實時系統(tǒng)必須尊重時間限制，以確保其執(zhí)行具有功能意義。實時操作系統(tǒng)或 RTOS（有時稱為實時執(zhí)行內(nèi)核）是一個函數(shù)庫，用于實現(xiàn)計算機(jī)系統(tǒng)的時間關(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) 提供了一個軟件抽象層，具有一組管理 CPU 資源調(diào)度和訪問的固有功能。簡而言之，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)行實體應(yīng)該控制 CPU、以什么順序以及在放棄對處理器的控制之前允許多長時間。

它管理多個活動之間的內(nèi)部存儲共享。

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。

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

精心設(shè)計的 RTOS（圖 1）提供了許多切實的好處，例如：

通過規(guī)則和政策為項目奠定堅實的基礎(chǔ)，以確保一致性和可重復(fù)性。

簡化開發(fā)過程并提高生產(chǎn)力：豐富的內(nèi)核服務(wù) (API) 集允許節(jié)省編寫擴(kuò)展代碼的時間，而系統(tǒng)開銷過多，無法完成相同的事情。

對處理器的抽象，而不關(guān)注許多硬件細(xì)節(jié)。

實施可靠的編程系統(tǒng)以成功管理共享同一處理器的多個操作：這使您可以管理對各種處理器或外圍資源的訪問，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平臺中。它實現(xiàn)了便利的開發(fā)過程，并允許更短的上市時間、更高的可靠性和更低的風(fēng)險。

圖 1：通用實時系統(tǒng) (RTOS)

圖 2：實時系統(tǒng) (RTOS) – 調(diào)度程序

實時操作系統(tǒng)的組件

RTOS 的組件是調(diào)度程序、函數(shù)庫、類和用戶定義的數(shù)據(jù)對象。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體以何種順序訪問 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（也稱為循環(huán)）和時間片模型。RTOS 函數(shù)庫用作應(yīng)用程序代碼和 RTOS 之間的接口。這些功能也稱為應(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)用程序代碼實體通過 API 向內(nèi)核發(fā)出請求，然后確定應(yīng)用程序所需的編程行為。類和用戶定義的數(shù)據(jù)對象：RTOS 采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通常根據(jù)操作類型排列成組或類。RTOS 將用來控制程序的每個類中的對象集由用戶定義。名稱可能不同，具體取決于適當(dāng)設(shè)計的 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)資源以滿足應(yīng)用程序的需要。
· 同步事件。
· 在進(jìn)程之間有效地移動數(shù)據(jù)。
· 管理與時間等獨立變量相關(guān)的流程需求。
· 可預(yù)測地執(zhí)行在可預(yù)測的時間段內(nèi)發(fā)生的操作

次要要求：
· 高效的 RAM 管理。
· 獨占訪問系統(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)存和時間。每個資源必須在并發(fā)進(jìn)程之間共享，以實現(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。這種延遲可能會違反基本的系統(tǒng)策略。

時間是 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)對物理過程變化的響應(yīng)。然而，對于每項服務(wù)而言，在時間方面盡可能地具有確定性（可預(yù)測性）同樣重要。如果沒有可預(yù)測的時序，系統(tǒng)設(shè)計人員無法保證滿足物理過程的時間限制。

多任務(wù)處理

如果沒有專用于每個代碼實體的 CPU，就不可能同時執(zhí)行操作。但是，可以共享 CPU 訪問時間以實現(xiàn)同時操作方面。許多活動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、一個狀態(tài)、一個指向任務(wù)中下一條可執(zhí)行指令的 PC，以及一個用于局部變量的堆棧。當(dāng)然，每個活動也會有自己的一組運行代碼。另一方面，圖 2 的右側(cè)顯示了幾個虛擬處理器（任務(wù)）。每個任務(wù)都等待其在物理處理器中激活其屬性的機(jī)會。調(diào)度程序不斷地決定 CPU 在給定時刻應(yīng)該控制哪些活動。當(dāng)需要停止正在運行的任務(wù)并將 CPU 控制權(quán)交給新任務(wù)時，調(diào)度程序會將正在運行的任務(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。此過程稱為“上下文切換”。

優(yōu)先和搶占

為了實現(xiàn)效率和共享 CPU 利用率，實時多任務(wù)操作系統(tǒng)使用從一個任務(wù)到另一個任務(wù)的適當(dāng)控制轉(zhuǎn)移。為了實現(xiàn)這一點，調(diào)度程序必須監(jiān)控系統(tǒng)資源和每個任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)，以確保每個實體及時接收 CPU 控制權(quán)。
這里的關(guān)鍵詞是及時性。沒有在正確的時間執(zhí)行必要任務(wù)的實時系統(tǒng)是無效的。這個錯誤可能會產(chǎn)生從良性到災(zāi)難性的后果。這意味著內(nèi)核服務(wù)請求的響應(yīng)時間和這些服務(wù)的執(zhí)行時間必須是快速且可預(yù)測的。RTOS 固有的可預(yù)測性允許設(shè)計應(yīng)用程序代碼以確保檢測和處理所有需求。實時應(yīng)用程序通常由多個進(jìn)程（任務(wù)和線程）組成，由于外部或內(nèi)部事件，這些進(jìn)程需要在不同時間控制系統(tǒng)資源。

調(diào)度模型

有幾種調(diào)度模型允許任務(wù)從處理器接收執(zhí)行時間。這些中的每一個的有用性取決于
Round-Robin (Cooperative) 應(yīng)用要求：所有活動同等重要，具有相同的優(yōu)先級。一旦任務(wù)接收到處理器控制，它將一直運行，直到完成或到達(dá)重新調(diào)度點。然后它放棄對 CPU 的控制權(quán)，以允許調(diào)度確定下一個任務(wù)，從而獲得對 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間或某些其他特定單位的關(guān)聯(lián)計數(shù)器執(zhí)行預(yù)定義的次數(shù)（量子滴答）。任務(wù)保持對 CPU 的控制，直到時間量刻度到期或直到活動阻塞。如果量子滴答到期，如果有另一個具有相同優(yōu)先級的任務(wù)等待執(zhí)行，則調(diào)度會強(qiáng)制任務(wù)出售其業(yè)務(wù)。Preemptive Scheduling：是導(dǎo)致預(yù)防性計劃概念的策略，其中物理處理器的控制權(quán)委托給具有最高優(yōu)先級的任務(wù)。如圖 5 所示，較低優(yōu)先級的任務(wù)（任務(wù) 2）在發(fā)生激活或釋放任務(wù) 1 的事件時被搶占。是導(dǎo)致預(yù)防性計劃概念的策略，其中物理處理器的控制委托給具有最高優(yōu)先級的任務(wù)。如圖 5 所示，較低優(yōu)先級的任務(wù)（任務(wù) 2）在發(fā)生激活或釋放任務(wù) 1 的事件時被搶占。是導(dǎo)致預(yù)防性計劃概念的策略，其中物理處理器的控制委托給具有最高優(yōu)先級的任務(wù)。如圖 5 所示，較低優(yōu)先級的任務(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

RTOS 在一組通常稱為類的結(jié)構(gòu)上運行。每個類都支持一組通常稱為內(nèi)核服務(wù)的運算符（圖 6），這些運算符由應(yīng)用程序進(jìn)程調(diào)用以實現(xiàn)預(yù)期的行為。這些類如下：

任務(wù)：管理程序代碼的執(zhí)行；每個活動都獨立于其他活動，但能夠以多種形式與其他活動建立關(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：將信息從一項任務(wù)傳遞到另一項執(zhí)行的任務(wù)。用于交互任務(wù)的常用類是信號量、隊列和管道。紅綠燈提供了一種使活動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)用程序代碼實體請求內(nèi)核提供的功能時，會啟動對該功能的內(nèi)核服務(wù)請求。

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

編譯具有實時支持的 Linux 內(nèi)核

要編譯具有實時支持的 linux 內(nèi)核（圖 7），您必須首先實時獲取源代碼和補丁。–

http://www.kernel.org/內(nèi)核版本；

http://www.kernel.org/pub/linux/kernel/projects/rt/獲取 RTOS 補丁

下載兼容版本很重要，否則編譯不會產(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，運行以下命令：

bzcat/路徑dellapatch/patch-2.6。Xx-rtyy。柏油。Bz2 | 補丁-p1

這會將實時補丁插入 Linux 內(nèi)核。此時鍵入以下命令：

制作菜單配置

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

在“定時器頻率”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。您有兩個選項來運行測試：在啟動時使用 grub shell 并手動加載文件，或者為 grub 創(chuàng)建一個新條目。這可以通過將默認(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來完成。

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