實時操作系統(tǒng)概述

　　實時操作系統(tǒng)（RTOS）是指當(dāng)外界事件或數(shù)據(jù)產(chǎn)生時，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)定的時間之內(nèi)來控制生產(chǎn)過程或?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時任務(wù)，并控制所有實時任務(wù)協(xié)調(diào)一致運行的操作系統(tǒng)。提供及時響應(yīng)和高可靠性是其主要特點。

　　實時操作系統(tǒng)是搶占式操作系統(tǒng)，如果你的進程優(yōu)先級高，則肯定第一個得到執(zhí)行，直至結(jié)束執(zhí)行，中間的時間通過CPU頻率等可以推算出來。

　　其實就是要求你對他的請求，他得在一定時限內(nèi)給你結(jié)果，而不能因為系統(tǒng)忙或調(diào)度算法的原因拖沓，也就是只要指定了時間或發(fā)生了高優(yōu)先級時間，無論任何操作，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，所以它不是實時操作系統(tǒng)。Linux是軟實時的，內(nèi)核中仍然有大量不可搶占區(qū)域。時限要求高的是硬實時，時限要求低的是軟實時

　　非實時操作系統(tǒng)概述

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

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

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

　　這樣對內(nèi)核的設(shè)計就要求很高。

　　實時操作系統(tǒng)和非實時操作系統(tǒng)的區(qū)別

　　實時系統(tǒng)與非實時系統(tǒng)的根本區(qū)別在于：實時系統(tǒng)具有與外部環(huán)境及時交互作用的能力。也就是說實時系統(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間內(nèi)完成。

　　嵌入式實時系統(tǒng)中采用的操作系統(tǒng)我們稱為嵌入式實時操作系統(tǒng)，它既是嵌入式操作系統(tǒng)，又是實時操作系統(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；而作為一種實時操作系統(tǒng)（本文對實時操作系統(tǒng)特性的討論僅限于強實時操作系統(tǒng)，下面提到的實時操作系統(tǒng)也均指強實時操作系統(tǒng)），它與通用操作系統(tǒng)（如Windows、Unix、Linux等）相比有很大的差別，下面我們將通過比較這兩種操作系統(tǒng)之間的差別來逐步描述實時操作系統(tǒng)的主要特點。

　　我們在日常工作學(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)是由分時操作系統(tǒng)發(fā)展而來，大部分都支持多用戶和多進程，負責(zé)管理眾多的進程并為它們分配系統(tǒng)資源。分時操作系統(tǒng)的基本設(shè)計原則是：盡量縮短系統(tǒng)的平均響應(yīng)時間并提高系統(tǒng)的吞吐率，在單位時間內(nèi)為盡可能多的用戶請求提供服務(wù)。由此可以看出，分時操作系統(tǒng)注重平均表現(xiàn)性能，不注重個體表現(xiàn)性能。如對于整個系統(tǒng)來說，注重所有任務(wù)的平均響應(yīng)時間而不關(guān)心單個任務(wù)的響應(yīng)時間，對于某個單個任務(wù)來說，注重每次執(zhí)行的平均響應(yīng)時間而不關(guān)心某次特定執(zhí)行的響應(yīng)時間。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)計原則，如虛存管理機制中由于采用了LRU等頁替換算法，使得大部分的訪存需求能夠快速地通過物理內(nèi)存完成，只有很小一部分的訪存需求需要通過調(diào)頁完成，但從總體上來看，平均訪存時間與不采用虛存技術(shù)相比沒有很大的提高，同時又獲得了虛空間可以遠大于物理內(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制等，甚至硬件設(shè)計中的Cache技術(shù)以及CPU的動態(tài)分支預(yù)測技術(shù)等也都體現(xiàn)出了這種設(shè)計原則。由此可見，這種注重平均表現(xiàn)，即統(tǒng)計型表現(xiàn)特性的設(shè)計原則的影響是十分深遠的。

　　而對于實時操作系統(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)用提出的實時性要求，而組成一個應(yīng)用的眾多實時任務(wù)對于實時性的要求是各不相同的，此外實時任務(wù)之間可能還會有一些復(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要求等，這就為系統(tǒng)實時性的保證帶來了很大的困難。

　　因此，實時操作系統(tǒng)所遵循的最重要的設(shè)計原則是：采用各種算法和策略，始終保證系統(tǒng)行為的可預(yù)測性（predictability）?？深A(yù)測性是指在系統(tǒng)運行的任何時刻，在任何情況下，實時操作系統(tǒng)的資源調(diào)配策略都能為爭奪資源（包括CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)帶寬等）的多個實時任務(wù)合理地分配資源，使每個實時任務(wù)的實時性要求都能得到滿足。與通用操作系統(tǒng)不同，實時操作系統(tǒng)注重的不是系統(tǒng)的平均表現(xiàn)，而是要求每個實時任務(wù)在最壞情況下都要滿足其實時性要求，也就是說，實時操作系統(tǒng)注重的是個體表現(xiàn)，更準(zhǔn)確地講是個體最壞情況表現(xiàn)。舉例來說，如果實時操作系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的虛存技術(shù)，則一個實時任務(wù)執(zhí)行的最壞情況是每次訪存都需要調(diào)頁，如此累計起來的該任務(wù)在最壞情況下的運行時間是不可預(yù)測的，因此該任務(wù)的實時性無法得到保證。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)在實時操作系統(tǒng)中不宜直接采用。