選擇實(shí)時(shí)操作系統(RTOS)的要點(diǎn)詳解

　　對許多嵌入式項目來(lái)說(shuō)，系統設計師都傾向于選擇實(shí)時(shí)操作系統(RTOS)。但RTOS總是必要的嗎?答案是取決于具體的應用，因此了解我們要達到什么目標是決定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(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用編程接口(API)的匹配RTOS就相當困難了。因此，許多傳統的操作系統(OS)在其內嵌入了一個(gè)RTOS。例如，Lynux-Works LynxOS和Bluecat Linux共享一個(gè)Linux API。LynxOS是一款硬RTOS，而B(niǎo)luecat是Linux的一個(gè)衍生產(chǎn)品。

　　Linux繼續在努力改善其實(shí)時(shí)性能，但其最長(cháng)中斷時(shí)延仍無(wú)法滿(mǎn)足對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 )歸結為服務(wù)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(shí)時(shí)級別的QoS。

　　要指出的很重要一點(diǎn)是：這類(lèi)補充常常是在原始OS上集成一個(gè)RTOS編程環(huán)境。與傳統臺式或服務(wù)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。歡迎轉載,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(jiàn)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(mǎn)足16位和32位平臺的要求。

　　RTOS核心：調度和分割

　　大多數程序員不熟悉RTOS的限制和要求。大多數人通常因其性能選擇RTOS。大多數RTOS產(chǎn)品代碼少和速度快，現在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)。

　　在許多應用中，一個(gè)遲到的結果可以是災難性的。因此，人們寧愿在一個(gè)要求的時(shí)限內獲得較差的結果。這些應用通常被稱(chēng)為硬實(shí)時(shí)系統。硬實(shí)時(shí)不是指系統響應有多快或多快一個(gè)系統能響應，而是指系統能多可靠地滿(mǎn)足特定的要求。

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

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

　　一個(gè)RTOS可以實(shí)現一系列調度策略，但應用經(jīng)常會(huì )制約一個(gè)程序員的選擇(見(jiàn)表)。非優(yōu)先式調度(non-preemptive scheduling)的實(shí)現雖不重要，但在一些應用中很有用。另一方面，任務(wù)內的非優(yōu)先式調度可在優(yōu)先式系統的頂部實(shí)現。

　　不應該輕忽非優(yōu)先式調度，特別在新型多內核處理器出現以后。這里，硬件可被調整到處理一個(gè)基于事件的操作，其中線(xiàn)程將等待外部事件的發(fā)生。對處理多線(xiàn)程的單核處理器來(lái)說(shuō)，該方法一般不適用。但對有許多內核的多核系統說(shuō)，典型情況是為一個(gè)外設指定一個(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。

　　其結果是，優(yōu)先式、中斷驅動(dòng)的RTOS架構占據了業(yè)已部署的大部分平臺。雖然借助硬件手段(多個(gè)寄存器組合、硬件調度、任務(wù)切換、以及分層中斷優(yōu)先級系統等)可顯著(zhù)縮短中斷時(shí)延，但該時(shí)延永遠是一個(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，如競爭條件、死循環(huán)、空耗等待和優(yōu)先級轉換，它們發(fā)生在低優(yōu)先級任務(wù)A擁有更高優(yōu)先級任務(wù)B的同步資源，而優(yōu)先級比A高的任務(wù)C正在運行。

　　如果沒(méi)有像優(yōu)先級置頂(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運行。優(yōu)先級置頂特性可以把任務(wù)A的優(yōu)先級改變成與任務(wù)C的優(yōu)先級一樣，從而允許任務(wù)A運行并最終釋放任務(wù)C所需的資源。至此，任務(wù)A的優(yōu)先級復原，任務(wù)C就可以繼續運行。

　　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，因為諸如受阻的任務(wù)等癥候是這些問(wèn)題的唯一表現形式。

　　就操作系統所需的特性來(lái)看，重入庫(reentrant library)特性在RTOS環(huán)境下是可有可無(wú)的。但在一個(gè)典型的操作系統中，由于任務(wù)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(gè)必須的特性。

　　在嵌入式環(huán)境中，對在系統中運行的程序和任務(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(特別是那些負責設備驅動(dòng)程序的)需要注意這一重入性問(wèn)題。

　　現在業(yè)內已有很多的任務(wù)同步機制，從互斥(mutex)到消息系統。從RTOS的角度，這些機制在諸如競爭條件此類(lèi)的同步問(wèn)題上，沒(méi)有什么差異。

　　在MCU和操作系統中，定時(shí)器很常見(jiàn)。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)現出來(lái)。POSIX規范甚至把定時(shí)器定義為組件。定時(shí)器還可當作看門(mén)狗來(lái)用。

　　在許多MCU中，一個(gè)定時(shí)器可以設置用來(lái)喚醒處在休眠模式的系統。一些實(shí)現允許操作系統把其用作一個(gè)通用定時(shí)器，盡管這一喚醒特性獨立于操作系統。

　　一些系統具有帶不同特性的多種定時(shí)器來(lái)滿(mǎn)足不同的要求。一些定時(shí)器可被同步用以為電機控制應用提供同時(shí)的脈寬調制(PWM)流。對RTOS來(lái)說(shuō)，一個(gè)定時(shí)器通?？捎靡詫?shí)現時(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(jiàn)于時(shí)間共享系統，它給每種應用一個(gè)合理的時(shí)間片斷來(lái)執行?？稍谌我恢袛鄬蛹壣蠈?shí)現這種輪詢(xún)調度。