選擇實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)的要點(diǎn)詳解

　　對(duì)許多嵌入式項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師都傾向于選擇實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)。但RTOS總是必要的嗎?答案是取決于具體的應(yīng)用，因此了解我們要達(dá)到什么目標(biāo)是決定RTOS是必要的還是花瓶的關(guān)鍵。

　　一般來(lái)說(shuō)，在采用非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(non-RTOS)的任何場(chǎng)合，也都可采用RTOS。但是，要找到一款具有完全相同應(yīng)用編程接口(API)的匹配RTOS就相當(dāng)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(gè)RTOS。例如，Lynux-Works LynxOS和Bluecat Linux共享一個(gè)Linux API。LynxOS是一款硬RTOS，而Bluecat是Linux的一個(gè)衍生產(chǎn)品。

　　Linux繼續(xù)在努力改善其實(shí)時(shí)性能，但其最長(zhǎng)中斷時(shí)延仍無(wú)法滿足對(duì)RTOS來(lái)說(shuō)至關(guān)重要的硬(hard)實(shí)時(shí)要求。這些問(wèn)題最后都會(huì)歸結(jié)為服務(wù)質(zhì)量(QoS)。像RTLinux Free這樣的平臺(tái)補(bǔ)充了Linux，因?yàn)樗鼈兛商峁┯矊?shí)時(shí)級(jí)別的QoS。

　　要指出的很重要一點(diǎn)是：這類補(bǔ)充常常是在原始OS上集成一個(gè)RTOS編程環(huán)境。與傳統(tǒng)臺(tái)式或服務(wù)器OS相比，RTOS通常要小很多。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。歡迎轉(zhuǎn)載,本文來(lái)自電子發(fā)燒友網(wǎng)(http://www.elecfans.com )

　　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(gè)微秒的水平上滿足16位和32位平臺(tái)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(wù)外，還能保證很好地完成任務(wù)。

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

　　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，這樣的要求幾乎所有的操作系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)。但事實(shí)并非總是如此，正如任何一個(gè)人都能證明等待臺(tái)式計(jì)算機(jī)應(yīng)用在一分鐘之內(nèi)做出響應(yīng)需要等多久。

　　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。更快的處理器速度總是有幫助的，多內(nèi)核平臺(tái)也能改善響應(yīng)速度。對(duì)開發(fā)人員來(lái)說(shuō)，竅門在于把系統(tǒng)需求與硬件和軟件匹配起來(lái)，然后才是RTOS在嵌入式應(yīng)用中的重要性。

　　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(見表)。非優(yōu)先式調(diào)度(non-preemptive scheduling)的實(shí)現(xiàn)雖不重要，但在一些應(yīng)用中很有用。另一方面，任務(wù)內(nèi)的非優(yōu)先式調(diào)度可在優(yōu)先式系統(tǒng)的頂部實(shí)現(xiàn)。

　　不應(yīng)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(gè)基于事件的操作，其中線程將等待外部事件的發(fā)生。對(duì)處理多線程的單核處理器來(lái)說(shuō)，該方法一般不適用。但對(duì)有許多內(nèi)核的多核系統(tǒng)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。

　　其結(jié)果是，優(yōu)先式、中斷驅(qū)動(dòng)的RTOS架構(gòu)占據(jù)了業(yè)已部署的大部分平臺(tái)。雖然借助硬件手段(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)延，但該時(shí)延永遠(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，它們發(fā)生在低優(yōu)先級(jí)任務(wù)A擁有更高優(yōu)先級(jí)任務(wù)B的同步資源，而優(yōu)先級(jí)比A高的任務(wù)C正在運(yùn)行。

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

　　程序員必須解決的其它與時(shí)序相關(guān)的問(wèn)題通常是難以定位和糾正的缺陷源。在定位這些缺陷時(shí)跟蹤工具就變成了很有價(jià)值的手段，因?yàn)橹T如受阻的任務(wù)等癥候是這些問(wèn)題的唯一表現(xiàn)形式。

　　就操作系統(tǒng)所需的特性來(lái)看，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。

　　現(xiàn)在業(yè)內(nèi)已有很多的任務(wù)同步機(jī)制，從互斥(mutex)到消息系統(tǒng)。從RTOS的角度，這些機(jī)制在諸如競(jìng)爭(zhēng)條件此類的同步問(wèn)題上，沒有什么差異。

　　在MCU和操作系統(tǒng)中，定時(shí)器很常見。至少，一個(gè)定時(shí)器可被用作時(shí)鐘。但由于定時(shí)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)。POSIX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?？捎靡詫?shí)現(xiàn)時(shí)鐘和提供時(shí)間切片支持。

　　定時(shí)器也支持時(shí)間切片。時(shí)間切片常見于時(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。