選擇實(shí)時(shí)操作系統(RTOS)的要點(diǎn)詳解

　　通常，由時(shí)鐘提供的時(shí)間切片是固定時(shí)長(cháng)的，每個(gè)任務(wù)在獲得優(yōu)先權前將被給予同樣長(cháng)度的時(shí)間切片來(lái)執行。當然，該策略是隨機的且可有多種實(shí)現。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(cháng);而若采用任務(wù)優(yōu)先級方法，則有可能使低優(yōu)先級任務(wù)得不到響應。

　　許多RTOS采用固定調度器。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)境下運行多種應用。實(shí)時(shí)任務(wù)具有高優(yōu)先級，且在一般用戶(hù)任務(wù)前得到執行。

　　Linux實(shí)際上具有一個(gè)更復雜的調度系統，它對任務(wù)是通過(guò)輪詢(xún)方法把控制權轉交給具有相同優(yōu)先級的其它任務(wù)還是一直運行到結束做出了具體約定。像Open Kernel Labs的OKL4虛擬化RTOS平臺解決了該問(wèn)題。

　　基本通信

　　一些文獻把任務(wù)同步和通信分開(kāi)來(lái)說(shuō)，但總的來(lái)說(shuō)，它們是一回事。實(shí)際上就是講信息是如何交換的?；谙鬟f的RTOS最清楚地體現出這點(diǎn)。這里，消息系統處理所有通信且不區分通信和同步。

　　至少，RTOS必須提供一個(gè)相互排斥的本原，如互斥。其它東西可構建在該本原上。在許多場(chǎng)合，如消息傳遞系統，對相互排斥的支持隱藏在操作系統內。只有更高級別的消息功能顯露于外。

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

　　不管選擇了什么方法或API，通信系統必須在某一程度上被整合進(jìn)操作系統。因此，若主動(dòng)隊列中的任務(wù)必須等待一個(gè)事件，則該任務(wù)可被移走。類(lèi)似，引發(fā)一個(gè)事件從而導致另一個(gè)任務(wù)活動(dòng)的任務(wù)將產(chǎn)生一個(gè)調度行為。

　　通信、事件和調度可與硬件關(guān)聯(lián)起來(lái)，這是RTOS必須處理的其它一些事。TI的DSP/BIOS是一款RTOS，它設計用于運行在像TI的DaVinci雙核系統的DSP上。DSP/BIOS的一個(gè)主要功能是處理 ARM 核和DSP 核間的通信。

　　向更多大內核的發(fā)展將很可能會(huì )保留RTOS或OS。不過(guò)，小內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)運行Forth的小型18位內核。指令很精簡(jiǎn)，每個(gè)字包含四條指令。

　　每個(gè)內核有64個(gè)字的 ROM和RAM，該芯片只能容納10,000指令。當然，這只夠裝下一個(gè)程序，安裝RTOS是不可能的。不過(guò)，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，適于該平臺的應用常常是特定的。于是，由于硬件可處理內核之間通信和任務(wù)調度，因此RTOS類(lèi)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)間和存儲器)的能力。時(shí)序問(wèn)題與中斷響應時(shí)間有關(guān)，但資源管理時(shí)序問(wèn)題也會(huì )出現。雖然中斷解決了一系列時(shí)序問(wèn)題，但各應用仍必須利用資源。

　　考慮存儲器分配情況。許多實(shí)時(shí)應用不采用動(dòng)態(tài)存儲器分配，以確保存儲器分配和回收時(shí)所產(chǎn)生的不同不會(huì )變成一個(gè)問(wèn)題。需要動(dòng)態(tài)存儲器分配的應用常把存儲器劃分為實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)。后者處理動(dòng)態(tài)存儲器分配。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器。

　　在實(shí)時(shí)嵌入式應用中采用C和C++是因為存儲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，當存儲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(yǔ)言帶來(lái)的挑戰更大，它們與生俱來(lái)地采用動(dòng)態(tài)存儲器分配。程序員可控制存儲器分配和回收。在某些情況下，編程環(huán)境可以強化存儲器分配和回收。

　　Java實(shí)時(shí)規范(RTSJ)定義了創(chuàng )建不需要垃圾回收的Java應用的方法。RTSJ是在Java框架內這樣做的，從而使程序員在不被存儲器分配限制的條件下享有Java的好處。

　　Sun和DDC-I都實(shí)現了RTSJ。DDC-I的實(shí)現支持x86和PowerPC平臺。Aonix有一個(gè)稱(chēng)為PERC的類(lèi)似平臺。這些平臺以實(shí)時(shí)、同時(shí)的垃圾回收為特征，從而使在不受存儲器分配限制的情況下，在Java內編寫(xiě)實(shí)時(shí)應用成為可能。

　　但因系統必須允許線(xiàn)程為垃圾回收器進(jìn)行轉換，所以實(shí)時(shí)要求并非那么緊迫。另一方面，垃圾回收器將耗費時(shí)序資源，所以，只有實(shí)時(shí)任務(wù)方可保證滿(mǎn)足一定的期限要求?？焓呛檬?，但及時(shí)才是RTOS的天條。

　　考察實(shí)時(shí)平臺時(shí)，考慮之一是存儲器分配對系統的整體影響。許多系統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器分配是可比的。

　　圍繞諸如Java和C#等虛擬機類(lèi)型平臺的另一個(gè)問(wèn)題是對just-in-time(JIT)編譯器的使用限制?；谶@些系統的實(shí)時(shí)系統必須采用類(lèi)似C和C++等所用的提前(ahead-of time，AOT)編譯器。

　　設計師會(huì )因其更高的生產(chǎn)力、更低的出錯率以及安全性等特點(diǎn)選用Java 或C#。所以，對制定一個(gè)稱(chēng)為 JSR-302的用于對安全有至高要求應用的Java規范就不足為奇了。

　　保護RTOS

　　RTOS受到其運行的硬件平臺的限制?？蓪θ鄙俅鎯ζ鞅Ｗo的硬件加以保護，但安全級別會(huì )受到限制。但存儲器和虛擬機可以更高水平的安全性支持引導。諸如SE Linux、Green Hills Integrity和 LynuxWorks LynxSecure Embedded Hypervisor以及 LynxOS-SE RTOS內的安全策略可比典型RTOS提供可靠得多的保護。但成本也高，所以開(kāi)發(fā)者需對此進(jìn)行權衡。

　　實(shí)時(shí)系統開(kāi)發(fā)者不得不應對策略實(shí)現和邊界問(wèn)題。取決于信息的來(lái)所去處，安全支持會(huì )花很長(cháng)時(shí)間。正是為此引入了分區系統，所以，可在邊界采取安全措施且把應用的非實(shí)時(shí)部分放在這部分空間內?！?b>　可感知OS的調試器

　　當考慮選用操作系統時(shí)，對調試器的支持是個(gè)關(guān)鍵。這種支持體現在兩個(gè)方面：內核和設備驅動(dòng)器調試以及操作系統感知。

　　內核調試對設備驅動(dòng)器的創(chuàng )建和支持以及內核強化很重要。在許多情況，為處理RTOS的內核，需要專(zhuān)用調試器。它也要求能理解內核環(huán)境以及應用環(huán)境。

　　OS感知可更深入地了解操作系統。支持方式可以是從提供有關(guān)OS服務(wù)狀態(tài)的信息到調整任務(wù)調度等方方面面。同樣，能感知OS的調試器可在停止其它應用或線(xiàn)程的同時(shí)允許其它應用或線(xiàn)程的運行。