實(shí)時(shí)系統(tǒng)必須尊重時(shí)間限制，以確保其執(zhí)行具有功能意義。它必須是確定性的，確保系統(tǒng)進(jìn)程的執(zhí)行先驗(yàn)。在分析了實(shí)時(shí)配置的一般特征后，我們將重點(diǎn)關(guān)注商業(yè)和市場(chǎng)方面，并以實(shí)時(shí) Linux 嵌入式操作系統(tǒng) （OS） 為例。

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) （RTOS） 可以描述為滿足其控制下的進(jìn)程的時(shí)序要求的系統(tǒng)。Linux 并非旨在提供實(shí)時(shí)性能。對(duì)于相對(duì)耗時(shí)的實(shí)時(shí)應(yīng)用程序，如果環(huán)境得到適當(dāng)控制（固定數(shù)量的進(jìn)程、測(cè)試的驅(qū)動(dòng)程序等）可能就足夠了。另一方面，標(biāo)準(zhǔn) Linux 內(nèi)核對(duì)于需要極快響應(yīng)時(shí)間或硬實(shí)時(shí)的應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)是不夠的。但是，標(biāo)準(zhǔn) Linux 的當(dāng)前開(kāi)發(fā)版本可用于軟實(shí)時(shí)和硬實(shí)時(shí)應(yīng)用程序。前者可以承受不尊重時(shí)間限制，即使樣本持續(xù)時(shí)間只有幾十毫秒。一個(gè)例子是視頻處理，其中偶爾的閃爍通常是可以接受的。硬實(shí)時(shí)應(yīng)用，另一方面，需要嚴(yán)格的確定性和快速的時(shí)間。自 1997 年以來(lái)，適用于此類(lèi)應(yīng)用程序的 Linux 實(shí)時(shí)變體已經(jīng)出現(xiàn)，這要?dú)w功于來(lái)自新墨西哥理工大學(xué)、米蘭理工大學(xué)和堪薩斯大學(xué)的研究小組，這些研究小組制作了廣泛分布并成功商業(yè)化的開(kāi)源版本。修改作為操作系統(tǒng)核心的標(biāo)準(zhǔn) Linux 內(nèi)核有兩種基本方法。這些中的每一個(gè)都作為標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核的補(bǔ)丁分發(fā)。第一種方法：微內(nèi)核，即在硬件和標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核之間插入一個(gè)新的、高效的代碼層。稱(chēng)為微內(nèi)核的附加代碼層負(fù)責(zé)所有這些實(shí)時(shí)功能，包括中斷、調(diào)度和高時(shí)間分辨率。微內(nèi)核（圖 1）將標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核作為后臺(tái)任務(wù)進(jìn)行管理。第二種方法：IEEE 1003.1d 內(nèi)核，它在標(biāo)準(zhǔn) Linux 內(nèi)核框架內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì) POSIX.1 的實(shí)時(shí)擴(kuò)展。這些擴(kuò)展將計(jì)時(shí)器、編程和搶占式邏輯直接添加到單個(gè)單片內(nèi)核中。較新版本的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核表現(xiàn)出大約 1 ms 的延遲（中斷的延遲時(shí)間）和抖動(dòng)（周期性事件的時(shí)序變化）。Linux 的實(shí)時(shí)版本在數(shù)百兆赫的處理器上運(yùn)行時(shí)具有大約幾微秒的延遲和抖動(dòng)。單片內(nèi)核。較新版本的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核表現(xiàn)出大約 1 ms 的延遲（中斷的延遲時(shí)間）和抖動(dòng)（周期性事件的時(shí)序變化）。Linux 的實(shí)時(shí)版本在數(shù)百兆赫的處理器上運(yùn)行時(shí)具有大約幾微秒的延遲和抖動(dòng)。單片內(nèi)核。較新版本的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核表現(xiàn)出大約 1 ms 的延遲（中斷的延遲時(shí)間）和抖動(dòng)（周期性事件的時(shí)序變化）。Linux 的實(shí)時(shí)版本在數(shù)百兆赫的處理器上運(yùn)行時(shí)具有大約幾微秒的延遲和抖動(dòng)。

實(shí)時(shí)：關(guān)鍵方面和參數(shù)

通常，操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)的硬件資源，該計(jì)算機(jī)承載在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的應(yīng)用程序。RTOS 執(zhí)行這些任務(wù)，但也專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于運(yùn)行具有非常精確的時(shí)序和高度可靠性的應(yīng)用程序。這在停機(jī)或程序延遲可能導(dǎo)致安全隱患的測(cè)量和自動(dòng)化系統(tǒng)中尤為重要。

操作系統(tǒng)必須對(duì)其執(zhí)行的每個(gè)關(guān)鍵操作都有一個(gè)已知的最大時(shí)間，才能被視為“實(shí)時(shí)”。其中一些操作包括操作系統(tǒng)調(diào)用和中斷處理（圖 2）。能夠絕對(duì)保證這些操作的最大時(shí)間的操作系統(tǒng)通常被稱(chēng)為“硬實(shí)時(shí)”，而能夠保證大部分時(shí)間的系統(tǒng)被稱(chēng)為“軟實(shí)時(shí)”。

許多開(kāi)發(fā)人員嘗試添加對(duì) Linux 的實(shí)時(shí)支持，從而填補(bǔ)其作為嵌入式系統(tǒng)功能的空白。即使某些應(yīng)用程序需要實(shí)時(shí)，某些系統(tǒng)也可以在沒(méi)有它的情況下運(yùn)行。Linux 實(shí)時(shí)系統(tǒng)的總體思路是在 Linux 下運(yùn)行一個(gè)小的實(shí)時(shí)內(nèi)核，這意味著實(shí)時(shí)內(nèi)核的優(yōu)先級(jí)高于標(biāo)準(zhǔn)的 Linux 內(nèi)核。實(shí)時(shí)任務(wù)由實(shí)時(shí)內(nèi)核執(zhí)行，普通Linux程序可以在沒(méi)有實(shí)時(shí)操作的情況下執(zhí)行。因?yàn)閷?shí)時(shí)內(nèi)核具有更高的優(yōu)先級(jí)，所以當(dāng)實(shí)時(shí)任務(wù)準(zhǔn)備好運(yùn)行時(shí)，普通的 Linux 進(jìn)程會(huì)被搶占。

通常，實(shí)時(shí)系統(tǒng)是這樣一種系統(tǒng)，其中計(jì)算的準(zhǔn)確性不僅取決于相應(yīng)的計(jì)算邏輯，還取決于創(chuàng)建結(jié)果的時(shí)刻。由于能夠量化事件激活和處理時(shí)間之間可能發(fā)生的延遲，因此及時(shí)性是操作的決定性因素。這種延遲通常稱(chēng)為“延遲”。中斷延遲是中斷和相應(yīng)中斷處理程序執(zhí)行之間的延遲。

許多事情可能會(huì)延遲中斷處理，包括系統(tǒng)總線爭(zhēng)用、DMA 操作，或者僅僅是對(duì)中斷本身的屏蔽。內(nèi)核軟件在處理關(guān)鍵代碼片段時(shí)需要后者，以便在內(nèi)核處理特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)沒(méi)有中斷處理程序可以更改特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。類(lèi)似地，中斷處理程序可以將任務(wù)放入隊(duì)列中，以便隨后在時(shí)間關(guān)鍵的上下文中執(zhí)行和處理從設(shè)備接收到的待處理數(shù)據(jù)。

此后，內(nèi)核可能需要一些時(shí)間來(lái)完成其當(dāng)前功能，然后再將 CPU 交給下一個(gè)任務(wù)。這種延遲稱(chēng)為運(yùn)輸延遲或調(diào)度延遲。要測(cè)量基于 Linux 的操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能，可能需要調(diào)查其他問(wèn)題，包括最壞情況下的執(zhí)行時(shí)間和抖動(dòng)。抖動(dòng)是接受和完成申請(qǐng)所需的時(shí)間。硬 RTOS 的抖動(dòng)小于軟 RTOS。另一方面，最壞情況執(zhí)行時(shí)間通常用于可靠的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，其中最壞情況的理解對(duì)于系統(tǒng)可靠性很重要。

例如，在監(jiān)控車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)行為的系統(tǒng)中，可能需要在特定時(shí)間段內(nèi)響應(yīng)輸入。如果可以在最壞的情況下確定軟件的運(yùn)行時(shí)間，那么系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以將其與調(diào)度分析等其他技術(shù)結(jié)合使用，以確保系統(tǒng)響應(yīng)足夠快。

通常，RTOS 需要以下特性：多任務(wù)處理、具有相對(duì)優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程以及足夠數(shù)量的中斷級(jí)別。小型嵌入式操作系統(tǒng)通常需要 RTOS，這些嵌入式操作系統(tǒng)封裝為微設(shè)備的一部分。一些內(nèi)核適用于 RTOS。但是，由于特定解決方案通常需要其他組件，例如設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，因此 RTOS 通常比內(nèi)核更大。

圖 1：帶有微內(nèi)核的 Linux 實(shí)時(shí)系統(tǒng)

圖 2：實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的中斷管理示例

RTOS 與通用操作系統(tǒng)

兩種操作系統(tǒng)的主要區(qū)別如下：

確定性：通用操作系統(tǒng)和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)之間的主要區(qū)別在于“確定性”時(shí)序行為。這意味著操作系統(tǒng)系統(tǒng)只消耗已知和預(yù)定量的時(shí)間。

任務(wù)調(diào)度：通用操作系統(tǒng)經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可以同時(shí)運(yùn)行各種應(yīng)用程序和進(jìn)程，從而確保所有任務(wù)至少獲得一些處理時(shí)間。因此，低優(yōu)先級(jí)任務(wù)可以被提升到設(shè)計(jì)人員可能不想要的其他優(yōu)先級(jí)任務(wù)。但是，RTOS 使用基于優(yōu)先級(jí)的搶占式調(diào)度，這使它們能夠始終如一地滿足其最后期限。所有系統(tǒng)調(diào)用都是確定性的，這意味著所有操作的正常運(yùn)行時(shí)間都是有限的。這在嵌入式系統(tǒng)中尤為重要，因?yàn)檠舆t可能會(huì)帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)。

搶占式內(nèi)核：在 RTOS 中，所有內(nèi)核操作都是可搶占式的。

優(yōu)先級(jí)顛倒：RTOS 具有避免優(yōu)先級(jí)顛倒的機(jī)制。

用途：RTOS 通常用于嵌入式應(yīng)用程序，而通用操作系統(tǒng)用于臺(tái)式 PC 或其他 PC。

實(shí)時(shí) Ubuntu

Ubuntu愛(ài)好者應(yīng)該知道，通過(guò)安裝相應(yīng)的軟件包可以使其“實(shí)時(shí)”。桌面系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，例如最流行的樹(shù)莓派：一種用于廣泛工業(yè)應(yīng)用的微型計(jì)算機(jī)。可用于較新 Ubuntu 版本的 Linux 實(shí)時(shí)軟件包可以為 Ubuntu Linux 帶來(lái)實(shí)時(shí)功能。實(shí)時(shí) Linux （RTLinux） 可以安裝在 12.04 和更早版本的 Ubuntu 發(fā)行版上。對(duì)于 Ubuntu 12.04，您可以直接從以下命令添加 PPA：

$ sudo add-apt-repository ppa： abogani / realtime.

對(duì)于 Ubuntu 11.10 或更高版本，您需要編輯 sources.list 文件以手動(dòng)添加存儲(chǔ)庫(kù)：$ sudo gedit /etc/apt/sources.list。在文件末尾添加以下行：

deb http://ppa.launchpad.net/abogani/realtime/ubuntu

deb-src http://ppa.launchpad.net/abogani/realtime/ubuntu

保存文件并更新 apt 存儲(chǔ)庫(kù)： $ Sudo apt-get update。完成后，您可以在 Ubuntu 系統(tǒng)上安裝 RTLinux： $ Sudo apt-get install linux-realtime。

最后兩個(gè)步驟也適用于 Ubuntu 12.04 中的 PPA 方法。

看市場(chǎng)

QNX Neutrino（圖 3）是市場(chǎng)上最傳統(tǒng)的 RTOS 之一。它具有微內(nèi)核架構(gòu)，完全兼容 POSIX 標(biāo)準(zhǔn)，并通過(guò)了 FAA DO-278 和 MIL-STD-1553 標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證。在該架構(gòu)中，內(nèi)核只實(shí)現(xiàn)了四個(gè)基本任務(wù)：任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間通信、底層網(wǎng)絡(luò)通信和中斷處理。系統(tǒng)的所有剩余部分（包括設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序）都作為用戶任務(wù)實(shí)現(xiàn)，從而使內(nèi)核快速、可靠且體積小。

與其他類(lèi)型的內(nèi)核相比，微內(nèi)核的優(yōu)勢(shì)之一是即使發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤（例如在文件系統(tǒng)中），系統(tǒng)的所有其他部分也不受影響。這意味著微內(nèi)核架構(gòu)提供了比其他操作系統(tǒng)更健壯的環(huán)境，盡管它的問(wèn)題是開(kāi)銷(xiāo)，這是由必須非常頻繁地使用的內(nèi)存保護(hù)引起的。

Neutrino 支持 ARM、MIPS、PowerPC、SH4 和 PC 架構(gòu)。自適應(yīng)分區(qū)是該操作系統(tǒng)的一項(xiàng)新功能，允許在處理器活動(dòng)中創(chuàng)建限制。

VxWorks（來(lái)自 Wind River）是嵌入式系統(tǒng)行業(yè)中使用最廣泛的 RTOS（圖 4）。使用 VxWorks 的一個(gè)應(yīng)用示例是著名的 NASA 機(jī)器人漫游者 Spirit。該 RTOS 已通過(guò)各種國(guó)際機(jī)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)的可靠性和關(guān)鍵安全應(yīng)用認(rèn)證。許多其他產(chǎn)品都基于 VxWorks：VxWorks 653 的設(shè)計(jì)遵循航空航天和國(guó)防工業(yè)的完整 ARINC 6532 合規(guī)性規(guī)范，以及關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用的安全要求。VxWorks MILS 3 還專(zhuān)為航空航天和國(guó)防而設(shè)計(jì)，為安全數(shù)據(jù)傳輸提供高度保障。VxWorks MILS 使系統(tǒng)能夠以不同的安全級(jí)別運(yùn)行應(yīng)用程序，同時(shí)確保共享或不共享安全和通信級(jí)別，按照嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。另一個(gè)操作系統(tǒng)是 LynxOS-178 RTOS，現(xiàn)在是第三代，用于硬實(shí)時(shí)確定性安全關(guān)鍵應(yīng)用程序。所有互聯(lián)安全市場(chǎng)都受益于 LynxOS-178，包括民用和軍用航空、鐵路、運(yùn)輸和陸地車(chē)輛。LynxOS-178 2.2.3 為開(kāi)發(fā)人員提供了實(shí)現(xiàn)最高級(jí)別的可靠性和安全性所需的認(rèn)證證書(shū)和當(dāng)前工具。

圖 3：QNX Neutrino 架構(gòu)

圖 4：VxWorks 6.2 架構(gòu)

圖 5：影響嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)/選擇的因素

結(jié)論

Wind River 著名的 QNX Neutrino 和 VxWorks 系統(tǒng)已經(jīng)證明了確定性和可靠性。然而，兩個(gè)未被廣泛使用的新系統(tǒng)，Windows CE 和 Linux RTAI 也顯示出有希望的特性。RTAI 提供了使用免費(fèi)軟件實(shí)時(shí)構(gòu)建可靠系統(tǒng)的可能性，并具有 Linux 社區(qū)的所有優(yōu)勢(shì)。

思科系統(tǒng)公司預(yù)測(cè)，到 2020 年，預(yù)計(jì)將有 500 億臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備投入使用。智能手機(jī)、平板電腦和其他使用應(yīng)用處理器和通用操作系統(tǒng)（如 Linux、Android 和 Windows）的消費(fèi)類(lèi)設(shè)備占其中的 20%單位。其他 80% 將根深蒂固并依賴(lài)于微控制器。正是在這 80% 中，RTOS 發(fā)揮了重要作用。

云技術(shù)認(rèn)真考慮了穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)量、連接性和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等方面，這大大加快了開(kāi)發(fā)時(shí)間。構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)十億智能設(shè)備和系統(tǒng)必須提供決策和解決問(wèn)題的功能，以及完美的用戶體驗(yàn)。RTOS（圖 5）處于物聯(lián)網(wǎng)的最前沿，因?yàn)樗鼈兲峁o(wú)故障的可靠性、實(shí)時(shí)功能以及支持?jǐn)?shù)百種新興協(xié)議的能力。它們還支持所有有線和無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，包括 CAN、藍(lán)牙、ZigBee、Wi-Fi 和以太網(wǎng)。

靈活且可擴(kuò)展的 RTOS 有助于提高投資回報(bào)、降低開(kāi)發(fā)成本，進(jìn)而縮短上市時(shí)間。盡管嵌入式系統(tǒng)歷來(lái)完全圍繞 8 位和 16 位 MCU 構(gòu)建，但 32 位 MCU 的價(jià)格迅速下降，使其成為基本產(chǎn)品。因此，它們?cè)谇度胧皆O(shè)備中的受歡迎程度飆升。網(wǎng)絡(luò)嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)常見(jiàn)技術(shù)解決方案是在設(shè)備中使用兩個(gè)處理器。在這種安排中，8 位或 16 位 MCU 用于傳感器或執(zhí)行器，而 32 位處理器用于網(wǎng)絡(luò)接口。第二個(gè)處理器在不斷發(fā)展和設(shè)計(jì)中運(yùn)行在 RTOS 上。

審核編輯：郭婷