探討選擇實時操作系統(tǒng)(RTOS)的要點

一般來說，在采用非實時操作系統(tǒng)(non-RTOS)的任何場合，也都可采用RTOS。但是，要找到一款具有完全相同應用編程接口(API)的匹配RTOS就相當困難了。因此，許多傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)(OS)在其內(nèi)嵌入了一個RTOS。例如，Lynux-Works LynxOS和Bluecat Linux共享一個Linux API。LynxOS是一款硬RTOS，而Bluecat是Linux的一個衍生產(chǎn)品。

Linux繼續(xù)在努力改善其實時性能，但其最長中斷時延仍無法滿足對RTOS來說至關重要的硬(hard)實時要求。這些問題最后都會歸結(jié)為服務質(zhì)量(QoS)。像RTLinux Free這樣的平臺補充了Linux，因為它們可提供硬實時級別的QoS。

要指出的很重要一點是：這類補充常常是在原始OS上集成一個RTOS編程環(huán)境。與傳統(tǒng)臺式或服務器OS相比，RTOS通常要小很多。RTOS常常針對更小和資源有限的MCU。例如，CMX的CMX-RTX和CMX-Tiny+可運行在8位MCU到64位處理器上。

8位處理器不斷增加的計算能力和存儲容量正使得RTOS對這些平臺具有更大吸引力。但是，通常16位或以上平臺才需要OS或RTOS，常見的RTOS選擇有Express Logic的ThreadX、Wind River的VxWorks、Micrium的uCOS-II、以及Green Hills Software的velOSity。取決于需求，MontaVista的Linux可在幾個微秒的水平上滿足16位和32位平臺的要求。

RTOS核心：調(diào)度和分割

大多數(shù)程序員不熟悉RTOS的限制和要求。大多數(shù)人通常因其性能選擇RTOS。大多數(shù)RTOS產(chǎn)品代碼少和速度快，現(xiàn)在RTOS還提升了一致性。RTOS除能很快完成任務外，還能保證很好地完成任務。

在許多應用中，一個遲到的結(jié)果可以是災難性的。因此，人們寧愿在一個要求的時限內(nèi)獲得較差的結(jié)果。這些應用通常被稱為硬實時系統(tǒng)。硬實時不是指系統(tǒng)響應有多快或多快一個系統(tǒng)能響應，而是指系統(tǒng)能多可靠地滿足特定的要求。

一個硬實時系統(tǒng)可能有一個一分鐘的固定周期時間，它要求的響應時間為一秒。理論上，這樣的要求幾乎所有的操作系統(tǒng)都能實現(xiàn)。但事實并非總是如此，正如任何一個人都能證明等待臺式計算機應用在一分鐘之內(nèi)做出響應需要等多久。

硬實時系統(tǒng)通常具有更短的周期時間和更緊苛的響應要求。更快的處理器速度總是有幫助的，多內(nèi)核平臺也能改善響應速度。對開發(fā)人員來說，竅門在于把系統(tǒng)需求與硬件和軟件匹配起來，然后才是RTOS在嵌入式應用中的重要性。

一個RTOS可以實現(xiàn)一系列調(diào)度策略，但應用經(jīng)常會制約一個程序員的選擇(見表)。非優(yōu)先式調(diào)度(non-preemptive scheduling)的實現(xiàn)雖不重要，但在一些應用中很有用。另一方面，任務內(nèi)的非優(yōu)先式調(diào)度可在優(yōu)先式系統(tǒng)的頂部實現(xiàn)。

不應該輕忽非優(yōu)先式調(diào)度，特別在新型多內(nèi)核處理器出現(xiàn)以后。這里，硬件可被調(diào)整到處理一個基于事件的操作，其中線程將等待外部事件的發(fā)生。對處理多線程的單核處理器來說，該方法一般不適用。但對有許多內(nèi)核的多核系統(tǒng)說，典型情況是為一個外設指定一個核。所以，在等待事件發(fā)生期間，使該核空閑起來是有意義的。

其結(jié)果是，優(yōu)先式、中斷驅(qū)動的RTOS架構占據(jù)了業(yè)已部署的大部分平臺。雖然借助硬件手段(多個寄存器組合、硬件調(diào)度、任務切換、以及分層中斷優(yōu)先級系統(tǒng)等)可顯著縮短中斷時延，但該時延永遠是一個問題。

優(yōu)先式處理會帶來若干問題。它們大多是與時序關聯(lián)的，如競爭條件、死循環(huán)、空耗等待和優(yōu)先級轉(zhuǎn)換，它們發(fā)生在低優(yōu)先級任務A擁有更高優(yōu)先級任務B的同步資源，而優(yōu)先級比A高的任務C正在運行。

如果沒有像優(yōu)先級置頂(priority ceilings)這樣的特性，任務C就可以阻止任務A和任務C運行。優(yōu)先級置頂特性可以把任務A的優(yōu)先級改變成與任務C的優(yōu)先級一樣，從而允許任務A運行并最終釋放任務C所需的資源。至此，任務A的優(yōu)先級復原，任務C就可以繼續(xù)運行。

程序員必須解決的其它與時序相關的問題通常是難以定位和糾正的缺陷源。在定位這些缺陷時跟蹤工具就變成了很有價值的手段，因為諸如受阻的任務等癥候是這些問題的唯一表現(xiàn)形式。

就操作系統(tǒng)所需的特性來看，重入庫(reentrant library)特性在RTOS環(huán)境下是可有可無的。但在一個典型的操作系統(tǒng)中，由于任務和程序常常是隨機的和變化的，而且常公用庫，因此重入庫是一個必須的特性。

在嵌入式環(huán)境中，對在系統(tǒng)中運行的程序和任務一般會有更多的控制要求。通常，除操作系統(tǒng)接口(可以是重入也可能是非重入的)外，各任務從不共享任何代碼。程序員(特別是那些負責設備驅(qū)動程序的)需要注意這一重入性問題。