您何時需要實時操作系統(tǒng)？

　　擴展實時操作系統(tǒng)以針對應用開發(fā)的需求

　　盡管使用通用操作系統(tǒng)在確定性環(huán)境中有缺陷，但使用它們還是有一些優(yōu)點的。這些優(yōu)點就包括支持廣泛使用的API，以Linux為例，其開源的模型。開源使得開發(fā)人員能夠根據(jù)應用需求來定義操作系統(tǒng)的組件，在解決問題時也能節(jié)省大量的時間。實時操作系統(tǒng)廠商不能不重視這點。所以對POSIX API(Linux以及各種類Unix系統(tǒng)使用的相同的API)的支持就是重要的第一步。因此要提供文檔清晰的源代碼和定制工具使得能夠滿足嵌入式開發(fā)人員的需求和設計挑戰(zhàn)。

　　實時操作系統(tǒng)的架構也發(fā)揮了重要作用。例如，與使用其他系統(tǒng)架構相比，基于微內(nèi)核設計的實時操作系統(tǒng)能從根本上簡化操作系統(tǒng)的定制過程。在微內(nèi)核實時操作系統(tǒng)中，只有少數(shù)核心基本對象(如信號、計時器、調(diào)度程序)才會存在于內(nèi)核中。所有其他組件——設備驅(qū)動程序、文件系統(tǒng)、協(xié)議棧、用戶應用程序，都會作為單獨、內(nèi)存受保護的進程在內(nèi)核外部運行(參見圖 5)。因此，開發(fā)定制的驅(qū)動程序和應用程序特定的操作系統(tǒng)擴展組件不需要專門的內(nèi)核調(diào)試工具或內(nèi)核專家。實際上，作為用戶空間程序，開發(fā)這種操作系統(tǒng)擴展組件和開發(fā)標準應用程序一樣容易，因為開發(fā)人員都能使用標準、源代碼級工具和技術對它們進行調(diào)試。

　　例如，如果設備驅(qū)動程序試圖訪問其進程空間之外的內(nèi)存，操作系統(tǒng)就能識別相關進程，指出故障位置并創(chuàng)建可使用源代碼級調(diào)試工具查看的進程轉(zhuǎn)儲文件。轉(zhuǎn)儲文件可包括調(diào)試程序確定導致故障的源代碼行所需的所有信息以及診斷信息(如數(shù)據(jù)項的內(nèi)容和函數(shù)調(diào)用的歷史)。

　　這種架構還提供了絕佳的故障隔離和恢復功能：如果驅(qū)動程序、協(xié)議?；蚱渌到y(tǒng)服務出現(xiàn)故障，它可在不影響其他服務或或損壞操作系統(tǒng)內(nèi)核的情況下完成這種操作。實際上，“軟件監(jiān)視程序”會持續(xù)監(jiān)測此類事件，并能以動態(tài)方式重啟出現(xiàn)故障的服務，無需重啟整個系統(tǒng)或以任何方式干擾用戶。同樣，驅(qū)動程序和其他服務都能以動態(tài)方式停止、啟動或升級，無需關閉系統(tǒng)?！　?/p>

圖 5. 在微內(nèi)核實時操作系統(tǒng)中，系統(tǒng)服務作為標準的用戶空間進程運行，
因而簡化了操作系統(tǒng)的定制任務。

　　絕不可小看這些優(yōu)勢——因為破壞實時性能的最大威脅就是不定期的系統(tǒng)重啟!甚至軟件更新中包含的以可控制的方式進行的預定重啟都會干擾系統(tǒng)運行。為保證一直滿足最后期限的要求，軟件開發(fā)人員必須使用即使在出現(xiàn)軟件故障或進行服務升級時，也能保持連續(xù)可用的操作系統(tǒng)。

　　戰(zhàn)略決策

　　實時操作系統(tǒng)能使復雜的應用程序變得可預測而且可靠;實際上，實時操作系統(tǒng)實現(xiàn)的精確時間控制，就是通用操作系統(tǒng)無法提供的可靠功能。(如果基于通用操作系統(tǒng)的系統(tǒng)由于計時錯誤而無法正常運行，我們可以合理認為該系統(tǒng)不可靠。)選擇正確的實時操作系統(tǒng)本身仍然是一項復雜的任務。實時操作系統(tǒng)的底層架構是重要標準，而其他因素也不例外。具體包括：

• 調(diào)度算法的靈活選擇——實時操作系統(tǒng)支持調(diào)度算法選擇(先入先出 [FIFO] 調(diào)度、循環(huán)調(diào)度、偶發(fā)調(diào)度等)嗎?開發(fā)人員能根據(jù)每個線程分配這些算法嗎?或者實時操作系統(tǒng)要求他針對系統(tǒng)中的所有線程分配一種算法嗎?
• 時間分區(qū)——實時操作系統(tǒng)支持能為進程提供有保證的 CPU 周期預算的時間分區(qū)嗎?這種保證簡化了對多個開發(fā)團隊或供應商的子系統(tǒng)進行集成的工作。它們還能確保關鍵任務在系統(tǒng)遭到拒絕服務 (DoS) 攻擊和其他惡意攻擊時，保持可用并滿足其最后期限的要求。
• 支持多核處理器——向多核處理器遷移的功能已成為各種高性能設計的基本要求。實時操作系統(tǒng)是否支持多重處理模式(對稱多重處理、不對稱多重處理、混合多重處理)的選擇，并幫助開發(fā)人員最大限度地利用多核硬件?允許開發(fā)人員診斷和優(yōu)化多核系統(tǒng)性能的系統(tǒng)跟蹤工具支持實時操作系統(tǒng)嗎?如果沒有能顯示資源競爭、線程的過度遷移和其他多核設計常見問題的工具，那么對多核系統(tǒng)進行優(yōu)化就會變得異常麻煩和費時。
• 遠程診斷工具——由于許多嵌入式系統(tǒng)都不允許有故障時間，因此實時操作系統(tǒng)的供應商應提供能在不中斷系統(tǒng)服務的情況下分析系統(tǒng)運行的診斷工具。尋找能提供運行分析工具(用于系統(tǒng)剖析、應用程序剖析和內(nèi)存分析的)的供應商。
• 開放的開發(fā)平臺——實時操作系統(tǒng)供應商能否提供基于開放平臺(如 Eclipse)的開發(fā)環(huán)境，允許開發(fā)人員“插入”他們最喜歡的第三方工具以便進行建模、版本控制等工作?或者，開發(fā)環(huán)境是基于專有技術的嗎?
• 圖形用戶界面——實時操作系統(tǒng)使用基元圖形庫嗎?或者它提供了高級圖形處理功能(如多層界面、基于 Flash 的人機界面、多目標顯示、3D 加速渲染和真正的窗口系統(tǒng))嗎?開發(fā)人員能輕松地自定義圖形用戶界面的視覺效果嗎?圖形用戶界面能同時顯示和輸入多種語言(中文、朝鮮語、日語、英語、俄語等)嗎?2D(如 Flash)和 3D(如 OpenGL ES)應用程序能輕松共享同一屏幕嗎?
• 標準應用程序接口——實時操作系統(tǒng)限制開發(fā)人員使用專有應用程序接口嗎?或者它提供了對標準應用程序接口(如 POSIX 和 OpenGL ES)的認證支持，使各種運行環(huán)境之間的代碼移植變得更容易?實時操作系統(tǒng)還提供對應用程序接口的綜合支持嗎?還是只支持一小部分已定義接口的子集?
• 源代碼——實時操作系統(tǒng)供應商允許開發(fā)人員輕松訪問源代碼以簡化調(diào)試過程，并幫助他們根據(jù)項目的具體需求定制實時操作系統(tǒng)服務嗎?
• 面向數(shù)字媒體的中間件——對數(shù)字媒體的靈活支持已成為各種嵌入式系統(tǒng)(如車載收音機、醫(yī)療設備、工業(yè)控制系統(tǒng)、媒體服務器以及消費電子產(chǎn)品)的設計要求。系統(tǒng)可能需要處理多種媒體資源(如 USB 閃存、MP3 播放器、網(wǎng)絡流媒體、藍牙電話等)，分辨多種數(shù)據(jù)格式(如 MP3、WMA、AAC、MPEG-2、MPEG-4 等)并支持各種數(shù)字版權管理 (DRM) 方案。通過為數(shù)字媒體提供設計精密的中間件，實時操作系統(tǒng)供應商能避免連接多媒體資源、組織數(shù)據(jù)以及初始化適當?shù)臄?shù)據(jù)處理路徑所需的大量軟件工作。另外，設計完善的中間件解決方案還能靈活支持新的數(shù)據(jù)源(如下一代 iPod)，無需修改用戶界面或其他軟件組件。

　　選擇實時操作系統(tǒng)是項目團隊的戰(zhàn)略性決策。如果實時系統(tǒng)供應商針對以上問題給出了清楚的答案，那么您離現(xiàn)在和將來選擇到完全適用的實時操作系統(tǒng)又近了一步。

　　[1] Michael Barr“優(yōu)先級反轉(zhuǎn)簡介”《嵌入式系統(tǒng)編程》(Embedded Systems Programming)，第 15 卷：2002 年 4 月第 4 版。