調(diào)試，提供了更好的錯(cuò)誤隔離和恢復(fù)能力，并答應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行新功能的動(dòng)態(tài)升級(jí)。

可搶占的內(nèi)核

在大部分通用操作系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)的內(nèi)核是不可搶占的。其結(jié)果是，一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程不可能搶占一個(gè)內(nèi)核調(diào)用，而是必須等待整個(gè)調(diào)用完成，即使這個(gè)調(diào)用是由系統(tǒng)中的低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程發(fā)起的。另外，當(dāng)經(jīng)常在內(nèi)核調(diào)用中執(zhí)行的驅(qū)動(dòng)程序或其它系統(tǒng)服務(wù)代表一個(gè)客戶線程執(zhí)行的時(shí)候，所有的優(yōu)先級(jí)信息經(jīng)常會(huì)丟失，這導(dǎo)致了不可猜測的延遲并阻止了關(guān)鍵活動(dòng)的準(zhǔn)時(shí)完成。

而在RTOS中，內(nèi)核操作是可搶占的。盡管仍然會(huì)存在一些時(shí)間窗口，在這些時(shí)間窗口中可能沒有搶占，但是這些時(shí)間間隔應(yīng)該是相當(dāng)短暫的，通常在幾百納秒。另外，必須有一個(gè)關(guān)于搶占被推遲或中斷被禁止的時(shí)間上限，這樣開發(fā)者可以確定最壞情形下的等待時(shí)間。

為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，操作系統(tǒng)內(nèi)核必須盡可能簡潔，只有具有較短執(zhí)行路徑的服務(wù)才被包含在內(nèi)核中，任何需要大量工作的操作必須被安排到外部進(jìn)程或線程。這種方法有助于通過內(nèi)核確保最長的不可搶占代碼路徑具有一個(gè)時(shí)間上限。

優(yōu)先級(jí)繼續(xù)

然而，為一個(gè)進(jìn)程設(shè)定一個(gè)高優(yōu)先級(jí)并不總能保證該進(jìn)程能夠搶占低優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程。有時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)一種稱為優(yōu)先級(jí)倒置的狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，低優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程將在“無意中”阻止較高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程占用CPU。優(yōu)先級(jí)倒置可能會(huì)表現(xiàn)為幾種形式，為了防止發(fā)生這種情況，RTOS必須提供一種稱為優(yōu)先級(jí)繼續(xù)的功能。

假定系統(tǒng)有三個(gè)進(jìn)程：A，B，Z。這里Z是一個(gè)為A和B提供服務(wù)的“服務(wù)器”進(jìn)程。

現(xiàn)在假定A已經(jīng)請求Z來執(zhí)行一個(gè)計(jì)算，而在這期間，忽然B需要Z的服務(wù)。因?yàn)锽擁有比A更高的優(yōu)先級(jí)，一般會(huì)認(rèn)為Z將立即掛起A的請求并將轉(zhuǎn)向?yàn)锽服務(wù)。但是實(shí)際情況并非如此，因?yàn)閆比B具有更高的優(yōu)先級(jí)。其結(jié)果是，B不能阻止Z完成它當(dāng)前的工作，即對(duì)A做出響應(yīng)。

從效果上看，低優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程A占用了更高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程B的CPU時(shí)間，這是引入優(yōu)先級(jí)繼續(xù)的原因。通過使用RTOS提供的優(yōu)先級(jí)繼續(xù)機(jī)制，系統(tǒng)可以在A發(fā)出請求的情況下，讓Z繼續(xù)A的低優(yōu)先級(jí)。通過這種方式，B能夠在任何時(shí)候搶占A的請求。

假如一個(gè)應(yīng)用程序分布于幾個(gè)通過網(wǎng)絡(luò)連接的處理器，那么RTOS也應(yīng)該支持分布式優(yōu)先級(jí)繼續(xù)，這樣可以按照優(yōu)先級(jí)的順序處理來自多個(gè)處理器的請求。假如沒有優(yōu)先級(jí)繼續(xù)，一個(gè)多處理器系統(tǒng)可能會(huì)落入無限的優(yōu)先級(jí)倒置和死鎖中。

中斷處理

為了獲得對(duì)外部事件的及時(shí)響應(yīng)，最小化硬件中斷發(fā)生到執(zhí)行該中斷的第一條代碼的時(shí)間很重要。這個(gè)時(shí)間間隔稱為中斷延遲，為了保證中斷延遲盡可能小，一個(gè)好的RTOS應(yīng)該在幾乎所有時(shí)間內(nèi)都支持產(chǎn)生中斷。正如在關(guān)于內(nèi)核搶占部分提到的那樣，一些重要的代碼段的確需要暫時(shí)屏蔽中斷。這種最大的屏蔽時(shí)間通常被定義為最大的中斷延遲。

在某些情況下，硬件中斷處理器必須調(diào)度并運(yùn)行一個(gè)更高優(yōu)先級(jí)的線程。在這樣的情況下，中斷處理器將返回并指示一個(gè)事件將被處理。這樣的處理將引入了第二種形式的延遲－調(diào)度延遲，這個(gè)延時(shí)必須在設(shè)計(jì)中加以考慮。調(diào)度延遲是介于用戶的中斷處理器的最后一條指令和驅(qū)動(dòng)程序線程第一條指令的執(zhí)行之間的時(shí)間。

在一個(gè)嵌入式系統(tǒng)中可能會(huì)同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)硬件中斷。例如，在一個(gè)病人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中，當(dāng)一個(gè)傳感器記錄了病人心跳的一次變化并且網(wǎng)卡接收到網(wǎng)絡(luò)傳來的數(shù)據(jù)的同時(shí)，護(hù)士按了觸摸屏。很明顯，一些中斷應(yīng)該立即得到處理，而其他的則可以延緩。通過提供對(duì)嵌套中斷的支持，RTOS支持嵌入式系統(tǒng)優(yōu)先處理更高優(yōu)先級(jí)的中斷。

如何提高可靠性

我們已經(jīng)明白怎樣使RTOS具有可以猜測性，但是如何實(shí)現(xiàn)其可靠性呢？答案在很大程度上取決于RTOS的架構(gòu)。

例如在實(shí)時(shí)執(zhí)行模式架構(gòu)中，大部分或所有軟件組件都在一個(gè)單一的內(nèi)存地址空間中運(yùn)行，包括操作系統(tǒng)內(nèi)核、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序等。雖然很有效率，但這種架構(gòu)有兩個(gè)明顯的缺陷：在任何組件中的一個(gè)指針錯(cuò)誤，不論這個(gè)錯(cuò)誤多么細(xì)微，都可能破壞操作系統(tǒng)內(nèi)核或任何其它組件，導(dǎo)致不可猜測的行為和整個(gè)系統(tǒng)的崩潰；很難動(dòng)態(tài)修復(fù)或替換任何有故障的組件。在大多數(shù)情況下，出現(xiàn)這些問題時(shí)系統(tǒng)復(fù)位是唯一的選擇。

一些RTOS，也像Linux一樣，試圖通過使用單內(nèi)核架構(gòu)來解決這個(gè)問題。在這種架構(gòu)中，用戶的應(yīng)用程序在隔離的、受保護(hù)內(nèi)存地址空間中運(yùn)行。假如一個(gè)應(yīng)用程序試圖訪問其地址空間之外的數(shù)據(jù)，內(nèi)存治理單元將通知操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)可能會(huì)采取保護(hù)措施，例如終止出錯(cuò)進(jìn)程。然而，這樣的操作系統(tǒng)需要將大多數(shù)或所有驅(qū)動(dòng)程序、文件系統(tǒng)和其它系統(tǒng)服務(wù)綁定到內(nèi)核中。因此，任何組件中的一個(gè)錯(cuò)誤都可能帶來災(zāi)難性的內(nèi)核故障。

第三種方法是采用微內(nèi)核架構(gòu)來提供更精確的故障隔離，像QNXNeutrino這樣的操作系統(tǒng)都基于微內(nèi)核架構(gòu)。微內(nèi)核有兩個(gè)明確的特征：

在操作系統(tǒng)內(nèi)核中只實(shí)現(xiàn)了一個(gè)包含了基本OS服務(wù)的小內(nèi)核。包括驅(qū)動(dòng)程序、文件系統(tǒng)、協(xié)議棧和用戶應(yīng)用程序在內(nèi)的所有其它的組件在內(nèi)核外部分離的、保護(hù)內(nèi)存的進(jìn)程中運(yùn)行。有問題的系統(tǒng)服務(wù)不再作為孤立的故障點(diǎn)，而是在它破壞其它服務(wù)或操作系統(tǒng)內(nèi)核之前被終止并重啟。

所有的組件能夠通過消息傳遞進(jìn)行通信，一個(gè)定義良好的通信機(jī)制保障了程序在保持彼此安全隔離的前提下進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。適當(dāng)實(shí)現(xiàn)的消息傳遞也可以作為一個(gè)虛擬的“軟件總線”，答應(yīng)幾乎任何的軟件組件，甚至是一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序被動(dòng)態(tài)地加入或替換，對(duì)于必須提供連續(xù)服務(wù)的系統(tǒng)而言這是一項(xiàng)關(guān)鍵要求。

和傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)架構(gòu)相比，微內(nèi)核支持嵌入式設(shè)備贏得明顯更快的平均修復(fù)時(shí)間。例如，假如一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序失敗將可能出現(xiàn)以下情況：操作系統(tǒng)可以終止該驅(qū)動(dòng)程序，回收其正在使用的資源，并對(duì)其進(jìn)行重新啟動(dòng)，這個(gè)過程通常這只需要幾個(gè)毫秒時(shí)間。

盡管和傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)相比，基于消息傳遞的微內(nèi)核RTOS通常提供了更好的容錯(cuò)性和動(dòng)態(tài)升級(jí)能力，也有一些觀點(diǎn)認(rèn)為消息傳遞增加了開銷。在實(shí)際應(yīng)用中，假如實(shí)現(xiàn)正確，消息傳遞的性能可以接近底層硬件的內(nèi)存帶寬。例如，一個(gè)微內(nèi)核RTOS可以采用多段式消息和線程到線程的消息數(shù)據(jù)直接拷貝等各種技術(shù)，來確保系統(tǒng)性能可以達(dá)到傳統(tǒng)的進(jìn)程間通信方法的水平。由一些組織如DedicatedSystems等進(jìn)行的獨(dú)立測試證實(shí)，和傳統(tǒng)的RTOS相比，微內(nèi)核RTOS在一系列的實(shí)時(shí)指標(biāo)方面表現(xiàn)良好，在很多情況下甚至有更好的表現(xiàn)。

策略決策

RTOS有助于使一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)用程序具有可猜測性和可靠性。當(dāng)然，選擇一個(gè)合適的RTOS本身就是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，而RTOS的底層架構(gòu)是選擇的重要依據(jù)，此外還有一些其它因素，包括：

調(diào)度算法的靈活選擇。RTOS應(yīng)該支持調(diào)度算法的選擇、輪詢、零星調(diào)度等）并支持以線程為單位設(shè)定這些算法。這樣，工程師就可以不必將一個(gè)算法用到系統(tǒng)中的所有線程。

圖形用戶界面。RTOS使用的是原始的圖形庫還是能支持多層界面、多路顯示、3D渲染以及其它高級(jí)的圖形功能的真正的窗口系統(tǒng)？能很輕易定制GUI的外觀嗎？GUI支持同時(shí)顯示和輸入多種語言嗎？

遠(yuǎn)程診斷工具。因?yàn)閷?duì)很多嵌入式系統(tǒng)而言，中斷系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行檢測和維護(hù)是無法接受的。RTOS供給商應(yīng)該提供診斷工具，這些工具能夠在不中斷系統(tǒng)服務(wù)的前提下分析系統(tǒng)的行為。要尋找能提供代碼覆蓋、應(yīng)用測評(píng)、跟蹤分析和內(nèi)存分析工具的供給商。

開發(fā)平臺(tái)。RTOS提供商提供的開發(fā)環(huán)境是基于像Eclipse那樣的開放平臺(tái)，答應(yīng)工程師嵌入所喜愛的第三方工具來進(jìn)行建模、版本控制嗎？還是開發(fā)環(huán)境基于專利技術(shù)？

互聯(lián)網(wǎng)功能。RTOS支持預(yù)集成最新的IPvIPvIPsec、SCTP和具有NAT功能的IP過濾等協(xié)議棧套件嗎？它支持嵌入式網(wǎng)絡(luò)瀏覽器嗎？瀏覽器應(yīng)該具有可擴(kuò)展的封裝模式，并能夠在很小的屏幕上繪制網(wǎng)頁。它也應(yīng)該支持像HTML0XHTMLSSL0和WML3這樣的標(biāo)準(zhǔn)。

標(biāo)準(zhǔn)API。RTOS將你限定到專有的API之中了嗎？還是它對(duì)于像POSIX這樣的標(biāo)準(zhǔn)API提供了完全的支持，這使得將代碼移植到其它操作系統(tǒng)，或者從其它操作系統(tǒng)移植代碼變得更輕易？另外，所用的RTOS提供完全一致性的API還是僅僅支持被定義接口的一個(gè)子集？例如，POSIX.1的最新版本包含了大約1，300個(gè)接口。

多處理技術(shù)。RTOS能支持對(duì)稱多處理和分布式多處理技術(shù)來提高應(yīng)用性能和容量嗎？假如這樣，是必須重新設(shè)計(jì)你的應(yīng)用程序呢，還是RTOS能夠?qū)?yīng)用程序透明的分配到多個(gè)處理器上去呢？

8.源代碼工具包。RTOS供給商提供了能使RTOS滿足設(shè)計(jì)需求的具有具體文檔的定制工具包嗎？供給商提供了方便開發(fā)驅(qū)動(dòng)定制硬件的驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)工具包嗎？

9.對(duì)于很多公司而言，選擇一款RTOS是一項(xiàng)戰(zhàn)略性決策。RTOS供給商在對(duì)上述問題提供了清楚的回答后，你將選擇出一個(gè)在現(xiàn)在和將來都適合你的RTOS。