Windows實(shí)時(shí)擴(kuò)展的現(xiàn)狀

眾所周知，Windows 操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性差，不適合在實(shí)時(shí)性要求高的應(yīng)用場(chǎng)景使用。

于是，不少?gòu)S商為挽留 Windows 用戶，并能繼續(xù)使用 Windows 強(qiáng)大的圖形化界面，紛紛推出基于 Windows 環(huán)境的實(shí)時(shí)應(yīng)用。

這里，我們要先排除一個(gè)誤區(qū)，即 Windows 下的實(shí)時(shí)擴(kuò)展并不能使 Windows 本身改造成為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），而是通過(guò)專(zhuān)有實(shí)時(shí)環(huán)境與 Windows 并行（有時(shí)甚至嵌入到 Windows 中）來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)功能擴(kuò)展。

然而，并非所有的 Windows 實(shí)時(shí)擴(kuò)展使用的方式都相同，實(shí)時(shí)擴(kuò)展環(huán)境的開(kāi)發(fā)者往往需要多方面綜合考慮專(zhuān)有環(huán)境的可用性。

這對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗麄儽仨氈匦聦W(xué)習(xí)并使用該 Windows 實(shí)時(shí)擴(kuò)展的專(zhuān)有環(huán)境來(lái)開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)應(yīng)用程序。

此外，他們必須依靠實(shí)時(shí)內(nèi)核或環(huán)境的供應(yīng)商提供的功能來(lái)決定要實(shí)現(xiàn)的功能，有時(shí)可能會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間調(diào)試，甚至最終可能導(dǎo)致功能的缺失。

LxWin — 一個(gè)不同的Windows實(shí)時(shí)解決方案

Acontis 最新的 Windows 實(shí)時(shí)擴(kuò)展解決方案 LxWin 與傳統(tǒng) Windows 實(shí)時(shí)擴(kuò)展的工作原理不同，它提供了一種新穎的替代方案，可以給需要運(yùn)行實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的用戶一個(gè)更好的選擇。

首先，LxWin 在實(shí)時(shí)應(yīng)用程序和非實(shí)時(shí) Windows 之間使用了一種更加高效的隔離方法。

LxWin 沒(méi)有使用專(zhuān)有的 RTOS 或?qū)崟r(shí)環(huán)境，而是在 hypervisor 環(huán)境之上嵌入了 Linux 硬實(shí)時(shí)內(nèi)核。與傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)擴(kuò)展相比，hypervisor 環(huán)境至關(guān)重要，可確保與 Windows 更好的隔離。

Linux-RT是最流行的RTOS

此外，LxWin 使用開(kāi)源 Linux 作為RTOS，而非專(zhuān)有 RTOS，這是一項(xiàng)關(guān)鍵因素。

在過(guò)去的幾年中，Linux 已成為工業(yè)實(shí)時(shí)應(yīng)用中使用最廣泛的操作系統(tǒng)。這意味著開(kāi)發(fā)人員可以使用開(kāi)源社區(qū)為 Linux 提供的所有流行工具和軟件包，無(wú)需學(xué)習(xí)新的特殊RTOS。

在 Windows 實(shí)時(shí)擴(kuò)展中，將 Linux 用作 RTOS，對(duì)于需要實(shí)時(shí)行為的工業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)是非常合適的。

最初，實(shí)時(shí)Linux 開(kāi)發(fā)工作是由Open Source Automation Development Lab（OSADL）驅(qū)動(dòng)的，AMD、英特爾、寶馬、羅氏、Phoenix Contact 和 KUKA 等主要公司都是該組織的成員。

2016年，隨著實(shí)時(shí) Linux 的開(kāi)發(fā)變得越來(lái)越流行，Linux 基金會(huì)接管了該項(xiàng)目，將主線 Linux 內(nèi)核本身變?yōu)閷?shí)時(shí)操作系統(tǒng)（有關(guān)更多信息，請(qǐng)參見(jiàn) Real Time Linux 項(xiàng)目網(wǎng)站）。

由于 Acontis 所處的獨(dú)特地位，使得我們可以看到工業(yè)應(yīng)用上使用最廣泛的操作系統(tǒng)的趨勢(shì)。

今天，盟通的 EtherCAT Master 軟件EC-Master 支持超過(guò)25種不同的操作系統(tǒng)，它通常需要在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中運(yùn)行才能獲得最佳的性能，其中Linux 是最受歡迎的選擇。

如下圖所示，在所有使用 EC-Master 客戶中，超過(guò)35％的人使用 Linux，并且越來(lái)越多的新客戶選擇Linux，希望這一比例會(huì)繼續(xù)增加。

除了 EtherCAT 應(yīng)用程序，現(xiàn)在整體的工業(yè)市場(chǎng)中也正有這種大趨勢(shì)。越來(lái)越多的機(jī)器設(shè)備、運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)器人控制、PLC、半導(dǎo)體制造設(shè)備以及測(cè)試解決方案的全球領(lǐng)先供應(yīng)商都已經(jīng)開(kāi)始實(shí)施 Linux-RT，其他傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)逐步被取代。

Linux實(shí)時(shí)性內(nèi)核的市場(chǎng)挑戰(zhàn)

當(dāng)然，將 Linux 用于實(shí)時(shí)應(yīng)用程序仍然存在著一些挑戰(zhàn)，最困難的任務(wù)之一是為實(shí)時(shí)行為配置 Linux 內(nèi)核。

在將主線 Linux 內(nèi)核完全實(shí)現(xiàn)為實(shí)時(shí)內(nèi)核之前，開(kāi)發(fā)人員必須為內(nèi)核打一些補(bǔ)丁并重新配置內(nèi)核以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性。這些補(bǔ)丁通常稱(chēng)為 RT-PREEMPT，補(bǔ)丁的數(shù)量往往不止一個(gè)，但也并非所有補(bǔ)丁都必須。

Acontis LxWin 的優(yōu)勢(shì)就在于，開(kāi)發(fā)人員根本不需要理會(huì) Linux 內(nèi)核配置和構(gòu)建， LxWin 附帶的 Linux 內(nèi)核已經(jīng)提供補(bǔ)丁、配置和硬實(shí)時(shí)內(nèi)核的測(cè)試功能，最終可以實(shí)現(xiàn)非常短的周期時(shí)間，可低至50微秒。

Linux的優(yōu)勢(shì)

除了作為實(shí)時(shí)內(nèi)核之外，Linux 本身帶來(lái)的可用優(yōu)勢(shì)也有很多，如：Socket 套接字，完整的 POSIX API，用戶空間/內(nèi)核空間隔離，多任務(wù)處理和多進(jìn)程等復(fù)雜功能。

當(dāng)今市場(chǎng)上，幾乎所有的硬件都可以使用 Linux 的驅(qū)動(dòng)程序，這意味著開(kāi)發(fā)人員無(wú)需等待專(zhuān)有的實(shí)時(shí)擴(kuò)展平臺(tái)的供應(yīng)商實(shí)現(xiàn)或發(fā)布特定的驅(qū)動(dòng)程序。

另外，借助 Linux 可以使用大量的軟件庫(kù)、協(xié)議棧和中間件（包括開(kāi)源代碼和封閉源代碼的商業(yè)產(chǎn)品）：C++ STL、Boost、Corba、OPC / UA、DDS、AVB / TSN、EtherCAT、PROFINET、基于軟件的 PLC、運(yùn)動(dòng)控制庫(kù)、CNC解決方案等等。

當(dāng)然，由于 Linux 的開(kāi)源的性質(zhì)，Acontis LxWin 附帶的所有 Linux 組件代碼也是開(kāi)源的。如有需要，客戶可以深入調(diào)試內(nèi)核，即 LxWin 的客戶可以獲得整個(gè) Linux 源代碼的解決方案，以確保其對(duì)軟件的最大控制權(quán)。

最后，使用 LxWin 的開(kāi)發(fā)人員無(wú)需放棄他們偏愛(ài)的 Microsoft 開(kāi)發(fā)環(huán)境，這意味著使用 Microsoft Visual Studio 完全支持實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的軟件開(kāi)發(fā)和調(diào)試。

審核編輯 ：李倩