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。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)或 RTOS（有時(shí)稱(chēng)為實(shí)時(shí)執(zhí)行內(nèi)核）是一個(gè)函數(shù)庫(kù)，用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的時(shí)間關(guān)鍵管理和資源分配的規(guī)則和策略。RTOS 常用于嵌入式系統(tǒng)。

RTOS 為微控制器或處理器 (CPU) 提供了一個(gè)軟件抽象層，具有一組管理 CPU 資源調(diào)度和訪問(wèn)的固有功能。簡(jiǎn)而言之，RTOS的功能可以總結(jié)如下：

它確定應(yīng)用程序中的哪些執(zhí)行實(shí)體應(yīng)該控制 CPU、以什么順序以及在放棄對(duì)處理器的控制之前允許多長(zhǎng)時(shí)間。

它管理多個(gè)活動(dòng)之間的內(nèi)部存儲(chǔ)共享。

它管理連接的硬件設(shè)備的輸入和輸出，例如控制器設(shè)備的串行端口和 I/O 總線(xiàn)。

它發(fā)送有關(guān)操作狀態(tài)和已發(fā)生的任何錯(cuò)誤的消息。

精心設(shè)計(jì)的 RTOS（圖 1）提供了許多切實(shí)的好處，例如：

通過(guò)規(guī)則和政策為項(xiàng)目奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，以確保一致性和可重復(fù)性。

簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)過(guò)程并提高生產(chǎn)力：豐富的內(nèi)核服務(wù) (API) 集允許節(jié)省編寫(xiě)擴(kuò)展代碼的時(shí)間，而系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)過(guò)多，無(wú)法完成相同的事情。

對(duì)處理器的抽象，而不關(guān)注許多硬件細(xì)節(jié)。

實(shí)施可靠的編程系統(tǒng)以成功管理共享同一處理器的多個(gè)操作：這使您可以管理對(duì)各種處理器或外圍資源的訪問(wèn)，以便可以在不受干擾的情況下成功執(zhí)行操作。

清理功能的高效管理：保存和恢復(fù)日志集以及管理內(nèi)存緩沖區(qū)。

集成和管理來(lái)自通信和中間件堆棧（TCP/IP、USB、CAN、FAT 和 Flash 文件系統(tǒng)等）的必要資源。

優(yōu)化系統(tǒng)資源的使用，提高產(chǎn)品的可靠性、可維護(hù)性和質(zhì)量。

RTOS 可以將所有這些元素整合到一個(gè)平臺(tái)中。它實(shí)現(xiàn)了便利的開(kāi)發(fā)過(guò)程，并允許更短的上市時(shí)間、更高的可靠性和更低的風(fēng)險(xiǎn)。

圖 1：通用實(shí)時(shí)系統(tǒng) (RTOS)

圖 2：實(shí)時(shí)系統(tǒng) (RTOS) – 調(diào)度程序

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的組件

RTOS 的組件是調(diào)度程序、函數(shù)庫(kù)、類(lèi)和用戶(hù)定義的數(shù)據(jù)對(duì)象。讓我們分別詳細(xì)地分析它們。調(diào)度程序（圖 2）是 RTOS 的關(guān)鍵組件，它確定應(yīng)用程序代碼的哪些實(shí)體以何種順序訪問(wèn) CPU。在大多數(shù)商業(yè) RTOS 中，存在三種編程模型：搶占式、協(xié)作式（也稱(chēng)為循環(huán)）和時(shí)間片模型。RTOS 函數(shù)庫(kù)用作應(yīng)用程序代碼和 RTOS 之間的接口。這些功能也稱(chēng)為應(yīng)用程序接口 (API)，將 RTOS 的操作需求封裝在其眾多服務(wù)中。應(yīng)用程序代碼實(shí)體通過(guò) API 向內(nèi)核發(fā)出請(qǐng)求，然后確定應(yīng)用程序所需的編程行為。類(lèi)和用戶(hù)定義的數(shù)據(jù)對(duì)象：RTOS 采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通常根據(jù)操作類(lèi)型排列成組或類(lèi)。RTOS 將用來(lái)控制程序的每個(gè)類(lèi)中的對(duì)象集由用戶(hù)定義。名稱(chēng)可能不同，具體取決于適當(dāng)設(shè)計(jì)的 RTOS 系統(tǒng)。

屬性和功能

RTOS 的屬性和功能可分為主要要求和次要要求。

主要要求：
· 管理處理器和其他系統(tǒng)資源以滿(mǎn)足應(yīng)用程序的需要。
· 同步事件。
· 在進(jìn)程之間有效地移動(dòng)數(shù)據(jù)。
· 管理與時(shí)間等獨(dú)立變量相關(guān)的流程需求。
· 可預(yù)測(cè)地執(zhí)行在可預(yù)測(cè)的時(shí)間段內(nèi)發(fā)生的操作

次要要求：
· 高效的 RAM 管理。
· 獨(dú)占訪問(wèn)系統(tǒng)資源。

資源管理系統(tǒng)

RTOS 的主要功能是管理某些系統(tǒng)資源，例如 CPU、內(nèi)存和時(shí)間。每個(gè)資源必須在并發(fā)進(jìn)程之間共享，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的一般功能，如下原則：

系統(tǒng)內(nèi)存是有限資源，因此必須共享。

由于 CPU 的運(yùn)行速度比執(zhí)行控制或監(jiān)視的物理進(jìn)程快得多，因此可以共享 CPU 以避免處理延遲。這種延遲可能會(huì)違反基本的系統(tǒng)策略。

時(shí)間是 RTOS 管理的最困難的資源。

RTOS 服務(wù)的執(zhí)行速度決定了系統(tǒng)對(duì)物理過(guò)程變化的響應(yīng)。然而，對(duì)于每項(xiàng)服務(wù)而言，在時(shí)間方面盡可能地具有確定性（可預(yù)測(cè)性）同樣重要。如果沒(méi)有可預(yù)測(cè)的時(shí)序，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員無(wú)法保證滿(mǎn)足物理過(guò)程的時(shí)間限制。

多任務(wù)處理

如果沒(méi)有專(zhuān)用于每個(gè)代碼實(shí)體的 CPU，就不可能同時(shí)執(zhí)行操作。但是，可以共享 CPU 訪問(wèn)時(shí)間以實(shí)現(xiàn)同時(shí)操作方面。許多活動(dòng)之間的切換順序是多任務(wù)處理概念的基礎(chǔ)。圖 3 顯示了如何實(shí)現(xiàn)多任務(wù)處理。左側(cè)顯示了處理器的典型模型，由 CPU、一些寄存器、處理器狀態(tài)、程序計(jì)數(shù)器 (PC) 和堆棧組成。

圖 3：多任務(wù)處理

要共享物理處理器，每個(gè)任務(wù)必須具有與物理處理器相同的屬性：一組寄存器、一個(gè)狀態(tài)、一個(gè)指向任務(wù)中下一條可執(zhí)行指令的 PC，以及一個(gè)用于局部變量的堆棧。當(dāng)然，每個(gè)活動(dòng)也會(huì)有自己的一組運(yùn)行代碼。另一方面，圖 2 的右側(cè)顯示了幾個(gè)虛擬處理器（任務(wù)）。每個(gè)任務(wù)都等待其在物理處理器中激活其屬性的機(jī)會(huì)。調(diào)度程序不斷地決定 CPU 在給定時(shí)刻應(yīng)該控制哪些活動(dòng)。當(dāng)需要停止正在運(yùn)行的任務(wù)并將 CPU 控制權(quán)交給新任務(wù)時(shí)，調(diào)度程序會(huì)將正在運(yùn)行的任務(wù)的屬性（操作上下文）與新任務(wù)的屬性（操作上下文）進(jìn)行交換。此過(guò)程稱(chēng)為“上下文切換”。

優(yōu)先和搶占

為了實(shí)現(xiàn)效率和共享 CPU 利用率，實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)使用從一個(gè)任務(wù)到另一個(gè)任務(wù)的適當(dāng)控制轉(zhuǎn)移。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，調(diào)度程序必須監(jiān)控系統(tǒng)資源和每個(gè)任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)，以確保每個(gè)實(shí)體及時(shí)接收 CPU 控制權(quán)。
這里的關(guān)鍵詞是及時(shí)性。沒(méi)有在正確的時(shí)間執(zhí)行必要任務(wù)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)是無(wú)效的。這個(gè)錯(cuò)誤可能會(huì)產(chǎn)生從良性到災(zāi)難性的后果。這意味著內(nèi)核服務(wù)請(qǐng)求的響應(yīng)時(shí)間和這些服務(wù)的執(zhí)行時(shí)間必須是快速且可預(yù)測(cè)的。RTOS 固有的可預(yù)測(cè)性允許設(shè)計(jì)應(yīng)用程序代碼以確保檢測(cè)和處理所有需求。實(shí)時(shí)應(yīng)用程序通常由多個(gè)進(jìn)程（任務(wù)和線(xiàn)程）組成，由于外部或內(nèi)部事件，這些進(jìn)程需要在不同時(shí)間控制系統(tǒng)資源。

調(diào)度模型

有幾種調(diào)度模型允許任務(wù)從處理器接收?qǐng)?zhí)行時(shí)間。這些中的每一個(gè)的有用性取決于
Round-Robin (Cooperative) 應(yīng)用要求：所有活動(dòng)同等重要，具有相同的優(yōu)先級(jí)。一旦任務(wù)接收到處理器控制，它將一直運(yùn)行，直到完成或到達(dá)重新調(diào)度點(diǎn)。然后它放棄對(duì) CPU 的控制權(quán)，以允許調(diào)度確定下一個(gè)任務(wù)，從而獲得對(duì) CPU 的控制權(quán)。在其執(zhí)行周期中，行循環(huán)任務(wù)（圖 4）不能凍結(jié)、等待、暫?；驁?zhí)行任何可能允許另一個(gè)任務(wù)獲得 CPU 控制權(quán)的操作，但它可以被中斷（異常）搶占。Tick-Sliced Scheduling：是循環(huán)調(diào)度的一種變體。兩種方法都是相似的，只是任務(wù)滴答只能由可以表示時(shí)間或某些其他特定單位的關(guān)聯(lián)計(jì)數(shù)器執(zhí)行預(yù)定義的次數(shù)（量子滴答）。任務(wù)保持對(duì) CPU 的控制，直到時(shí)間量刻度到期或直到活動(dòng)阻塞。如果量子滴答到期，如果有另一個(gè)具有相同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)等待執(zhí)行，則調(diào)度會(huì)強(qiáng)制任務(wù)出售其業(yè)務(wù)。Preemptive Scheduling：是導(dǎo)致預(yù)防性計(jì)劃概念的策略，其中物理處理器的控制權(quán)委托給具有最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。如圖 5 所示，較低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)（任務(wù) 2）在發(fā)生激活或釋放任務(wù) 1 的事件時(shí)被搶占。是導(dǎo)致預(yù)防性計(jì)劃概念的策略，其中物理處理器的控制委托給具有最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。如圖 5 所示，較低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)（任務(wù) 2）在發(fā)生激活或釋放任務(wù) 1 的事件時(shí)被搶占。是導(dǎo)致預(yù)防性計(jì)劃概念的策略，其中物理處理器的控制委托給具有最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。如圖 5 所示，較低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)（任務(wù) 2）在發(fā)生激活或釋放任務(wù) 1 的事件時(shí)被搶占。

圖 4：循環(huán)

圖 5：任務(wù)搶占

圖 6：內(nèi)核服務(wù)

內(nèi)核類(lèi)

RTOS 在一組通常稱(chēng)為類(lèi)的結(jié)構(gòu)上運(yùn)行。每個(gè)類(lèi)都支持一組通常稱(chēng)為內(nèi)核服務(wù)的運(yùn)算符（圖 6），這些運(yùn)算符由應(yīng)用程序進(jìn)程調(diào)用以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的行為。這些類(lèi)如下：

任務(wù)：管理程序代碼的執(zhí)行；每個(gè)活動(dòng)都獨(dú)立于其他活動(dòng)，但能夠以多種形式與其他活動(dòng)建立關(guān)系，包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入、輸出或其他構(gòu)造。

任務(wù)間通信：將信息從一項(xiàng)任務(wù)傳遞到另一項(xiàng)執(zhí)行的任務(wù)。用于交互任務(wù)的常用類(lèi)是信號(hào)量、隊(duì)列和管道。紅綠燈提供了一種使活動(dòng)與各種事件同步的方法。

內(nèi)核服務(wù)：執(zhí)行某些系統(tǒng)行為的例程。當(dāng)應(yīng)用程序代碼實(shí)體請(qǐng)求內(nèi)核提供的功能時(shí)，會(huì)啟動(dòng)對(duì)該功能的內(nèi)核服務(wù)請(qǐng)求。

ISR（中斷服務(wù)程序）：是一個(gè)軟件程序，被激活以響應(yīng)中斷

編譯具有實(shí)時(shí)支持的 Linux 內(nèi)核

要編譯具有實(shí)時(shí)支持的 linux 內(nèi)核（圖 7），您必須首先實(shí)時(shí)獲取源代碼和補(bǔ)丁。–

http://www.kernel.org/內(nèi)核版本；

http://www.kernel.org/pub/linux/kernel/projects/rt/獲取 RTOS 補(bǔ)丁

下載兼容版本很重要，否則編譯不會(huì)產(chǎn)生積極的結(jié)果。解壓文件夾后，復(fù)制舊配置文件：
cp /boot/config/kernel path/

下一步：
制作 oldconfig

完成上述命令后，運(yùn)行以下命令：

bzcat/路徑dellapatch/patch-2.6。Xx-rtyy。柏油。Bz2 | 補(bǔ)丁-p1

這會(huì)將實(shí)時(shí)補(bǔ)丁插入 Linux 內(nèi)核。此時(shí)鍵入以下命令：

制作菜單配置

轉(zhuǎn)到“處理器類(lèi)型和功能”（圖 8）并在“搶占模式”下選擇“完全搶占（實(shí)時(shí)）”。

在“定時(shí)器頻率”下選擇值，例如 1000 Hz。除了修改內(nèi)核的其他功能外，設(shè)置完成后必須立即執(zhí)行以下命令：

制作 -j5 bzImage

制作 -j5 模塊

制作modules_install

現(xiàn)在復(fù)制文件：/bootfolder中的arch / x86 / boot / bzImage。您有兩個(gè)選項(xiàng)來(lái)運(yùn)行測(cè)試：在啟動(dòng)時(shí)使用 grub shell 并手動(dòng)加載文件，或者為 grub 創(chuàng)建一個(gè)新條目。這可以通過(guò)將默認(rèn)內(nèi)核版本的值復(fù)制到/boot/grub/menu并適當(dāng)?shù)匦薷穆窂胶兔Q(chēng)來(lái)完成。

圖 7：QNX 微內(nèi)核示例

圖 8：使用 RTOS 編譯內(nèi)核

審核編輯 黃昊宇