“硬實(shí)時(shí)”為L(cháng)inux注入新活力

 　　將Linux作為電子設備的軟件開(kāi)發(fā)和運行平臺，這早已成為設備軟件領(lǐng)域的熱門(mén)話(huà)題，這的確可以為電子產(chǎn)品制造企業(yè)帶來(lái)不少好處。然而，由于Linux一直都只能提供軟實(shí)時(shí)(soft real-time)性能，而在汽車(chē)控制、工業(yè)控制、電信基礎建設等諸多需要硬實(shí)時(shí)性能的應用中，都無(wú)法采用只有“軟實(shí)時(shí)”能力的Linux，這就使得許多對時(shí)間較為敏感的應用都成為L(cháng)inux難以涉入的禁地。

　　最近，美國風(fēng)河系統公司從FSMLabs購買(mǎi)了硬實(shí)時(shí)Linux技術(shù)——RTLinux，并將其與風(fēng)河全球領(lǐng)先的Linux設備軟件平臺的結合，為電子設備制造商提供一套成熟、可靠的全新技術(shù)，用于開(kāi)發(fā)和部署各種基于Linux的下一代應用，滿(mǎn)足電子設備制造商們對“硬實(shí)時(shí)（hard real-time）”特性的需求，例如功能型手機、需要高容量流媒體的數字圖像應用以及包括車(chē)輛避撞系統在內的各類(lèi)車(chē)載應用等。其中，集成RTLinux技術(shù)的Wind River Platform for Consumer Devices, Linux Edition可以把各種基于Linux的高速包交換設備軟件應用提升到一個(gè)全新的高性能級別。

　   那么，就讓我們一起來(lái)了解一下，“硬實(shí)時(shí)”和“軟實(shí)時(shí)”有什么樣的區別，哪些場(chǎng)合必須有“硬實(shí)時(shí)”的軟件系統來(lái)實(shí)現，以及怎樣才能獲得真正具有“硬實(shí)時(shí)”特性的Linux平臺。

　　實(shí)時(shí)性的“軟”和“硬”

　　實(shí)時(shí)操作系統 (Real-time OS) 是相對于分時(shí)操作系統 (Time-Sharing OS) 的一個(gè)概念。在一個(gè)分時(shí)操作系統中，計算機資源會(huì )被平均地分配給系統內所有的工作。在分時(shí)系統中，各項任務(wù)需要花多長(cháng)時(shí)間來(lái)完成，這一點(diǎn)并不重要；而在一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統之中，最關(guān)注的是每個(gè)任務(wù)在多長(cháng)時(shí)間內可以完成。簡(jiǎn)單地說(shuō)，實(shí)時(shí)和分時(shí)操作系統最大的不同在于 “時(shí)限(deadline)”這個(gè)概念。

　　從上述區別中可以看出，在實(shí)時(shí)操作系統中，系統必須在特定的時(shí)間內完成指定的應用，具有較強的“剛性”，而分時(shí)操作系統則注重將系統資源平均地分配給各個(gè)應用，不太在意各個(gè)應用的進(jìn)度如何，什么時(shí)間能夠完成。不過(guò)，就算是實(shí)時(shí)操作系統，其“剛性”和“柔性”的程度也有所不同，就好像是系統的“硬度”有所不同，因而有了所謂的“硬實(shí)時(shí)(hard real-time)”和“軟實(shí)時(shí) ( soft real-time)”。硬實(shí)時(shí)系統有一個(gè)剛性的、不可改變的時(shí)間限制，它不允許任何超出時(shí)限的錯誤。超時(shí)錯誤會(huì )帶來(lái)?yè)p害甚至導致系統失敗、或者導致系統不能實(shí)現它的預期目標。軟實(shí)時(shí)系統的時(shí)限是一個(gè)柔性靈活的，它可以容忍偶然的超時(shí)錯誤。失敗造成的后果并不嚴重，例如在網(wǎng)絡(luò )中僅僅是輕微地降低了系統的吞吐量。

　　當你從事設備軟件開(kāi)發(fā)時(shí)，首先需要知道該系統究竟屬于硬實(shí)時(shí)、軟實(shí)時(shí)還是非實(shí)時(shí)系統，這一點(diǎn)很重要。這三種系統所要求的編程技術(shù)和規范存在很大差別。

　　風(fēng)河公司認為，硬實(shí)時(shí)與軟實(shí)時(shí)之間最關(guān)鍵的差別在于，軟實(shí)時(shí)只能提供統計意義上的實(shí)時(shí)。例如，有的應用要求系統在95%的情況下都會(huì )確保在規定的時(shí)間內完成某個(gè)動(dòng)作，而不一定要求100%。在許多情況下，這樣的“軟性”正確率已經(jīng)可以達到用戶(hù)期望的水平。比如，用戶(hù)在操作DVD播放機時(shí)，只要98%的情況都能正常播放，用戶(hù)可能就滿(mǎn)意了；而發(fā)射衛星、控制核反應堆的應用系統，這些系統的實(shí)時(shí)性必須達到100%，是絕對不允許出現意外的。

　　何時(shí)需要“硬實(shí)時(shí)”？

　　幾乎在每個(gè)行業(yè)垂直市場(chǎng)都有大量的應用系統要求必須采用硬實(shí)時(shí)才能達到。例如，在網(wǎng)絡(luò )基礎設施市場(chǎng)，電信應用的關(guān)鍵業(yè)務(wù)常常就對硬實(shí)時(shí)、軟實(shí)時(shí)和超高速包傳輸提出了綜合性的要求。在許多對服務(wù)水平有特定要求的話(huà)音和其它媒體流傳輸應用中，對硬實(shí)時(shí)的要求顯然超出了市場(chǎng)上現有通用操作系統所能提供的水平。高吞吐量以及高密度數據交換網(wǎng)絡(luò )也會(huì )令簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò )堆棧和傳統In-House的嵌入式操作系統陷入性能拙劣的泥潭。

　　即使在當今的消費電子市場(chǎng)，移動(dòng)電話(huà)中的調制解調器控制和應用處理都離不開(kāi)硬實(shí)時(shí)技術(shù)，以便減少芯片組的數量，降低硬件成本。特別是手機設計者希望采用單核處理器來(lái)實(shí)現這些功能的時(shí)候就更是如此。在數字音響和視頻設備中，更是不乏硬實(shí)時(shí)技術(shù)的大量應用。數碼相機的快門(mén)只要被按下，就必須跟隨一連串確定的動(dòng)作，否則就無(wú)法拍出高質(zhì)量的照片。

　　更嚴重的情況是，在有些領(lǐng)域系統出錯可能導致重大的損失，甚至是人命關(guān)天的。例如航空與國防應用中的指令控制、導航、安全、武器控制等，還有飛機駕駛模擬系統等應用，都需要將復雜的計算、存儲、顯示和機電控制系統有條不紊地協(xié)調起來(lái)。工業(yè)生產(chǎn)流水線(xiàn)，特別是在化工、電力、交通等行業(yè)，都有許多精確度極高的機電控制系統。所有這些應用，毫無(wú)疑問(wèn)都必須建立在硬實(shí)時(shí)技術(shù)的基礎之上。

        怎樣獲得真正的硬實(shí)時(shí)Linux? 

　　如果我們在整個(gè)業(yè)界尋找最具有硬實(shí)時(shí)性的操作系統，大家公認的一定是風(fēng)河系統公司的VxWorks。以此為參照，可以讓我們對市場(chǎng)上可供選擇的實(shí)時(shí)性L(fǎng)inux操作系統有一個(gè)更為清晰的認識。

　　首先，VxWorks與Linux相比，實(shí)現硬實(shí)時(shí)性的方式是完全不同的。VxWorks從最基礎的架構開(kāi)始就是按照硬實(shí)時(shí)性的標準來(lái)設計的，因此從操作系統整體架構，到其中的每一個(gè)組成部分，都具有無(wú)可挑剔的硬實(shí)時(shí)性。

　　Linux本身原來(lái)并不是為了實(shí)時(shí)性而設計的操作系統。為了在Linux系統中增加實(shí)時(shí)性，典型的方法是采用“架空”Linux kernel，使得real-time進(jìn)程得以盡快的被執行。所以，這種系統中的實(shí)時(shí)任務(wù)(real-time task) 其實(shí)并不是一個(gè) Linux的進(jìn)程，而是一個(gè)Linux的可加載的Kernel模塊( loadable kernel module)，或者是一個(gè)實(shí)時(shí)驅動(dòng)程序的架構，算不上是真正的real-time Linux。但由于它出現的早，且其架構很符合自動(dòng)控制的需求，因此使用者非常多。

　　風(fēng)河系統公司最近從FSMLabs購買(mǎi)的硬實(shí)時(shí)Linux技術(shù)——R  
TLinux，是一個(gè)完整的發(fā)布版本，把Linux kernel、文件系統和工具鏈（toolchain）與RTCore硬實(shí)時(shí)執行技術(shù)結合起來(lái)，形成了一個(gè)基于Linux的完整硬實(shí)時(shí)解決方案。風(fēng)河公司經(jīng)過(guò)測試驗證發(fā)現，針對不同的測試基準，其性能可以達到軟實(shí)時(shí)Linux系統的2-5倍。

　　簡(jiǎn)單地說(shuō)，RTCore是一個(gè)為了達到實(shí)時(shí)性而進(jìn)行的“中斷抽象”。這種實(shí)時(shí)執行技術(shù)提供了一個(gè)硬件抽象層，可以管理系統中所有的硬件中斷，處理所有的實(shí)時(shí)響應。當所有的實(shí)時(shí)請求都處理完后，才把非實(shí)時(shí)性的工作交給標準的Linux kernel。這種做法可以獲得雙重好處——一方面為應用提供了必須的硬實(shí)時(shí)能力，另一方面又不需要對標準Linux進(jìn)行任何修改，從而可以保證對于第三方應用以及其他Linux進(jìn)程的完全兼容性。

　　也許有人會(huì )問(wèn)，現在已經(jīng)有開(kāi)放源代碼的硬實(shí)時(shí)Linux，為什么風(fēng)河公司還有花錢(qián)去買(mǎi)過(guò)來(lái)，再補充到自己原有的Linux平臺之中呢？風(fēng)河公司認為，購買(mǎi)RTCore技術(shù)可以讓W(xué)ind River Linux平臺擁有成熟并且經(jīng)過(guò)實(shí)用測試硬實(shí)時(shí)能力，立刻向電子設備廠(chǎng)商提供相應的解決方案。盡管在開(kāi)放源碼社區可以獲得實(shí)時(shí)Linux技術(shù)，但是RTLinux是唯一提供商業(yè)化支持與服務(wù)的硬實(shí)時(shí)Linux解決方案。還有些宣稱(chēng)具有實(shí)時(shí)性的Linux解決方案，并不一定具有硬實(shí)時(shí)能力，而且更重要的是，在這種平臺上所開(kāi)發(fā)的應用軟件很難在多種架構平臺之間移植。

　　總之，風(fēng)河公司購買(mǎi)并融合RTCore技術(shù)，將會(huì )使Wind River Linux平臺的客戶(hù)在獲得硬實(shí)時(shí)特性的同時(shí)免于受到GPL的限制。因為風(fēng)河公司所購買(mǎi)的TRLinux包括專(zhuān)利、版權、商標和相關(guān)的產(chǎn)品權利，從而可以不受限制地服務(wù)于新型的Linux設備軟件市場(chǎng)。由此獲得的知識產(chǎn)權將會(huì )為無(wú)數致力于基于Linux的實(shí)時(shí)應用解決方案開(kāi)發(fā)人員提供有力的支持。從此開(kāi)始，放眼整個(gè)設備軟件市場(chǎng)，幾乎找不到像風(fēng)河系統公司這樣擁有最全面、完整的實(shí)時(shí)系統解決方案提供商。 

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