4種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的分析對(duì)比

摘    要: 本文分析了適用于測(cè)控領(lǐng)域的4種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，并對(duì)比了它們實(shí)時(shí)性能的重要指標(biāo)，歸納了實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中的若干問題。
關(guān)鍵詞: 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；VxWorks；mC/OS-II；RT-Linux；QNX

引言
20世紀(jì)70年代以來嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件技術(shù)的飛速進(jìn)步，使得嵌入式應(yīng)用得到了蓬勃發(fā)展，在這些應(yīng)用中實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)起著決定性的作用。
在復(fù)雜測(cè)控應(yīng)用中，必須使用對(duì)實(shí)時(shí)性要求非常高的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。例如在工業(yè)控制、交通管理、機(jī)器人、航空航天、武器裝備等領(lǐng)域，系統(tǒng)事件的響應(yīng)如果不能準(zhǔn)時(shí)或超時(shí)，就可能導(dǎo)致巨大的損失和災(zāi)難。因而，選擇操作系統(tǒng)時(shí)，對(duì)實(shí)時(shí)性的仔細(xì)考慮至關(guān)重要。本文從實(shí)時(shí)性的角度細(xì)致的分析對(duì)比了適用于此類有苛刻實(shí)時(shí)性要求的4種操作系統(tǒng)——VxWorks、mC/OS-II、RT-Linux、QNX，為系統(tǒng)選型提供一定參考。

實(shí)時(shí)性能主要實(shí)現(xiàn)技術(shù)
實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性是第一要求，需要調(diào)度一切可利用的資源完成實(shí)時(shí)任務(wù)。根據(jù)響應(yīng)時(shí)間在微秒、毫秒和秒級(jí)的不同，可分為強(qiáng)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)實(shí)時(shí)和弱實(shí)時(shí)三種。強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)必須是對(duì)即時(shí)的事件作出反應(yīng)，絕對(duì)不能錯(cuò)過事件處理時(shí)限。例如測(cè)控領(lǐng)域就是要求強(qiáng)或接近強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)。在機(jī)頂盒、PDA、信息家電等應(yīng)用領(lǐng)域，系統(tǒng)負(fù)荷較重的時(shí)候，允許發(fā)生錯(cuò)過時(shí)限的情況而且不會(huì)造成太大的危害，準(zhǔn)和弱實(shí)時(shí)系統(tǒng)就可滿足應(yīng)用。一個(gè)強(qiáng)實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng)通常使用以下技術(shù)：
●  占先式內(nèi)核
當(dāng)系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)很重要時(shí)，要使用占先式內(nèi)核。當(dāng)前最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)一旦就緒，總能立即得到CPU的控制權(quán)，而CPU的控制權(quán)是可知的。使用占先式內(nèi)核使得任務(wù)級(jí)響應(yīng)時(shí)間得以最優(yōu)化。
●  調(diào)度策略分析
任務(wù)調(diào)度策略是直接影響實(shí)時(shí)性能的因素。強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)和準(zhǔn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)區(qū)別主要在選擇調(diào)度算法上。選擇基于優(yōu)先級(jí)調(diào)度的算法足以滿足準(zhǔn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的要求，而且可以提供高速的響應(yīng)和大的系統(tǒng)吞吐率。當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上任務(wù)有同樣優(yōu)先級(jí)，通常用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)法進(jìn)行調(diào)度。對(duì)硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)而言，需要使用的算法就應(yīng)該是調(diào)度方式簡單，反應(yīng)速度快的實(shí)時(shí)調(diào)度算法了。盡管調(diào)度算法多種多樣，但大多由單一比率調(diào)度算法(RMS)和最早期限優(yōu)先算法(EDF)變化而來。前者主要用于靜態(tài)周期任務(wù)的調(diào)度，后者主要用于動(dòng)態(tài)調(diào)度，在不同的系統(tǒng)狀態(tài)下兩種算法各有優(yōu)劣。在商業(yè)產(chǎn)品中采用的實(shí)際策略常常是各種因素的折中。
●  任務(wù)優(yōu)先級(jí)分配
每個(gè)任務(wù)都有其優(yōu)先級(jí)。任務(wù)越重要，賦予的優(yōu)先級(jí)應(yīng)越高。應(yīng)用程序執(zhí)行過程中諸任務(wù)優(yōu)先級(jí)不變，則稱之為靜態(tài)優(yōu)先級(jí)。在靜態(tài)優(yōu)先級(jí)系統(tǒng)中，諸任務(wù)以及它們的時(shí)間約束在程序編譯時(shí)是已知的。反之，應(yīng)用程序執(zhí)行過程中，任務(wù)的優(yōu)先級(jí)是可變的，則稱之為動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)。
●  時(shí)間的可確定性
強(qiáng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的函數(shù)調(diào)用與服務(wù)的執(zhí)行時(shí)間應(yīng)具有可確定性。系統(tǒng)服務(wù)的執(zhí)行時(shí)間不依賴于應(yīng)用程序任務(wù)的多少。系統(tǒng)完成某個(gè)確定任務(wù)的時(shí)間是可預(yù)測(cè)的。

實(shí)時(shí)性能重要指標(biāo)
衡量實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能的重要指標(biāo)有：
●  任務(wù)切換時(shí)間
當(dāng)多任務(wù)內(nèi)核決定運(yùn)行另外的任務(wù)時(shí)，它把正在運(yùn)行任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)(即CPU寄存器中的全部內(nèi)容)保存到任務(wù)自己的棧區(qū)之中。然后把下一個(gè)將要運(yùn)行的任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)從該任務(wù)的棧中重新裝入CPU的寄存器，并開始下一個(gè)任務(wù)的運(yùn)行。這個(gè)過程就稱為任務(wù)切換。做任務(wù)切換所需要的時(shí)間取決于CPU有多少寄存器要入棧。CPU的寄存器越多，額外負(fù)荷就越重。
●  中斷響應(yīng)時(shí)間(可屏蔽中斷)
計(jì)算機(jī)接收到中斷信號(hào)到操作系統(tǒng)作出響應(yīng)，并完成切換轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序的時(shí)間。對(duì)于占先式內(nèi)核，要先調(diào)用一個(gè)特定的函數(shù)，該函數(shù)通知內(nèi)核即將進(jìn)行中斷服務(wù)，使得內(nèi)核可以跟蹤中斷的嵌套。占先式內(nèi)核的中斷響應(yīng)時(shí)間由下式給出：
中斷響應(yīng)時(shí)間＝關(guān)中斷的最長時(shí)間
＋保護(hù)CPU內(nèi)部寄存器的時(shí)間
＋進(jìn)入中斷服務(wù)函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間
＋開始執(zhí)行中斷服務(wù)例程(ISR)的第
一條指令時(shí)間
中斷響應(yīng)時(shí)間是系統(tǒng)在最壞情況下響應(yīng)中斷的時(shí)間，某系統(tǒng)100次中有99次在50ms之內(nèi)響應(yīng)中斷，只有一次響應(yīng)中斷的時(shí)間是250ms，只能認(rèn)為中斷響應(yīng)時(shí)間是250ms。
表2列出了部分體現(xiàn)實(shí)時(shí)性能重要指標(biāo)的典型值，它們的測(cè)試平臺(tái)和測(cè)試方法不完全相同，影響了數(shù)據(jù)的可比性，但我們?nèi)钥勺鳛閰⒖肌?
另外，還有系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間(系統(tǒng)發(fā)出處理要求到系統(tǒng)給出應(yīng)答信號(hào)的時(shí)間)、最長關(guān)中斷時(shí)間、非屏蔽中斷響應(yīng)時(shí)間等輔助的衡量指標(biāo)。

若干問題
雖然當(dāng)今的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)已日臻完善，但仍有一些問題存在并干擾著強(qiáng)實(shí)時(shí)的實(shí)現(xiàn)。我們應(yīng)充分的重視，并通過合理的安排程序減少它們的危害。
●  優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)
這是實(shí)時(shí)系統(tǒng)中出現(xiàn)得最多的問題。優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)是指一個(gè)任務(wù)等待比它優(yōu)先級(jí)低的任務(wù)釋放資源而被阻塞，如果這時(shí)有中等優(yōu)先級(jí)的就緒任務(wù)，阻塞會(huì)進(jìn)一步惡化。它嚴(yán)重影響了實(shí)時(shí)任務(wù)的完成。
為防止發(fā)生優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)，一些商業(yè)內(nèi)核(如VxWorks)使用了優(yōu)先級(jí)繼承技術(shù)，當(dāng)優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)發(fā)生時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的任務(wù)被暫時(shí)地提高它的優(yōu)先級(jí)，使得該任務(wù)能盡快執(zhí)行，釋放出優(yōu)先級(jí)較高的任務(wù)所需要的資源。但它也不能完全避免優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)，只能稱其減輕了優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的程度，減輕了優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)對(duì)實(shí)時(shí)任務(wù)完成的影響。
優(yōu)先權(quán)極限是另一種解決方案，系統(tǒng)把每一個(gè)臨界資源與1個(gè)極限優(yōu)先權(quán)相聯(lián)系，這個(gè)極限優(yōu)先權(quán)等于系統(tǒng)此時(shí)最高優(yōu)先權(quán)加1。當(dāng)這個(gè)任務(wù)退出臨界區(qū)后，系統(tǒng)立即把它的優(yōu)先權(quán)恢復(fù)正常，從而保證系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)優(yōu)先權(quán)反轉(zhuǎn)的情況。采用這種方案的另一個(gè)有利之處，是僅僅通過改變某個(gè)臨界資源的優(yōu)先級(jí)就可以使多個(gè)任務(wù)共享這個(gè)臨界資源。
●  任務(wù)執(zhí)行時(shí)間的抖動(dòng)
各種實(shí)時(shí)內(nèi)核都有將任務(wù)延時(shí)若干個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍的功能。優(yōu)先級(jí)的不同、延時(shí)請(qǐng)求發(fā)生的時(shí)間、發(fā)出延時(shí)請(qǐng)求的任務(wù)自身的運(yùn)行延遲，都會(huì)造成被延時(shí)任務(wù)執(zhí)行時(shí)間不同程度的提前或滯后，稱之為任務(wù)執(zhí)行時(shí)間的抖動(dòng)。可能的解決方案有：
a． 增加微處理器的時(shí)鐘頻和時(shí)鐘節(jié)拍的頻率；b. 重新安排任務(wù)的優(yōu)先級(jí)；c. 避免使用浮點(diǎn)運(yùn)算等。
強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，我們必須綜合考慮，充分利用各種手段，盡量減少任務(wù)執(zhí)行時(shí)間的抖動(dòng)。
●  任務(wù)劃分
程序在CPU中是以任務(wù)的方式在運(yùn)行，所以我們要將系統(tǒng)的處理框圖轉(zhuǎn)化為多任務(wù)流程圖，對(duì)處理進(jìn)行任務(wù)劃分。任務(wù)劃分存在這樣一對(duì)矛盾：如果任務(wù)太多，必然增加系統(tǒng)任務(wù)切換的開銷；如果任務(wù)太少，系統(tǒng)的并行度就降低了，實(shí)時(shí)性就比較差。在任務(wù)劃分時(shí)要遵循H.Gomma原則：
a． I/O原則：不同的外設(shè)執(zhí)行不同任務(wù)；
b． 優(yōu)先級(jí)原則：不同優(yōu)先級(jí)處理不同的任務(wù)；
c． 大量運(yùn)算：歸為一個(gè)任務(wù)；
d． 功能耦合：歸為一個(gè)任務(wù)；
e． 偶然耦合：歸為一個(gè)任務(wù)；
f． 頻率組合：對(duì)于周期時(shí)間，不同任務(wù)處理不同的頻率。
如果我們?cè)诰唧w分析一個(gè)系統(tǒng)的時(shí)候發(fā)生原則沖突的話，則要為每一個(gè)原則針對(duì)具體的系統(tǒng)設(shè)定“權(quán)重”，必要的時(shí)候可以通過計(jì)算“權(quán)重”來最終確定如何去劃分任務(wù)。

總結(jié)
VxWorks、mC/OS-II、RT-Linux、QNX都是優(yōu)秀的強(qiáng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，各有特色：VxWorks的衡量指標(biāo)值最好；mC/OS-II最短小精悍；RT-Linux支持調(diào)度策略的改寫；QNX支持分布式應(yīng)用。當(dāng)我們充分理解和掌握它們實(shí)現(xiàn)技術(shù)、衡量指標(biāo)的不同，注意所存在的問題，就能在實(shí)時(shí)性應(yīng)用中游刃有余。■

參考文獻(xiàn)：
1． 劭貝貝，‘UC/OS-II源碼公開的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)’， 北京：中國電力出版社， 2001， 29-68
2． 武強(qiáng)，‘選擇嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)注意的幾個(gè)問題’，航空計(jì)算技術(shù)，2002，32(3)：90-92

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