關(guān)于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的幾點(diǎn)解析

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，即（Real- operating ），是指當(dāng)外界事件或數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí)，能夠接受并以足夠快的速度予以處理，其處理的結(jié)果又能在規(guī)定的時(shí)間之內(nèi)來(lái)控制生產(chǎn)過(guò)程或?qū)μ幚硐到y(tǒng)作出快速響應(yīng)，并控制所有實(shí)時(shí)任務(wù)協(xié)調(diào)一致運(yùn)行的操作系統(tǒng)。

現(xiàn)今，許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)師都樂(lè)于選擇實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)()來(lái)進(jìn)行嵌入式項(xiàng)目的研究開(kāi)發(fā)。但是是否必要需取決于具體的應(yīng)用，不能一概而論。因此我們必須了解我們期望達(dá)到的目標(biāo)是什么，這才是RTOS的關(guān)鍵。

一般情況下，RTOS也可以在采用非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(non-RTOS)的場(chǎng)合進(jìn)行使用。但是問(wèn)題在于需要找一款具有完全相同應(yīng)用編程接口(API)的匹配RTOS，所以許多傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)(OS)在其內(nèi)嵌入了一個(gè)RTOS。例如，Lynux-Works LynxOS和Bluecat 共享一個(gè) API。LynxOS是一款硬RTOS，而B(niǎo)luecat是的一個(gè)衍生產(chǎn)品。

雖然Linux在持續(xù)努力改善其實(shí)時(shí)性能，但其最長(zhǎng)中斷時(shí)長(zhǎng)仍無(wú)法滿足硬實(shí)時(shí)要求，而這對(duì)RTOS來(lái)說(shuō)又是至關(guān)重要的。最后，這些矛盾都會(huì)歸結(jié)為服務(wù)質(zhì)量(QoS)。由于RTLinux 可提供硬實(shí)時(shí)級(jí)別的QoS，所以這樣的平臺(tái)能夠補(bǔ)充Linux。

在此必須要說(shuō)明的是：這一類(lèi)的補(bǔ)充通常是在原始OS上集成一個(gè)RTOS編程環(huán)境。而RTOS一般比傳統(tǒng)臺(tái)式或服務(wù)器OS小很多，RTOS常常針對(duì)更小和資源有限的MCU。例如，CMX的CMX-RTX和CMX-Tiny+可運(yùn)行在8位MCU到64位處理器上。8位處理器不斷增加的計(jì)算能力和存儲(chǔ)容量正使得RTOS對(duì)這些平臺(tái)具有更大吸引力。但是，通常16位或以上平臺(tái)才需要OS或RTOS，常見(jiàn)的RTOS選擇有 的ThreadX、Wind River的VxWorks、Micrium的uCOS-II、以及 Hills 的velOSity。MontaVista的Linux可在幾個(gè)微秒的水平上滿足16位和32位平臺(tái)的幾種不同需求要求。

RTOS的調(diào)度和分割是其核心所在

很多程序員不了解RTOS的限制與要求，大多選擇RTOS是因?yàn)槠湫阅?。RTOS產(chǎn)品不僅有代碼少、速度快的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在還提升了一致性。所以RTOS不但能非常迅速地完成任務(wù)，還可以保證任務(wù)完成的質(zhì)量。

在硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)里，不僅要求任務(wù)響應(yīng)要實(shí)時(shí)，而且要求在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成事件的處理，一個(gè)遲到的結(jié)果可能導(dǎo)致非常嚴(yán)重的后果，因此，人們寧愿在一個(gè)規(guī)定的時(shí)限內(nèi)獲得不夠理想的結(jié)果。而在這類(lèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，應(yīng)采用各種分析、模擬及形式化驗(yàn)證方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)，以保證在各種情況下應(yīng)用的時(shí)間需求和功能需求都能夠得到滿足。

一個(gè)硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)可能有一個(gè)一分鐘的固定周期時(shí)間，它要求的響應(yīng)時(shí)間為一秒。理論上，幾乎所有的操作系統(tǒng)都能夠?qū)崿F(xiàn)這個(gè)要求，但事實(shí)并非如此。

硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)通常具有更短的周期時(shí)間和更緊苛的響應(yīng)要求?？焖俚奶幚砥魉俣群投鄡?nèi)核平臺(tái)對(duì)改善響應(yīng)速度有著明顯的幫助。對(duì)于開(kāi)發(fā)工作人員，竅門(mén)在于把系統(tǒng)需求與硬件、軟件的使用匹配起來(lái)，其次才是RTOS在嵌入式中的應(yīng)用。

調(diào)度是指給定一組實(shí)時(shí)任務(wù)和系統(tǒng)資源，確定每個(gè)任務(wù)何時(shí)何地執(zhí)行的整個(gè)過(guò)程。在非實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，調(diào)度的主要目的是縮短系統(tǒng)平均響應(yīng)時(shí)間，提高系統(tǒng)資源利用率，或優(yōu)化某一項(xiàng)指標(biāo)；而實(shí)時(shí)系統(tǒng)中調(diào)度的目的則是要盡可能地保證每個(gè)任務(wù)滿足他們的時(shí)間約束，及時(shí)對(duì)外部請(qǐng)求做出響應(yīng)。

一個(gè)RTOS可以實(shí)現(xiàn)一系列調(diào)度策略，但應(yīng)用經(jīng)常會(huì)制約一個(gè)程序員的選擇(見(jiàn)表)。非優(yōu)先式調(diào)度(non-preemptive scheduling)的實(shí)現(xiàn)雖然不那么重要，但在一些應(yīng)用中也非常有用。所以，不應(yīng)該忽視非優(yōu)先式調(diào)度，特別在新型多內(nèi)核處理器出現(xiàn)以后。在新型多內(nèi)核處理器中，硬件可被調(diào)整到處理一個(gè)基于事件的操作，其中線程將等待外部事件的發(fā)生。該方法一般不適用處理多線程的單核處理器，但對(duì)多核系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，典型情況是為一個(gè)外設(shè)指定一個(gè)核。所以，在等待事件發(fā)生期間，使該核空閑起來(lái)是有意義的。另外，優(yōu)先式系統(tǒng)的頂部可以實(shí)現(xiàn)任務(wù)內(nèi)的非優(yōu)先式調(diào)度。

優(yōu)先式、中斷驅(qū)動(dòng)的RTOS架構(gòu)已經(jīng)占據(jù)了大部分已部署的平臺(tái)。雖然借助硬件手段(如多個(gè)寄存器組合、硬件調(diào)度、任務(wù)切換、以及分層中斷優(yōu)先級(jí)系統(tǒng)等)可顯著縮短中斷時(shí)長(zhǎng)，但該時(shí)長(zhǎng)永遠(yuǎn)是一個(gè)問(wèn)題。

優(yōu)先式處理會(huì)帶來(lái)若干問(wèn)題。它們大多是與時(shí)序關(guān)聯(lián)的，如競(jìng)爭(zhēng)條件、死循環(huán)、空耗等待和優(yōu)先級(jí)轉(zhuǎn)換。而程序員須解決的其它與時(shí)序關(guān)聯(lián)的問(wèn)題常常是難以定位和糾正的缺陷源。在定位這些缺陷時(shí)有價(jià)值的手段是跟蹤工具，因?yàn)檫@些問(wèn)題的唯一表現(xiàn)形式是諸如受阻的任務(wù)等癥候。

單看操作系統(tǒng)所需的特性，重入庫(kù)(reentrant library)特性在RTOS環(huán)境下是可有可無(wú)的。但在一個(gè)典型的操作系統(tǒng)中，由于任務(wù)和程序常常是隨機(jī)的和變化的，而且常公用庫(kù)，因此重入庫(kù)是一個(gè)必須的特性。

在嵌入式環(huán)境中，對(duì)在系統(tǒng)中運(yùn)行的程序和任務(wù)一般會(huì)有更多的控制要求。通常，除操作系統(tǒng)接口(可以是重入也可能是非重入的)外，各任務(wù)從不共享任何代碼。程序員(特別是那些負(fù)責(zé)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的)需要注意這一重入性問(wèn)題。

在MCU和操作系統(tǒng)中，器很常見(jiàn)。至少，一個(gè)器可被用作時(shí)鐘。但由于器是如此的有用，以至于它常以一種特殊方式實(shí)現(xiàn)出來(lái)。規(guī)范甚至把定時(shí)器定義為組件。定時(shí)器還可當(dāng)作看門(mén)狗來(lái)用。

在許多MCU中，一個(gè)定時(shí)器可以設(shè)置用來(lái)喚醒處在休眠模式的系統(tǒng)。一些實(shí)現(xiàn)允許操作系統(tǒng)把其用作一個(gè)通用定時(shí)器，盡管這一喚醒特性獨(dú)立于操作系統(tǒng)。

一些系統(tǒng)具有帶不同特性的多種定時(shí)器來(lái)滿足不同的要求。一些定時(shí)器可被同步用以為電機(jī)控制應(yīng)用提供同時(shí)的脈寬調(diào)制(PWM)流。對(duì)RTOS來(lái)說(shuō)，一個(gè)定時(shí)器通常可用以實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘和提供時(shí)間切片支持。時(shí)間切片常見(jiàn)于時(shí)間共享系統(tǒng)，它給每種應(yīng)用一個(gè)合理的時(shí)間片斷來(lái)執(zhí)行?？稍谌我恢袛鄬蛹?jí)上實(shí)現(xiàn)這種輪詢調(diào)度。

通常，由時(shí)鐘提供的時(shí)間切片是固定時(shí)長(zhǎng)的，每個(gè)任務(wù)在獲得優(yōu)先權(quán)前將被給予同樣長(zhǎng)度的時(shí)間切片來(lái)執(zhí)行。當(dāng)然，該策略是隨機(jī)的且可有多種實(shí)現(xiàn)。例如，可變的時(shí)間切片寬度將允許時(shí)間以每個(gè)任務(wù)為單位進(jìn)行分配，其中一些任務(wù)獲得的時(shí)間會(huì)比另一些長(zhǎng)；而若采用任務(wù)優(yōu)先級(jí)方法，則有可能使低優(yōu)先級(jí)任務(wù)得不到響應(yīng)。

許多RTOS采用固定調(diào)度器。其它RTOS則允許或定制，但RTOS中的另一部分支持各種策略。這一靈活方法使得像Linux這樣的操作系統(tǒng)能夠提供實(shí)時(shí)支持，與此同時(shí)，它們還能在時(shí)間切片環(huán)境下運(yùn)行多種應(yīng)用。實(shí)時(shí)任務(wù)具有高優(yōu)先級(jí)，且在一般用戶任務(wù)前得到執(zhí)行。

Linux實(shí)際上具有一個(gè)更復(fù)雜的調(diào)度系統(tǒng)，它對(duì)任務(wù)是通過(guò)輪詢方法把控制權(quán)轉(zhuǎn)交給具有相同優(yōu)先級(jí)的其它任務(wù)還是一直運(yùn)行到結(jié)束做出了具體約定。像 Kernel 的OKL4虛擬化RTOS平臺(tái)解決了該問(wèn)題。

基本通信

有一些文章把任務(wù)同步和通信分開(kāi)來(lái)說(shuō)，但實(shí)際上，它們是相同的，都是講信息是如何交換的?；谙鬟f的RTOS能夠最清楚地體現(xiàn)出這一點(diǎn)——消息系統(tǒng)處理所有通信且不區(qū)分通信和同步。

至少，RTOS必須提供一個(gè)相互排斥的本原，如互斥。其它東西可構(gòu)建在該本原上。在許多場(chǎng)合，如消息傳遞系統(tǒng)，對(duì)相互排斥的支持隱藏在操作系統(tǒng)內(nèi)。只有更高級(jí)別的消息功能顯露于外。

從管道到隊(duì)列，消息系統(tǒng)有各種各樣的名稱。其實(shí)現(xiàn)可以橫跨從單處理器、單存儲(chǔ)器模式到多內(nèi)核的群集系統(tǒng)。Enea的OSE RTOS和QNX的Neutrino是基于消息傳遞的兩個(gè)主線RTOS。

無(wú)論選擇了什么方法或API，在某種程度上，通信系統(tǒng)必須被整合進(jìn)操作系統(tǒng)。因此，若主動(dòng)隊(duì)列中的任務(wù)必須等待一個(gè)事件，則該任務(wù)可被移走。類(lèi)似，引發(fā)一個(gè)事件從而導(dǎo)致另一個(gè)任務(wù)活動(dòng)的任務(wù)將產(chǎn)生一個(gè)調(diào)度行為。

通信、事件和調(diào)度可與硬件關(guān)聯(lián)起來(lái)，這是RTOS必須處理的其它一些事。TI的DSP/是一款RTOS，它設(shè)計(jì)用于運(yùn)行在像TI的DaVinci雙核系統(tǒng)的DSP上。DSP/的一個(gè)主要功能是處理 ARM 核和DSP 核間的通信。

向更多大內(nèi)核的發(fā)展將很可能會(huì)保留RTOS或OS。不過(guò)，小內(nèi)核阻止或限制了采用RTOS的可能性。Intellasys的SEAforth 40C18芯片帶有40個(gè)運(yùn)行的小型18位內(nèi)核。指令非常精簡(jiǎn)，每個(gè)字包含四條指令。

每個(gè)內(nèi)核有64個(gè)字的 ROM和RAM，該芯片只能容納10,000指令。當(dāng)然，這只夠裝下一個(gè)程序，安裝RTOS是不可能的。不過(guò)，整個(gè)芯片上有足夠空間安裝一個(gè)操作環(huán)境的特定部分。同樣，適于該平臺(tái)的應(yīng)用常常是特定的。于是，由于硬件可處理內(nèi)核之間通信和任務(wù)調(diào)度，因此RTOS類(lèi)的支持并不需要。

資源管理

使RTOS脫穎而出的是其管理資源(包括時(shí)間和存儲(chǔ)器)的能力。時(shí)序問(wèn)題與中斷響應(yīng)時(shí)間有關(guān)，但資源管理時(shí)序問(wèn)題也會(huì)出現(xiàn)。雖然中斷解決了一系列時(shí)序問(wèn)題，但各應(yīng)用仍必須利用資源。

考慮存儲(chǔ)器分配情況。許多實(shí)時(shí)應(yīng)用不采用動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器分配，以確保存儲(chǔ)器分配和回收時(shí)所產(chǎn)生的不同不會(huì)變成一個(gè)問(wèn)題。需要?jiǎng)討B(tài)存儲(chǔ)器分配的應(yīng)用常把存儲(chǔ)器劃分為實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)。后者處理動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器分配。典型情況下，在使用前，實(shí)時(shí)部分必須被分配有足夠的存儲(chǔ)器。

在實(shí)時(shí)嵌入式應(yīng)用中采用C和C++是因?yàn)榇鎯?chǔ)器和其它資源的用法是顯式的。實(shí)時(shí)任務(wù)需要避免采用C和C++。特別是當(dāng)存儲(chǔ)器分配和回收更容易隱藏時(shí)，采用C++是很困難的。

像和C#這樣的語(yǔ)言帶來(lái)的挑戰(zhàn)更大，它們與生俱來(lái)地采用動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器分配。程序員可控制存儲(chǔ)器分配和回收。在某些情況下，編程環(huán)境可以強(qiáng)化存儲(chǔ)器分配和回收。

實(shí)時(shí)規(guī)范(RTSJ)定義了創(chuàng)建不需要垃圾回收的應(yīng)用的方法。RTSJ是在Java框架內(nèi)這樣做的，從而使程序員在不被存儲(chǔ)器分配限制的條件下享有Java的好處。

Sun和DDC-I都實(shí)現(xiàn)了RTSJ。DDC-I的實(shí)現(xiàn)支持x86和平臺(tái)。Aonix有一個(gè)稱為PERC的類(lèi)似平臺(tái)。這些平臺(tái)以實(shí)時(shí)、同時(shí)的垃圾回收為特征，從而使在不受存儲(chǔ)器分配限制的情況下，在Java內(nèi)編寫(xiě)實(shí)時(shí)應(yīng)用成為可能。

由于系統(tǒng)必須允許線程為垃圾回收器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以實(shí)時(shí)要求并非那么緊迫。另外，垃圾回收器將耗費(fèi)時(shí)序資源，所以，只有實(shí)時(shí)任務(wù)方可保證滿足一定的期限要求。相比而言，“快”并不是最重要的，“及時(shí)”才是RTOS的天條。

在考察實(shí)時(shí)平臺(tái)時(shí)，考慮因素之一是存儲(chǔ)器分配對(duì)系統(tǒng)的整體影響。許多系統(tǒng)可工作在從不改變的靜態(tài)分配環(huán)境，但更多的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)可從實(shí)時(shí)垃圾回收中獲益。研究表明，垃圾回收的效益與確定的存儲(chǔ)器分配這兩者是可比的。

圍繞諸如Java和C#等虛擬機(jī)類(lèi)型平臺(tái)的另一個(gè)問(wèn)題是對(duì)just-in-(JIT)編譯器的使用限制。基于這些系統(tǒng)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)必須采用類(lèi)似C和C++等所用的提前(ahead-of ，AOT)編譯器。

設(shè)計(jì)師會(huì)因其更高的生產(chǎn)力、更低的出錯(cuò)率以及安全性等特點(diǎn)選用Java 或C#。所以，對(duì)制定一個(gè)稱為 JSR-302的用于對(duì)安全有至高要求應(yīng)用的Java規(guī)范就不足為奇了。

RTOS的保護(hù)

RTOS會(huì)受到運(yùn)行的硬件平臺(tái)的限制。在這方面，可對(duì)缺少存儲(chǔ)器保護(hù)的硬件加以保護(hù)，但是安全級(jí)別在一定程度上會(huì)受到限制。不過(guò)存儲(chǔ)器和虛擬機(jī)可以更高水平的安全性支持引導(dǎo)。諸如SE Linux、 Hills Integrity和 LynuxWorks LynxSecure Embedded Hypervisor以及 LynxOS-SE RTOS內(nèi)的安全策略可比典型RTOS提供可靠得多的保護(hù)。但成本也高，所以開(kāi)發(fā)者需對(duì)此進(jìn)行權(quán)衡。

實(shí)時(shí)系統(tǒng)研究開(kāi)發(fā)者不得不應(yīng)對(duì)策略實(shí)現(xiàn)和邊界的問(wèn)題。取決于信息的來(lái)所去處，安全支持會(huì)花很長(zhǎng)時(shí)間。正是因?yàn)檫@個(gè)引入了分區(qū)系統(tǒng)，所以，可在邊界采取安全措施且把應(yīng)用的非實(shí)時(shí)部分放在這部分空間內(nèi)。

可感知OS的調(diào)試器

在考慮選用操作系統(tǒng)時(shí)，關(guān)鍵是對(duì)調(diào)試器的支持。這種支持主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：內(nèi)核和設(shè)備驅(qū)動(dòng)器的調(diào)試以及操作系統(tǒng)的感知。

內(nèi)核調(diào)試對(duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)器的創(chuàng)建和支持以及內(nèi)核強(qiáng)化非常重要。為處理RTOS的內(nèi)核，在很多情況下需要專用調(diào)試器。它也要求能理解內(nèi)核環(huán)境以及應(yīng)用環(huán)境。

OS感知可更深入地了解操作系統(tǒng)。支持方式可以是從提供有關(guān)OS服務(wù)狀態(tài)的信息到調(diào)整任務(wù)調(diào)度等方方面面。同樣，能感知OS的調(diào)試器可在停止其它應(yīng)用或線程的同時(shí)允許其它應(yīng)用或線程的運(yùn)行。