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

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。POSIX規(guī)范甚至把定時(shí)器定義為組件。定時(shí)器還可當(dāng)作看門狗來用。

在許多MCU中，一個(gè)定時(shí)器可以設(shè)置用來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來說，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。

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則允許替換或定制，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Open Kernel Labs的OKL4虛擬化RTOS平臺(tái)解決了該問題。

基本通信

一些文獻(xiàn)把任務(wù)同步和通信分開來說，但總的來說，它們是一回事。實(shí)際上就是講信息是如何交換的。基于消息傳遞的RTOS最清楚地體現(xiàn)出這點(diǎn)。這里，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。

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

不管選擇了什么方法或API，通信系統(tǒng)必須在某一程度上被整合進(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，這是RTOS必須處理的其它一些事。TI的DSP/BIOS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/BIOS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，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Forth的小型18位內(nèi)核。指令很精簡(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，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)序問題與中斷響應(yīng)時(shí)間有關(guān)，但資源管理時(shí)序問題也會(huì)出現(xiàn)。雖然中斷解決了一系列時(shí)序問題，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Java和C#這樣的語言帶來的挑戰(zhàn)更大，它們與生俱來地采用動(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。

Java實(shí)時(shí)規(guī)范(RTSJ)定義了創(chuàng)建不需要垃圾回收的Java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PowerPC平臺(tái)。Aonix有一個(gè)稱為PERC的類似平臺(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)編寫實(shí)時(shí)應(yīng)用成為可能。

但因系統(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。另一方面，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?？焓呛檬拢皶r(shí)才是RTOS的天條。

考察實(shí)時(shí)平臺(tái)時(shí)，考慮之一是存儲(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)器分配是可比的。

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

保護(hù)RTOS

RTOS受到其運(yùn)行的硬件平臺(tái)的限制。可對(duì)缺少存儲(chǔ)器保護(hù)的硬件加以保護(hù)，但安全級(jí)別會(huì)受到限制。但存儲(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、Green 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，所以開發(fā)者需對(duì)此進(jìn)行權(quán)衡。

實(shí)時(shí)系統(tǒng)開發(fā)者不得不應(yīng)對(duì)策略實(shí)現(xiàn)和邊界問題。取決于信息的來所去處，安全支持會(huì)花很長(zhǎng)時(shí)間。正是為此引入了分區(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

當(dāng)考慮選用操作系統(tǒng)時(shí)，對(duì)調(diào)試器的支持是個(gè)關(guān)鍵。這種支持體現(xiàn)在兩個(gè)方面：內(nèi)核和設(shè)備驅(qū)動(dòng)器調(diào)試以及操作系統(tǒng)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)化很重要。在許多情況，為處理RTOS的內(nèi)核，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。