嵌入式實時操作系統(tǒng)最新進展

嵌入式實時操作系統(tǒng)保證了飛機、火車、汽車以及工廠設(shè)備的實時運行。一個嵌入式的核心就是確定性，它絕對保證了當接受到時鐘間隔或一個中斷信號時，系統(tǒng)可以正確的做出響應(yīng)。

但是如今只有這些還不夠，還要有安全性，保密性以及通訊范圍等要求。鑒于工業(yè)控制供應(yīng)商喬治亞州Norcross 的西門子能源和自動化公司（SEA）的經(jīng)驗，公司希望在其客戶的工廠內(nèi)配置一臺電腦。SEA負責工程軟件產(chǎn)品的產(chǎn)品市場部經(jīng)理 Kaczor說，工程師們很快發(fā)現(xiàn)一臺標準的辦公室用電腦并不能起作用。為了避免電腦有被撞壞以及被凍住的危險，他們決定使用。

然而，他們在選擇 時，很重要的一點就是看它是否還保留了辦公室電腦軟件的功能。“當我們選擇實時操作系統(tǒng)的時候，我們希望可以很方便地應(yīng)用我們的辦公室軟件?！盞aczor說。

比 具有更多的功能

如今RTOS必須可以與多種型號相連，并且滿足安全性和保密性的要求，實際上，它現(xiàn)在就像是一臺辦公室里的個人電腦。作為對這些需求的反應(yīng)，RTOS銷售商提供了更多的功能，這些要求對于內(nèi)存和的一些約束性施加了很大的壓力。幸運的是，RTOS可以進行“瘦身”，這樣就能保證功能的有足夠的地方?？匆幌卢F(xiàn)今的RTOS可以知道它在哪些地方進行了改變以迎合工業(yè)，自動化及控制領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用需求。

SEA 使用Ardence（一個在馬薩諸塞州Waltham的Citrix公司）公司RTX RTOS系統(tǒng)來一起制造其Simatic Microbox 420工業(yè)用電腦部件。RTOS 功能的拓展已經(jīng)超越了偶爾觀察RTOS 人的想象?！八麄兛粗@個東西，然后他們認為它是一個...，他們沒有意識到它的實際功能遠比 強大?！盞aczor 說。

另外一個額外的功能就是可連接性。PaulChen 是在加利福尼亞州Alameda 的RTOS 銷售商Wind River 公司的VxWorks 生產(chǎn)線經(jīng)理，他注意到，對于最新型的嵌入式實時操作系統(tǒng)來說，與外部世界相連是一個非常重要的功能需求。這包括一些用戶需要的技術(shù)如USB，工業(yè)以太網(wǎng)和無線通訊。最終用戶也希望有關(guān)的標準能對其安全性作出規(guī)定，這些標準諸如下一代因特網(wǎng)（），關(guān)于無線通訊的802.x 體系，關(guān)于移動通訊應(yīng)用的M 和M 以及 協(xié)議和 協(xié)議。

顧客引導著RTOS供應(yīng)商?！叭绻麑崟r操作系統(tǒng)軟件不能提供這些功能的話，我們的顧客可能自己編程來實現(xiàn)這些功能。”Chen 說。

高性能的閃存芯片的發(fā)展使得工業(yè)系統(tǒng)能夠放棄短壽命的硬盤并且用OPT來替代固態(tài)存儲器。來自西門子能源及自動化公司

而危險在于，如果最終用戶或原始設(shè)備制造商（）自己附加軟件有可能產(chǎn)生危險，如可能會對系統(tǒng)內(nèi)的行程安排軟件產(chǎn)生影響，而這個軟件是整個RTOS最重要的一部分用來確保整個系統(tǒng)的確定性。由于知道編碼，RTOS 的供應(yīng)商可以為他們的產(chǎn)品增加性能，而同時保留實時性。

這也同樣適用于安全與保密方面的功能。這項性能在機載系統(tǒng)，工業(yè)應(yīng)用以及醫(yī)用軟件中有需求，這些都寫在下面的規(guī)定中（這些規(guī)定都是三個字母的縮寫）：FAA DO-178B，IEC 61508, and FDA 510(k)。

增加的可連接性的功能使得嵌入式RTOS的功能更難實現(xiàn)，特別是它的安全性能。有種版本的安全性能原本是用于軍事方面的，以前這個版本對于不同的系統(tǒng)會有不同的安全性能等級。而如今人們需要試圖將所有等級的安全性能都放入一個硬件中，這就意味著硬件或軟件的集成信息將會變成最高機密。

安全性能的另外一個版本，雖然與任何一臺的辦公室電腦都很相似，然而程序可以錯誤的進入其他的存儲空間，然后外部的力量就可以攻擊它。

Chen 注意到了硬件的發(fā)展，在最先進的嵌入式RTOS內(nèi)的第三大驅(qū)動器可以幫助其避免類似問題。就拿一件事來說，半導體制造商正在往他們的芯片內(nèi)加入過程元素以便專用功能可以通過軟件來卸載。

其它的功能包括對安全性能的編碼和網(wǎng)絡(luò)病毒偵測的模式匹配。“專用的硬件通常比軟件運行的要快，因此RTOS軟件需要能夠支持協(xié)調(diào)不同的硬件引擎。”Chen 這樣說道。

他補充到，多核處理器現(xiàn)在對于嵌入式系統(tǒng)來說也變得可能了。由于將一個處理器變成多個相同的單元或內(nèi)核，微處理器制造商可以將升級周期大大加快，因此就能以低功耗完成高性能。因而，如果軟件支持多核處理器的話，嵌入式RTOS 可以從這些硬件中受益。

Robert Day(Lynuxworks公司在加州San 的市場部副經(jīng)理)，注意到先進的微處理器內(nèi)核供應(yīng)商非常注重內(nèi)存部分，他們使用磚結(jié)構(gòu)的劃分方式以保證每一個部分都是相互隔離的。這一概念也同樣可以延伸到使用小型RTOS 來作為一個超級監(jiān)控器以允許一個RTOS 及其應(yīng)用軟件在同一個儲存區(qū)間內(nèi)運行而同時非實時應(yīng)用軟件在其他區(qū)間運行。

作為RTOS 供應(yīng)商的，Dan Mender（加州Santa Barbara 的 Hills 軟件公司RTOS商務(wù)開發(fā)的主管）注意到如果使用相互隔離的內(nèi)核的話，對于他們來說要支付額外的錢。他說：“同樣的原理（互相隔離并且使得外來的攻擊只能影響到系統(tǒng)的一部分）也可以用來編寫系統(tǒng)，以防該系統(tǒng)出現(xiàn)由于不經(jīng)意的編程錯誤導致的安全性問題。”

必需品

除了需要支持并利用這些硬件的更新，一個RTOS 必須能夠滿足可連接性，保密性及安全性能的需求。然而，Day 很快指出軟件的一些其他功能也絕對是必須的。特別是必須有幾種形式的通訊方式，以便在多任務(wù)情況下可以立即運行一個應(yīng)用軟件，并且不影響到其他程序。

“大多數(shù)有多任務(wù)需要的應(yīng)用軟件都有幾種任務(wù)間通信的方法，如隊列法，信號量及Mutexs，后者對于應(yīng)用軟件來說尤為重要，因為它可以阻止優(yōu)先權(quán)倒置（即允許低優(yōu)先權(quán)的任務(wù)阻礙系統(tǒng)重要功能的運行）”Day 說道。

對于在工業(yè)自動化方面的應(yīng)用，Day 補充道，RTOS 應(yīng)該允許單調(diào)速率調(diào)度及時間和空間的分區(qū)。前者提供了一個報時鐘以便平均分配在每個窗口上的用時，而后者是保證重要任務(wù)可以得到一個時間常數(shù)窗口。

對于自動化應(yīng)用方面及設(shè)備，有一些通訊協(xié)議及特殊要求。由于其它的標準，如 和 可能就已經(jīng)足夠了，所以這些協(xié)議及特殊要求有可能并不需要。然而，如果用上這些協(xié)議的話會很有幫助。這些協(xié)議包括：控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（CAN），OPC，分布式通用對象模型（），無線通訊的工業(yè)無線局域網(wǎng)，Profinet或其他的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議及基于XML和協(xié)議（該協(xié)議組成了Web services 堆棧的基本層，為其提供一個基本的通訊框架以便可以創(chuàng)建更多的抽象層）的Web services。另外其他一些新的技術(shù)及標準，如無線通訊領(lǐng)域的ZigBee，已經(jīng)成為了RTOS的一部分。

Mark Hamilton（加州Santa 的中間件供應(yīng)商Real-Time Innovations 公司（RTI）的現(xiàn)場應(yīng)用工程師），給情報及軍事公司設(shè)計，開發(fā)及配置實時系統(tǒng)的有著相當豐富的經(jīng)驗。一個廣泛的可用協(xié)議范圍及其他的一些功能是很好的有時也是必須的，但是他提醒道對于加載一個RTOS 上的這些協(xié)議及功能的數(shù)量必須有個限制。

由于多功能已經(jīng)成為系統(tǒng)的一部分，因此現(xiàn)在需要注意的一點是哪個調(diào)度程序不可以簡單地運行軟件線程。在這種情況下，RTOS 的決定能力就會受到影響。那么系統(tǒng)的功能及操作與一臺臺式機就沒有什么兩樣了。

不出意料，他指出中間件可以通過應(yīng)用軟件間的通訊管理來避免這樣的問題。RTOS的這一功能可以使其通過其可連接性而不用通過提高調(diào)度程序的要求來卸載掉一些負載。中間件甚至可以對一些常見的問題提供現(xiàn)成的解決方法。

“中間件可以使得你系統(tǒng)中CPU 之間的數(shù)據(jù)移動變得可能，并且你不必擔心會需要寫很多的網(wǎng)絡(luò)代碼”Hamilton 說道。

這樣的卸載及分區(qū)功能除了調(diào)度程序的限制要求外還有個必須的理由。一個嵌入式RTOS 通常是使用在內(nèi)存及儲存器都是受到限制的情況下的。同時，由于設(shè)備都增加了新的功能，并且應(yīng)用的趨勢是功能的更多樣化。這樣的結(jié)果是RTOS 的存儲器的占用量在支持日益增長的設(shè)備功能的同時必須還維持在很小的占用量。

RTOS供應(yīng)商必須使用多種方法來滿足這兩個矛盾的要求。一個方法就是將最后的決定權(quán)放在開發(fā)者和最終用戶手上。RTOS 的最終配置是在搭建的時候增加一些或出去一些模塊來決定的，這樣就允許對功能與占用量之間的平衡進行細致的控制。這種方法就可以將潛在的節(jié)省變?yōu)楝F(xiàn)實。

比如，在開發(fā)及測試階段，用戶可能會選擇需要編程來顯示診斷信息。當開發(fā)完成，這些診斷信息可以刪除，這個有時候可能節(jié)省了占用量的百分比的兩位數(shù)。

一個必然的結(jié)論是模塊自身必須很小。這樣就能保證最終的搭建及RTOS本身可以集成。然而，通過仔細選擇適合的編程語言及編譯器也是為應(yīng)用軟件減肥的一種方法。這有可能使得應(yīng)用軟件的體積大幅度的減小。如美國國家儀器公司的LabView 的軟件，對于開發(fā)，集成及再使用都有現(xiàn)成的代碼可選，然后將RTOS 的設(shè)計面向翻譯：高海洋不同的目標。

由于RTOS 及應(yīng)用軟件占用空間的指示之間的相互作用，無論什么方法去讓其適應(yīng)這些限制到最后都將是在RTOS，應(yīng)用軟件，軟件工具及硬件的功能之間整合。Wilsonville 的電子自動化設(shè)計供應(yīng)商，Mentor 集團公司，的Nucleus Kernals 生產(chǎn)線的產(chǎn)品市場部經(jīng)理，Todd Brian，注意到?jīng)]有一個RTOS的供應(yīng)商是絕對獨立的。所有的的工作都在一個生態(tài)系統(tǒng)下進行，這個系統(tǒng)對于嵌入式RTOS 能否得到最佳的運行性能來說是至關(guān)重要的?！耙粋€供應(yīng)商需要合作伙伴一起集成在供應(yīng)商的操作系統(tǒng)內(nèi)。這樣的話，他們就不會被集成過程給束縛了。”Brian 說道。

這樣的整合對于RTOS供應(yīng)商及最終用戶來說是有利的，同樣也期待一個嵌入式RTOS和它的供應(yīng)商之間也有這樣的整合?！霸O(shè)備設(shè)計的復(fù)雜性的增長是如此之快，以至于軟件的開發(fā)遠遠跟不上其步伐。這樣軟件必須與其集成在一起這樣客戶可以不用由于軟件的原因而受到束縛”Brian 說道。

微軟在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用

對于普通版本的微軟Windows操作系統(tǒng)來說不太可能滿足制造業(yè)自動化及過程控制中固有的優(yōu)先權(quán)的要求。微軟已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這一問題并且已經(jīng)開發(fā)出了新的Windows版本來為了滿足嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中對于不同層面的尺寸，可測量性及功能性的各種要求。這些包括微軟Windows 嵌入式CE，嵌入式Windows XP 及Window Embedded for Point of 。