實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)操作系統有什么區別？

實(shí)時(shí)操作系統，當外界事件和數據產(chǎn)生時(shí)，系統能以足夠快的速度予以處理，其處理結果能在規定的時(shí)間內控制生產(chǎn)結果或對系統做出響應，并控制所有實(shí)時(shí)任務(wù)協(xié)調一致運行的操作系統。

在下圖中右邊的任務(wù)優(yōu)先級("優(yōu)先級")高于左邊的任務(wù)，先看實(shí)時(shí)操作系統的，當優(yōu)先級更高的任務(wù)2就緒的時(shí)候，即便任務(wù)1正在運行中，也必須立刻交出CPU的使用權，就跟中斷一樣，先執行任務(wù)2，等任務(wù)2執行完或者主動(dòng)掛起(sleep)讓出CPU的時(shí)候，任務(wù)1才能接著(zhù)運行。

實(shí)時(shí)操作系統，一般分為硬實(shí)時(shí)和軟實(shí)時(shí)，硬實(shí)時(shí)指的是在規定的時(shí)間內必須完成任務(wù)操作，在操作系統設計時(shí)保證；

軟實(shí)時(shí)只要按照任務(wù)的優(yōu)先級，盡可能地完成任務(wù)操作即可。

完全滿(mǎn)足在指定時(shí)間內完成關(guān)鍵行為

硬實(shí)時(shí)操作系統嚴格規定了限定時(shí)間內必須完成任務(wù)，否則會(huì )導致嚴重后果發(fā)生。如在自動(dòng)駕駛場(chǎng)景下，車(chē)輛前置攝像頭模塊，短距長(cháng)距雷達及助力轉向等模塊需要連續采集處理數據，并通過(guò)算法輸出決策行為。其中，系統必須在指定時(shí)間內完成對輸入的采集數據完成運算及處理，并完成輸出。

假設方向盤(pán)轉角，節氣門(mén)等駕駛相關(guān)控制信號若無(wú)法確保實(shí)時(shí)性，自動(dòng)駕駛系統的安全性將無(wú)法保證。

常見(jiàn)的硬實(shí)時(shí)操作系統有VxWorks，ThreadX、FreeRTOS、ucOS。

值得提一句的是，VxWorks是世界范圍內現役航天，航海，飛機，坦克自動(dòng)化控制部分使用范圍最廣的實(shí)時(shí)操作系統，包括國內網(wǎng)上熱度最高的幾種軍事設備也同使用了此系統。

大多數情況下在指定時(shí)間內完成關(guān)鍵行為

軟實(shí)時(shí)系統對處理事件的時(shí)間要求是統計學(xué)預期，即使在處理過(guò)程中偶發(fā)出現了時(shí)間偏差，也不會(huì )對系統造成致命后果。

如IP電視解碼視頻流數據時(shí)，可能會(huì )出現數據幀的丟失，但即使了，僅是用戶(hù)視覺(jué)上的體驗影響，或通過(guò)抖動(dòng)處理，就可以解決圖像上的視覺(jué)感知問(wèn)題。

• 多任務(wù)
  系統提供了多任務(wù)運行機制，系統內核通過(guò)調度讓CPU運行許多外部事件線(xiàn)程，實(shí)現任務(wù)的并發(fā)性。
• 搶占調度
  系統具有繼承的優(yōu)先級和搶占式內核屬性，在執行某一項任務(wù)的時(shí)候，若有更高優(yōu)先級的任務(wù)進(jìn)入可執行態(tài)，系統將會(huì )立即搶占當前CPU資源，退出低優(yōu)先級任務(wù)，運行高優(yōu)先級任務(wù)。
• 任務(wù)間的通訊和同步
  實(shí)時(shí)系統中，可能存在許多任務(wù)作為一個(gè)應用的部分執行，系統必須提供這些任務(wù)間的通訊機制，有效地共享不可搶占的資源或者臨界區所需要的同步機制。
• 任務(wù)與中斷之間的通信
  在真實(shí)應用場(chǎng)景中，事件通常作為中斷的方式到來(lái)，為了系統調度的穩定、提供有效的排隊和減小中斷服務(wù)程序的開(kāi)銷(xiāo)，通常希望在任務(wù)級線(xiàn)程處理相應工作，所以需要任務(wù)與中斷之間的通信。

再看看我們的Linux/Windows/OSX這些基于時(shí)間片輪轉的操作系統遇到這種問(wèn)題的時(shí)候會(huì )怎么樣呢，毫無(wú)疑問(wèn)它們都是非實(shí)時(shí)的操作系統，CPU是不可搶占的，從上圖可以看到，即便高優(yōu)先級的任務(wù)就緒了，也不能馬上中斷低優(yōu)先級任務(wù)而得到執行，必須要等到低優(yōu)先級任務(wù)主動(dòng)掛起(sleep)或者時(shí)間片結束才能得到執行。

所以我們在使用PC的時(shí)候經(jīng)常會(huì )遇到應用程序無(wú)響應的問(wèn)題。即硬件資源被其他任務(wù)占用，本任務(wù)得不到立即執行。

學(xué)習過(guò)程中最常見(jiàn)的操作系統是通用操作系統，即Windows、Unix、Linux等，此類(lèi)系統由分時(shí)操作系統發(fā)展而來(lái)。

分時(shí)操作系統的基本設計原則是：盡量縮短系統的平均響應時(shí)間并提高系統的吞吐率，在單位時(shí)間內為盡可能多的用戶(hù)請求提供服務(wù)。

因而相比實(shí)時(shí)操作系統，非實(shí)時(shí)操作系統更關(guān)注系統平均性能，在響應時(shí)間上，非實(shí)時(shí)操作系統注重所有任務(wù)的平均響應時(shí)間，也就是說(shuō)，它注重所有任務(wù)的平均響應時(shí)間而不關(guān)心單個(gè)任務(wù)的響應時(shí)間，針對某單個(gè)任務(wù)，也是注重每次執行的平均響應時(shí)間而不關(guān)心某次特定執行的響應時(shí)間。

Windows作為最常使用的通用操作系統，支持系統管理多用戶(hù)多進(jìn)程的系統資源。

與實(shí)時(shí)操作系統的內核搶占機制不同的是，分時(shí)操作系統內核不可搶占，無(wú)論優(yōu)先級多高的任務(wù)，都必須等當前CPU任務(wù)完成或當前任務(wù)主動(dòng)退出后才可以執行。

想必都有體會(huì )的是，當CPU空閑時(shí)，電腦系統運行流暢，但當后臺執行補丁下載或殺毒時(shí)，一旦CPU進(jìn)入高負荷狀態(tài)，操作系統就會(huì )出現運行卡頓甚至死機的問(wèn)題。

計算機同時(shí)為多個(gè)用戶(hù)任務(wù)服務(wù)的操作系統，操作系統以時(shí)間片輪詢(xún)的機制，將系統處理時(shí)間與內存按照一定是時(shí)間間隔，輪流執行任務(wù)，實(shí)現任務(wù)的調度和執行。

由于間隔時(shí)間很短，每個(gè)用戶(hù)的任務(wù)感覺(jué)獨占計算機一樣，保證用戶(hù)任務(wù)的響應和執行。

• 交互性
  用戶(hù)和系統進(jìn)行人機對話(huà)。
• 多路性
  多用戶(hù)在各自終端上使用同一個(gè)CPU。
• 獨立性
  用戶(hù)可以獨立操作，互不干擾，互不混淆。
• 及時(shí)性
  用戶(hù)在短時(shí)間內可以得到系統的及時(shí)應答。

兩類(lèi)操作系統的主要區別在于任務(wù)調度處理方式不同，常用的任務(wù)調度方式有兩種：基于任務(wù)優(yōu)先級的任務(wù)調度方式和基于時(shí)間片的任務(wù)調度方式：

1. 基于任務(wù)優(yōu)先級的調度方式：一旦內核把資源分配給某進(jìn)程后，便讓該進(jìn)程一直執行，直到該進(jìn)程完成或發(fā)生某事件而被阻塞（常見(jiàn)的方式主動(dòng)調用delay），才再把處理機分配給其他進(jìn)程，否則高優(yōu)先級的任務(wù)會(huì )一直運行。所以這種情況下，如果某個(gè)高優(yōu)先級的任務(wù)運行時(shí)間過(guò)長(cháng)最好有阻塞機制，來(lái)讓出CPU使其他低優(yōu)先級的任務(wù)也有機會(huì )運行。

2. 基于時(shí)間片的調度方式：這種方式下，所有任務(wù)的優(yōu)先級相同，當內核給該進(jìn)程分配的時(shí)間片結束后，內核會(huì )停止正在執行的這個(gè)進(jìn)程，下一個(gè)時(shí)間片分配給其他進(jìn)程執行，即便這個(gè)任務(wù)沒(méi)有執行完也沒(méi)有主動(dòng)delay自己。

因此非實(shí)時(shí)操作系統與實(shí)時(shí)操作系統相比，最直接的差別：

當內核處于相對消耗狀態(tài)時(shí)，非實(shí)時(shí)操作系統處理延時(shí)會(huì )增加，甚至無(wú)法保證最高優(yōu)先級任務(wù)執行的最后時(shí)限。

為滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性與可靠性，車(chē)輛ECU目前絕大多數模塊都為實(shí)時(shí)操作系統，近年來(lái)Infotainment，Tbox，ADAS部分處理模塊，中央網(wǎng)關(guān)及所謂的域控制器也逐步使用了Linux等分時(shí)系統來(lái)拓展部分功能，并配合相關(guān)實(shí)時(shí)操作系統來(lái)組合實(shí)現某些車(chē)載功能，使得車(chē)輛因引入了大數據分析，安全滲透分析等能力后實(shí)現了更深程度的智能化。