大部分嵌入式項目還需要實時操作系統(tǒng)嗎?這個問題問得好，因為現(xiàn)代高性能處理器和 Linux、Windows 和其他通用操作系統(tǒng) (GPOS) 的實時補丁的可用性都在飛速發(fā)展。嵌入式設備的本質道出了答案。在許多情況下，制造設備都需要幾千甚至幾百萬個部件。哪怕設備硬件的單位成本節(jié)省 1 美元，都會為制造商帶來不小的財富。換言之，設備無法承受數(shù)千兆赫茲級處理器的成本(更不用說熱耗散了)。例如，在汽車遠程信息處理技術市場，常見的 32 位處理器以約 600 Mhz 的速度運行——遠遠慢于臺式機和服務器的常用處理器。在這種運行環(huán)境中，實時操作系統(tǒng)能得到低端硬件超快、可預測的響應，因此具有顯著的節(jié)約成本的優(yōu)勢。

除節(jié)約成本之外，實時操作系統(tǒng)提供的服務還能使許多計算問題迎刃而解，特別是當多種運行爭奪系統(tǒng)資源時。例如，試想一個用戶期望(或需要)立即響應輸入的系統(tǒng)。利用實時操作系統(tǒng)，軟件開發(fā)人員能確保用戶啟動的操作會先于其他系統(tǒng)活動執(zhí)行，除非必須先執(zhí)行更重要的任務(如幫助保護用戶安全的運行)。

再試想一個必須滿足服務質量 (QoS) 要求的系統(tǒng)，例如一臺可播放現(xiàn)場視頻的設備。如果設備依靠軟件播放其內容，它可能會以用戶無法接受的速率出現(xiàn)失幀現(xiàn)象——從用戶的角度看，該設備不可靠。但使用實時操作系統(tǒng)的話，軟件開發(fā)人員就能精確控制軟件進程的執(zhí)行順序，確保以適當和一致的媒體速率播放。

實時操作系統(tǒng)并不“公平”

對“硬”實時的需求(以及對實現(xiàn)該功能的實時操作系統(tǒng)的需求)仍然是嵌入式產品業(yè)的普遍要求。問題是，實時操作系統(tǒng)具備哪些通用操作系統(tǒng)所不具備的功能呢?適用于一些通用操作系統(tǒng)的實時擴展組件有多大用處呢?它們能提供和實時操作系統(tǒng)一樣的性能嗎?

讓我們先從任務調度開始。在通用操作系統(tǒng)中，調度程序通常使用一種“公平”策略，將線程和進程分配到 CPU 中。這種策略可確保臺式機和服務器的應用程序所需的較高的總吞吐量，但無法保證優(yōu)先級高、時間要求嚴格的線程先于優(yōu)先級低的線程執(zhí)行。

例如，通用操作系統(tǒng)可能會降低分配給優(yōu)先級高的線程的優(yōu)先級，或按照有利于系統(tǒng)內其他線程的公平原則，以動態(tài)方式調整優(yōu)先級。因此，優(yōu)先級高的線程就可能被優(yōu)先級低的線程搶占。此外，大多數(shù)通用操作系統(tǒng)都具有無限期的分配潛伏期：系統(tǒng)內的線程越多，通用操作系統(tǒng)調度線程執(zhí)行所需的時間就越久。其中任何一種因素都能導致優(yōu)先級高的線程錯過最后期限，即使在速度很快的 CPU 上。

另一方面，在實時操作系統(tǒng)中，線程會按其優(yōu)先級的順序執(zhí)行。如果優(yōu)先級高的線程準備運行，它能在很短且有限的時間間隔內，從正在執(zhí)行的優(yōu)先級低的線程那里接管 CPU。此外，優(yōu)先級高的線程還能不間斷地運行直到完成任務為止——當然，除非它被優(yōu)先級更高的線程搶占。這種眾所周知的基于優(yōu)先級的搶占式調度，可確保優(yōu)先級高的線程始終如一地滿足最后期限的要求，即使在其他線程爭奪 CPU 時間時。

搶占式內核

大多數(shù)通用操作系統(tǒng)的操作系統(tǒng)內核都不是搶占式的。因此，優(yōu)先級高的用戶線程無法搶占內核調用，相反，它必須等待整個調用全部結束——即使是系統(tǒng)內優(yōu)先級低的進程進行調用。此外，當驅動程序或其他系統(tǒng)服務(通常在內核調用中運行)以客戶端線程的名義執(zhí)行時，操作系統(tǒng)通常會丟失所有優(yōu)先級信息。這種系統(tǒng)行為會導致無法預料的延遲，而且會妨礙關鍵運行按時完成。

另一方面，在實時操作系統(tǒng)中，內核運行是可搶占的。雖然仍有一些時間窗無法搶占，但在設計精密的實時操作系統(tǒng)中，這些間隔非常短暫，通常大約僅幾百納秒。另外，實時操作系統(tǒng)會針對搶占推遲和中斷禁止的時限設置上限;這能保證軟件開發(fā)人員確定情況最糟的延遲期。

為實現(xiàn)這一目標，實時操作系統(tǒng)內核必須盡可能簡單、精致。實現(xiàn)這種簡單性的最佳途徑是設計一種只包含短執(zhí)行路徑服務的內核。通過排除內核中任務集中的運行(如進程加載)并將其分配到外部進程或線程，實時操作系統(tǒng)的設計人員就能保證通過內核的最長的非搶占代碼路徑有上限。

在一些通用操作系統(tǒng)，內核增加了某種程度的可搶占性。但無法搶占的時間間隔仍然比常見實時操作系統(tǒng)的長得多;這種搶占間隔的長度取決于通用操作系統(tǒng)內核中包含的最長的關鍵模塊部分(如網絡)。另外，搶占式通用操作系統(tǒng)內核不能解決可能的無限期延遲情形，例如因為客戶端調用驅動程序或其他系統(tǒng)服務時丟失優(yōu)先級信息。

避免優(yōu)先級反轉的機制

即使在實時操作系統(tǒng)中，優(yōu)先級低的線程也能在無意中阻止優(yōu)先級高的線程訪問 CPU——這種情況被稱為優(yōu)先級反轉。當出現(xiàn)無限期的優(yōu)先級反轉時，可能會錯過關鍵的最后期限，進而導致系統(tǒng)運行異常和全面故障的結果。遺憾的是，在系統(tǒng)設計過程中人們往往會忽視優(yōu)先級反轉。有很多優(yōu)先級反轉的實例，包括 1997 年 7 月火星探路者項目遭受困擾的實例。1

一般來說，當優(yōu)先級不同的兩個任務共享資源，而優(yōu)先級高的任務無法從優(yōu)先級低的任務那里獲得資源時，就會出現(xiàn)優(yōu)先級反轉。為防止這種狀況超過有限的時間間隔，實時操作系統(tǒng)可提供一種通用操作系統(tǒng)不具備的選擇機制，包括優(yōu)先級繼承和優(yōu)先級封頂模擬。我們不能單純地評價兩種機制的優(yōu)劣，所以我們著重介紹優(yōu)先級繼承的實例。

首先，我們必須考慮任務同步如何能造成阻塞，而阻塞反過來又如何導致優(yōu)先級反轉。我們假設有任務 1 和任務 2 兩個任務正在運行，其中任務 1 具有較高的優(yōu)先級。如果任務 1 準備執(zhí)行，但必須等待任務 2 完成運行，就出現(xiàn)阻塞的狀況。同步化也會導致這種阻塞;例如，任務 1 和任務 2 共享由鎖或信號量控制的資源，任務 1 等待任務 2 對資源進行解鎖。或者，當任務 1 請求目前正由任務 2 使用的服務時，也會出現(xiàn)阻塞狀況。

1 Michael Barr.“優(yōu)先級反轉簡介”

阻塞允許任務 2 運行，直到任務 1 等待的條件出現(xiàn)為止(例如，任務 2 對兩個任務共享的資源解鎖)。此時，任務 1 可以執(zhí)行。任務 1 須等待的總時間會隨最少時間、平均時間和最多時間變化。這種間隔就是阻塞因數(shù)。如果任務 1 必須滿足一定的時間限制，該因數(shù)就不能隨任何參數(shù)變化，如線程數(shù)或系統(tǒng)內的輸入。換句話說，必須限制阻塞因數(shù)。

現(xiàn)在，我們引入第三個任務(任務 3)——其優(yōu)先級比任務 2 的高但比任務 1 的低(參見圖 1)。當任務 2 正在運行時，任務 3 準備運行，它會搶占任務 2，而任務 2 在任務 3 被阻塞或完成前都無法運行。當然，這樣會增加任務 1 的阻塞因數(shù);也就是說，它會進一步延遲任務 1 的運行。搶占導致的總延遲就是優(yōu)先級反轉。

實際上，可以有多個任務以這種方式搶占任務 2，從而導致連續(xù)阻塞的結果。在這種情況下，任務 2 可能被無限期地搶占，產生無限期的優(yōu)先級反轉，導致任務 1 無法滿足其最后期限。

這時優(yōu)先級繼承就會發(fā)揮作用。如果我們回到上述假設中，在同步期內使任務 2 以任務 1 的優(yōu)先級運行，那么任務 3 就無法搶占任務 2，這樣就能避免優(yōu)先級反轉的產生(參見圖 2)。　

圖 1——當任務 3 搶占任務 2 時，任務 1 等待任務 2 完成運行。這進一步推遲了任務 1 的運行。 4　

圖 2——任務 2 繼承了任務 1 的優(yōu)先級，因而阻止了任務 3 搶占任務 2。任務 3 不再推遲任務 1 的運行。

提供有保證的 CPU 可用性的分區(qū)調度

保證資源的可用性對許多系統(tǒng)而言都至關重要。如果某個關鍵子系統(tǒng)(如 CPU 周期)丟失，用戶就無法獲取該子系統(tǒng)提供的服務。例如，在拒絕服務 (DoS) 攻擊中，惡意用戶會利用需要優(yōu)先級高的進程處理的請求攻擊系統(tǒng)。該進程會使 CPU 過載并導致其他進程的 CPU 周期匱乏，從而使用戶無法使用系統(tǒng)。

安全漏洞并非是導致進程匱乏的唯一原因。在許多情況下，增加系統(tǒng)的軟件功能都會導致系統(tǒng)“瀕臨危險邊緣”，導致現(xiàn)有應用程序的 CPU 時間匱乏。及時運行的應用程序或服務不再按預期或要求的那樣迅速響應。從歷史角度，解決這一問題的唯一途徑是更新硬件或對軟件進行重新編碼(或重新設計)——這兩種方法都無法讓人滿意。

為解決這些問題，系統(tǒng)設計人員需要一種可通過硬件或軟件執(zhí)行 CPU 預算的分區(qū)計劃，以阻止進程或線程獨占其他進程或線程所需的 CPU 周期。實時操作系統(tǒng)正是執(zhí)行 CPU 分區(qū)預算的最佳選擇，因為實時操作系統(tǒng)已經提供了對 CPU、內存和其他計算資源的集中訪問。

某些實時操作系統(tǒng)提供了固定分區(qū)調度算法。系統(tǒng)設計人員能利用這種調度算法對任務進行分組或分區(qū)，然后為每個分區(qū)分配一定比例的 CPU 時間。利用這種方法，任何既定分區(qū)內的任務消耗的 CPU 時間都不會超過該分區(qū)靜態(tài)確定的比例。例如，我們假設為分區(qū)分配了 30% 的 CPU。如果該分區(qū)內的進程隨后成為拒絕服務攻擊的目標，它會消耗不超過 30% 的 CPU 時間。這種分配限制確保了其他進程保持各自的可用性;例如，它能保證可訪問的用戶界面(如遠程終端)。因此，操作人員能訪問系統(tǒng)并解決問題——無需按動復位開關。 5

但是，這種方法也存在問題。由于調度算法是固定的，因此一個分區(qū)無法使用分配到另一個分區(qū)的 CPU 周期，即使這些分區(qū)未使用其分配的周期。這種方法會浪費 CPU 周期并阻止系統(tǒng)處理高峰需求。因此，系統(tǒng)設計人員必須使用更昂貴的處理器應對運行緩慢的系統(tǒng)，或限制系統(tǒng)能支持的功能數(shù)量。

自適應分區(qū)

另一種被稱作自適應分區(qū)的方法提供了更靈活的動態(tài)調度算法，從而有效克服了這些缺陷。與靜態(tài)分區(qū)一樣，自適應分區(qū)允許系統(tǒng)設計人員為單獨進程或一組進程預留 CPU 周期。因此，系統(tǒng)設計人員能保證一個子系統(tǒng)或分區(qū)上的負載不會影響其他子系統(tǒng)的可用性。而且，與靜態(tài)分區(qū)不同的是，自適應分區(qū)還能將空閑分區(qū)中的 CPU 周期以動態(tài)方式重新分配到可受益于額外處理時間的分區(qū)——只有當 CPU 滿載時，分區(qū)預算才會執(zhí)行。因此，系統(tǒng)就能處理高峰需求并使利用率達到 100%，同時又能繼續(xù)享受資源保證帶來的收益。

同樣重要的是，自適應分區(qū)還能直接應用于先有系統(tǒng)，而無需重新設計代碼或修改代碼。例如，在 QNX Neutrino 中，系統(tǒng)設計人員只需啟動分區(qū)內已有的基于 POSIX 應用程序，實時操作系統(tǒng)的調度程序就會確保每個分區(qū)都會收到分配的預算。在每個分區(qū)內，會繼續(xù)根據(jù)基于優(yōu)先級的搶占式調度算法對每項任務進行調度——應用程序不必更改其調度運行。此外，系統(tǒng)設計人員還能以動態(tài)方式重新配置分區(qū)，以精確調節(jié)系統(tǒng)實現(xiàn)最佳性能。

圖 3——自適應分區(qū)可阻止優(yōu)先級高的任務消耗超過其分配的規(guī)定比例的 CPU，除非系統(tǒng)包含未使用的 CPU 周期。例如，任務 A 和任務 D 可在分配至分區(qū) 3 的時間內運行，因為任務 E 和任務 F 不需要剩余的 CPU 周期預算。 6

“組合”內核

通用操作系統(tǒng)(包括 Linux、Windows 和各種類型的 Unix 系統(tǒng))通常都缺少我們目前介紹的實時機制。但供應商已開發(fā)出許多實時擴展組件和補丁，試圖填補這一空白。例如，有一種雙內核方法，其中的通用操作系統(tǒng)能以任務的形式在專用實時內核上運行(參見圖 4)。任何需要確定性調度的任務都會在該內核中運行，但其優(yōu)先級要高于通用操作系統(tǒng)的優(yōu)先級。因此，只要這些任務需要運行，它們就能搶占 Linux，而且只有在其工作完成后，才會向 Linux 釋放 CPU。

遺憾的是，實時內核中運行的任務只能有限地利用通用操作系統(tǒng)中現(xiàn)有的系統(tǒng)服務，如文件系統(tǒng)、網絡服務等。

實際上，如果實時任務向通用操作系統(tǒng)請求任何服務，它都會面臨同樣的搶占問題，這會阻止通用操作系統(tǒng)以確定方式運行。因此，必須針對實時內核創(chuàng)建新的驅動程序和系統(tǒng)服務，即使通用操作系統(tǒng)中已存在相同的服務。但是，多數(shù)通用操作系統(tǒng)為正常的非實時進程提供的受內存管理單元 (MMU) 保護的可靠環(huán)境卻無法惠及在實時內核中運行的任務。相反，它們會在無保護的內核空間運行。因此，任何含有公共編碼錯誤(如損壞的 C 指針)的實時任務都會輕易導致內核出現(xiàn)嚴重故障。這的確是一個問題，因為需要實時功能的大部分系統(tǒng)同樣需要極高的可靠性。

雙內核方法的不同實現(xiàn)使用不同的應用程序接口 (API) 使問題進一步復雜。在多數(shù)情況下，為通用操作系統(tǒng)編寫的服務無法輕易移植到實時內核中，而且針對一個供應商的實時擴展組件編寫的任務未必能在另一個供應商的實時擴展組件上運行。

圖 4——在常見的雙內核實現(xiàn)中，通用操作系統(tǒng)會作為優(yōu)先級最低的任務在單獨的實時內核中運行。

這種解決方案指出了使通用操作系統(tǒng)支持實時運行的實際困難和復雜性。但這并非是關于實時操作系統(tǒng)和通用操作系統(tǒng)孰優(yōu)孰劣的問題。通用操作系統(tǒng)(如 Linux、Windows 和各種 Unix 系統(tǒng))都能以臺式機或服務器操作系統(tǒng)的形式正常運行。但是，當進入不符合其設計用途的確定運行環(huán)境中(如車載遠程信息處理裝置、醫(yī)療器械、實時控制系統(tǒng)和連續(xù)媒體應用)時，它們就會凸顯不足。 7

令調試和定制更輕松的源代碼

使用通用操作系統(tǒng)仍有一些好處，例如在 Linux 的開源模式下支持廣泛使用的應用程序接口 (API)。利用開源模式，軟件開發(fā)人員能針對應用程序的具體需求定制操作系統(tǒng)組件，從而能節(jié)約大量用于故障排解的時間。為保持這些優(yōu)勢，實時操作系統(tǒng)的供應商應根據(jù)友好的商業(yè)授權許可條款，確保其源代碼易于訪問。

實時操作系統(tǒng)的架構也發(fā)揮了重要作用。例如，基于微內核設計的實時操作系統(tǒng)能從根本上簡化操作系統(tǒng)的定制過程。在微內核實時操作系統(tǒng)中，只有少數(shù)核心基本對象(如信號、計時器、調度程序)才會存在于內核中。所有其他組件(驅動程序、文件系統(tǒng)、協(xié)議棧、應用程序)都會以單獨的受內存保護的進程在內核外部運行;參見圖 5。因此，開發(fā)定制的驅動程序和其他與應用程序有關的操作系統(tǒng)擴展組件無需專門的內核調試程序或內核專家。實際上，作為用戶空間程序，開發(fā)這種操作系統(tǒng)擴展組件和開發(fā)標準應用程序一樣容易，因為開發(fā)人員都能使用標準、源代碼級工具對它們進行調試。

圖 5——在微內核實時操作系統(tǒng)中，系統(tǒng)服務作為標準的用戶空間進程運行，因而簡化了操作系統(tǒng)的定制任務。

例如，如果設備驅動程序試圖訪問其進程空間之外的內存，操作系統(tǒng)就能識別相關進程，指出故障位置并創(chuàng)建可使用源代碼級調試工具查看的進程轉儲文件。轉儲文件可包括調試程序確定導致故障的源代碼行所需的所有信息以及診斷信息(如數(shù)據(jù)項的內容和函數(shù)調用的歷史)。 8

這種架構還提供了絕佳的故障隔離和恢復功能：如果驅動程序、協(xié)議棧或其他系統(tǒng)服務出現(xiàn)故障，它可在不影響其他服務或損壞操作系統(tǒng)內核的情況下完成這種操作。實際上，“軟件監(jiān)視程序”會持續(xù)監(jiān)測此類事件，并能以動態(tài)方式重啟出現(xiàn)故障的服務，無需重啟整個系統(tǒng)或以任何方式干擾用戶。同樣，驅動程序和其他服務都能以動態(tài)方式停止、啟動或升級，無需關閉系統(tǒng)。

絕不可小看這些優(yōu)勢——因為破壞實時性能的最大威脅就是不定期的系統(tǒng)重啟!甚至軟件更新中包含的以可控制的方式進行的預定重啟都會干擾系統(tǒng)運行。為保證一直滿足最后期限的要求，軟件開發(fā)人員必須使用即使在出現(xiàn)軟件故障或進行服務升級時，也能保持連續(xù)可用的操作系統(tǒng)。

戰(zhàn)略決策

實時操作系統(tǒng)能使復雜的應用程序變得可預測而且可靠;實際上，實時操作系統(tǒng)實現(xiàn)的精確時間控制，就是通用操作系統(tǒng)無法提供的可靠功能。(如果基于通用操作系統(tǒng)的系統(tǒng)由于計時錯誤而無法正常運行，我們可以合理認為該系統(tǒng)不可靠。)選擇正確的實時操作系統(tǒng)本身仍然是一項復雜的任務。實時操作系統(tǒng)的底層架構是重要標準，而其他因素也不例外。具體包括：

• 調度算法的靈活選擇——實時操作系統(tǒng)支持調度算法選擇(先入先出 [FIFO] 調度、循環(huán)調度、偶發(fā)調度等)嗎?您能根據(jù)每個線程分配這些算法嗎?或者實時操作系統(tǒng)要求您針對系統(tǒng)中的所有線程分配一種算法嗎?

• 時間分區(qū)——實時操作系統(tǒng)支持能為進程提供有保證的 CPU 周期預算的時間分區(qū)嗎?這種保證簡化了對多個開發(fā)團隊或供應商的子系統(tǒng)進行集成的工作。它們還能確保關鍵任務在系統(tǒng)遭到拒絕服務 (DoS) 攻擊和其他惡意攻擊時，保持可用并滿足其最后期限的要求。

• 支持多核處理器——向多核處理器遷移的功能已成為各種高性能設計的基本要求。實時操作系統(tǒng)是否支持多重處理模式(對稱多重處理、不對稱多重處理、混合多重處理)的選擇，并幫助您最大限度地利用多核硬件?允許您診斷和優(yōu)化多核系統(tǒng)性能的系統(tǒng)跟蹤工具支持實時操作系統(tǒng)嗎?如果沒有能顯示資源競爭、線程的過度遷移和其他多核設計常見問題的工具，那么對多核系統(tǒng)進行優(yōu)化就會變得異常麻煩和費時。

• 遠程診斷工具——由于許多嵌入式系統(tǒng)都不允許有故障時間，因此實時操作系統(tǒng)供應商應提供能在不中斷系統(tǒng)服務的情況下分析系統(tǒng)運行的診斷工具。尋找能提供運行分析工具(用于系統(tǒng)剖析、應用程序剖析和內存分析的)的供應商。

• 開放的開發(fā)平臺——實時操作系統(tǒng)供應商能否提供基于開放平臺(如 Eclipse)的開發(fā)環(huán)境，允許您“插入”您最喜歡的第三方工具以便進行建模、版本控制等工作?或者，開發(fā)環(huán)境是基于專有技術的嗎?

• 圖形用戶界面——實時操作系統(tǒng)使用基元圖形庫嗎?或者它提供了高級圖形處理功能(如多層界面、基于 Flash 的人機界面、多目標顯示、3D 加速渲染和真正的窗口系統(tǒng))嗎?您能輕松地自定義圖形用戶界面的視覺效果嗎?圖形用戶界面能同時顯示和輸入多種語言(中文、朝鮮語、日語、英語、俄語等)嗎?2D(如 Flash)和 3D(如 OpenGL ES)應用程序能輕松共享同一屏幕嗎? 9

• 標準應用程序接口——實時操作系統(tǒng)限制您使用專有應用程序接口嗎?或者它提供了對標準應用程序接口(如 POSIX 和 OpenGL ES)的認證支持，使各種運行環(huán)境之間的代碼移植變得更容易?實時操作系統(tǒng)還提供對應用程序接口的綜合支持嗎?還是只支持一小部分已定義接口的子集?

• 源代碼——實時操作系統(tǒng)供應商允許您輕松訪問源代碼以簡化調試過程，并幫助您根據(jù)具體需求定制實時操作系統(tǒng)服務嗎?

• 面向數(shù)字媒體的中間件——對數(shù)字媒體的靈活支持已成為各種嵌入式系統(tǒng)(如車載收音機、醫(yī)療設備、工業(yè)控制系統(tǒng)、媒體服務器以及消費電子產品)的設計要求。系統(tǒng)可能需要處理多種媒體資源(如 USB 閃存、MP3 播放器、網絡流媒體、藍牙電話等)，分辨多種數(shù)據(jù)格式(如 MP3、WMA、AAC、MPEG-2、MPEG-4 等)并支持各種數(shù)字版權管理 (DRM) 方案。通過為數(shù)字媒體提供設計精密的中間件，實時操作系統(tǒng)供應商能避免連接多媒體資源、組織數(shù)據(jù)以及初始化適當?shù)臄?shù)據(jù)處理路徑所需的大量軟件工作。另外，設計完善的中間件解決方案還能靈活支持新的數(shù)據(jù)源(如下一代 iPod)，無需修改用戶界面或其他軟件組件。

選擇實時操作系統(tǒng)是項目團隊的戰(zhàn)略性決策。如果實時系統(tǒng)供應商針對以上問題給出了清楚的答案，那么您離現(xiàn)在和將來選擇到完全適用的實時操作系統(tǒng)又近了一步。