實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)概述

　　實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）是指當(dāng)外界事件或數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí)，能夠接受并以足夠快的速度予以處理，其處理的結(jié)果又能在規(guī)定的時(shí)間之內(nèi)來(lái)控制生產(chǎn)過(guò)程或?qū)μ幚硐到y(tǒng)做出快速響應(yīng)，調(diào)度一切可利用的資源完成實(shí)時(shí)任務(wù)，并控制所有實(shí)時(shí)任務(wù)協(xié)調(diào)一致運(yùn)行的操作系統(tǒng)。提供及時(shí)響應(yīng)和高可靠性是其主要特點(diǎn)。

　　實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是搶占式操作系統(tǒng)，如果你的進(jìn)程優(yōu)先級(jí)高，則肯定第一個(gè)得到執(zhí)行，直至結(jié)束執(zhí)行，中間的時(shí)間通過(guò)CPU頻率等可以推算出來(lái)。

　　其實(shí)就是要求你對(duì)他的請(qǐng)求，他得在一定時(shí)限內(nèi)給你結(jié)果，而不能因?yàn)橄到y(tǒng)忙或調(diào)度算法的原因拖沓，也就是只要指定了時(shí)間或發(fā)生了高優(yōu)先級(jí)時(shí)間，無(wú)論任何操作，必須立刻中斷，即使內(nèi)核也是如此。

　　Windows的內(nèi)核是不可搶占的，所以它不是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。Linux是軟實(shí)時(shí)的，內(nèi)核中仍然有大量不可搶占區(qū)域。時(shí)限要求高的是硬實(shí)時(shí)，時(shí)限要求低的是軟實(shí)時(shí)

　　非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)概述

　　通常的通用操作系統(tǒng)Windows和Linux都叫分時(shí)操作系統(tǒng)，一般采用公平調(diào)度算法，線程/進(jìn)程一多就得分享CPU時(shí)間，Linux下有針對(duì)“實(shí)時(shí)進(jìn)程”的調(diào)度，調(diào)度算法和普通進(jìn)程不一樣，但也只是相對(duì)的響應(yīng)時(shí)間降低而已，類似的Windows下的“實(shí)時(shí)”優(yōu)先級(jí)，也只不過(guò)是最高優(yōu)先級(jí)，而不是真正的實(shí)時(shí)

　　真正的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核是可中斷可搶占的。而非實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng)通常在執(zhí)行內(nèi)核功能時(shí)是不可中斷的，Linux是軟實(shí)時(shí)的，它在內(nèi)核中加入了若干可中斷點(diǎn)，而不是任何時(shí)候都允許中斷。

　　Windows的內(nèi)核是不可搶占的，所以它不是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。Linux是軟實(shí)時(shí)的，內(nèi)核中仍然有大量不可搶占區(qū)域。

　　這樣對(duì)內(nèi)核的設(shè)計(jì)就要求很高。

　　實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的區(qū)別

　　實(shí)時(shí)系統(tǒng)與非實(shí)時(shí)系統(tǒng)的根本區(qū)別在于：實(shí)時(shí)系統(tǒng)具有與外部環(huán)境及時(shí)交互作用的能力。也就是說(shuō)實(shí)時(shí)系統(tǒng)從外部獲取信息以及系統(tǒng)得出結(jié)論要在很短的限制時(shí)間內(nèi)完成。

　　嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中采用的操作系統(tǒng)我們稱為嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它既是嵌入式操作系統(tǒng)，又是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。作為一種嵌入式操作系統(tǒng)，它具有嵌入式軟件共有的可裁剪、低資源占用、低功耗等特點(diǎn)；而作為一種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（本文對(duì)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)特性的討論僅限于強(qiáng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，下面提到的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)也均指強(qiáng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)），它與通用操作系統(tǒng)（如Windows、Unix、Linux等）相比有很大的差別，下面我們將通過(guò)比較這兩種操作系統(tǒng)之間的差別來(lái)逐步描述實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。

　　我們?cè)谌粘９ぷ鲗W(xué)習(xí)環(huán)境中接觸最多的是通用操作系統(tǒng)，通用操作系統(tǒng)是由分時(shí)操作系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)，大部分都支持多用戶和多進(jìn)程，負(fù)責(zé)管理眾多的進(jìn)程并為它們分配系統(tǒng)資源。分時(shí)操作系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)原則是：盡量縮短系統(tǒng)的平均響應(yīng)時(shí)間并提高系統(tǒng)的吞吐率，在單位時(shí)間內(nèi)為盡可能多的用戶請(qǐng)求提供服務(wù)。由此可以看出，分時(shí)操作系統(tǒng)注重平均表現(xiàn)性能，不注重個(gè)體表現(xiàn)性能。如對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，注重所有任務(wù)的平均響應(yīng)時(shí)間而不關(guān)心單個(gè)任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間，對(duì)于某個(gè)單個(gè)任務(wù)來(lái)說(shuō)，注重每次執(zhí)行的平均響應(yīng)時(shí)間而不關(guān)心某次特定執(zhí)行的響應(yīng)時(shí)間。通用操作系統(tǒng)中采用的很多策略和技巧都體現(xiàn)出了這種設(shè)計(jì)原則，如虛存管理機(jī)制中由于采用了LRU等頁(yè)替換算法，使得大部分的訪存需求能夠快速地通過(guò)物理內(nèi)存完成，只有很小一部分的訪存需求需要通過(guò)調(diào)頁(yè)完成，但從總體上來(lái)看，平均訪存時(shí)間與不采用虛存技術(shù)相比沒(méi)有很大的提高，同時(shí)又獲得了虛空間可以遠(yuǎn)大于物理內(nèi)存容量等好處，因此虛存技術(shù)在通用操作系統(tǒng)中得到了十分廣泛的應(yīng)用。類似的例子還有很多，如Unix文件系統(tǒng)中文件存放位置的間接索引查詢機(jī)制等，甚至硬件設(shè)計(jì)中的Cache技術(shù)以及CPU的動(dòng)態(tài)分支預(yù)測(cè)技術(shù)等也都體現(xiàn)出了這種設(shè)計(jì)原則。由此可見(jiàn)，這種注重平均表現(xiàn)，即統(tǒng)計(jì)型表現(xiàn)特性的設(shè)計(jì)原則的影響是十分深遠(yuǎn)的。

　　而對(duì)于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，前面我們已經(jīng)提到，它除了要滿足應(yīng)用的功能需求以外，更重要的是還要滿足應(yīng)用提出的實(shí)時(shí)性要求，而組成一個(gè)應(yīng)用的眾多實(shí)時(shí)任務(wù)對(duì)于實(shí)時(shí)性的要求是各不相同的，此外實(shí)時(shí)任務(wù)之間可能還會(huì)有一些復(fù)雜的關(guān)聯(lián)和同步關(guān)系，如執(zhí)行順序限制、共享資源的互斥訪問(wèn)要求等，這就為系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的保證帶來(lái)了很大的困難。

　　因此，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)所遵循的最重要的設(shè)計(jì)原則是：采用各種算法和策略，始終保證系統(tǒng)行為的可預(yù)測(cè)性（predictability）?？深A(yù)測(cè)性是指在系統(tǒng)運(yùn)行的任何時(shí)刻，在任何情況下，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的資源調(diào)配策略都能為爭(zhēng)奪資源（包括CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)帶寬等）的多個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)合理地分配資源，使每個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求都能得到滿足。與通用操作系統(tǒng)不同，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)注重的不是系統(tǒng)的平均表現(xiàn)，而是要求每個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)在最壞情況下都要滿足其實(shí)時(shí)性要求，也就是說(shuō)，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)注重的是個(gè)體表現(xiàn)，更準(zhǔn)確地講是個(gè)體最壞情況表現(xiàn)。舉例來(lái)說(shuō)，如果實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的虛存技術(shù)，則一個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)執(zhí)行的最壞情況是每次訪存都需要調(diào)頁(yè)，如此累計(jì)起來(lái)的該任務(wù)在最壞情況下的運(yùn)行時(shí)間是不可預(yù)測(cè)的，因此該任務(wù)的實(shí)時(shí)性無(wú)法得到保證。從而可以看出在通用操作系統(tǒng)中廣泛采用的虛存技術(shù)在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中不宜直接采用。