做嵌入式系統(tǒng)開發(fā)有一段時(shí)間了，做過用于手機(jī)平臺(tái)的嵌入式Linux，也接觸過用于交換機(jī)、媒體網(wǎng)關(guān)平臺(tái)的VxWorks，實(shí)際應(yīng)用后回過頭來看理論，才發(fā)現(xiàn)自己理解的膚淺，也發(fā)現(xiàn)CSDN上好多同學(xué)們都對實(shí)時(shí)、嵌入式這些概念似懂非懂，畢竟如果不做類似的產(chǎn)品，平時(shí)接觸的機(jī)會(huì)很少，即使做嵌入式產(chǎn)品開發(fā)，基本也是只管調(diào)用Platform team封裝好的API。所以在此總結(jié)一下這些概念，加深自己的理解，同時(shí)也給新手入門，歡迎大家拍磚，爭取寫個(gè)連載，本文先總結(jié)一下實(shí)時(shí)的概念，什么是真正的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)？

1. 首先說一下實(shí)時(shí)的定義及要求：

參見 Donal Gillies 在 Realtime Computing FAQ 中提出定義：實(shí)時(shí)系統(tǒng)指系統(tǒng)的計(jì)算正確性不僅取決于計(jì)算的邏輯正確性，還取決于產(chǎn)生結(jié)果的時(shí)間。如果未滿足系統(tǒng)的時(shí)間約束，則認(rèn)為系統(tǒng)失效。
http://www.faqs.org/faqs/realtime-computing/faq/

一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)面對變化的負(fù)載（從最小到最壞的情況）時(shí)必須確定性地保證滿足時(shí)間要求。請注意，必須要滿足確定性，而不是要求速度足夠快！例如，如果使用足夠強(qiáng)大的CPU，Windows在CPU空閑時(shí)可以提供非常短的典型中斷響應(yīng)，但是，當(dāng)某些后臺(tái)任務(wù)正在運(yùn)行時(shí)，有時(shí)候響應(yīng)會(huì)變得非常漫長，以至于某一個(gè)簡單的讀取文件的任務(wù)會(huì)長時(shí)間無響應(yīng)，甚至直接掛死。這是一個(gè)基本的問題：并不是Windows不夠快或效率不夠高，而是因?yàn)樗荒芴峁┐_定性，所以，Windows不是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，可以選擇采用硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)或軟實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，硬實(shí)時(shí)當(dāng)然比軟實(shí)時(shí)好，但是，如果你的公司正在準(zhǔn)備開發(fā)一款商用軟件，那請你注意了，業(yè)界公認(rèn)比較好的VxWorks(WindRiver開發(fā))，會(huì)花光你本來就很少的銀子，而軟實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng)，如某些實(shí)時(shí)Linux，一般是開源免費(fèi)的，我們公司本來的產(chǎn)品就是基于VxWorks的，現(xiàn)在業(yè)界都在Cost Reduction，為了響應(yīng)號召，正在調(diào)研如何把平臺(tái)換成免費(fèi)的嵌入式實(shí)時(shí)Linux。同學(xué)們，如何選擇，自己考慮吧:-)

硬實(shí)時(shí) - 代表產(chǎn)品 VxWorks

舉一個(gè)經(jīng)常使用的實(shí)例，中高檔汽車中使用的氣囊。當(dāng)報(bào)告車輛碰撞的傳感器中斷CPU后，操作系統(tǒng)應(yīng)快速地分配展開氣囊的任務(wù)，并且不允許任何其他非實(shí)時(shí)處理進(jìn)行干擾，晚一秒鐘展開氣囊比沒有氣囊的情況更糟糕，這就是一個(gè)典型的必須使用硬實(shí)時(shí)的系統(tǒng)。

硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)指系統(tǒng)要有確保的最壞情況下的服務(wù)時(shí)間，即對于事件的響應(yīng)時(shí)間的截止期限是無論如何都必須得到滿足。

軟實(shí)時(shí) - 代表產(chǎn)品 軟實(shí)時(shí)Linux

再舉一個(gè)實(shí)例，IPTV數(shù)字電視機(jī)頂盒，需要實(shí)時(shí)的處理(解碼)視頻流，如果丟失了一個(gè)或幾個(gè)視頻幀，顯然會(huì)造成視頻的品質(zhì)更差，但是只要做過簡單的抖動(dòng)處理的系統(tǒng)，丟失幾個(gè)視頻幀就不會(huì)對整個(gè)系統(tǒng)造成不可挽救的影響。

軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)就是那些從統(tǒng)計(jì)的角度來說，一個(gè)任務(wù)能夠得到有確保的處理時(shí)間，到達(dá)系統(tǒng)的事件也能夠在截止期限到來之前得到處理，但違反截止期限并不會(huì)帶來致命的錯(cuò)誤。

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請注意：講到這里，想花點(diǎn)墨水區(qū)分一下實(shí)時(shí)和嵌入式的概念，因?yàn)楣P者也長時(shí)間把這兩者混為一談。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的概念上文已經(jīng)講的很清楚了，主要就是要能確定性的滿足時(shí)間要求。嵌入式系統(tǒng)很難下一個(gè)定義，有興趣的可以百科一下“嵌入式系統(tǒng)”，一般可以認(rèn)為是板子或芯片上軟硬件的總和，嵌入式系統(tǒng)一定要對實(shí)時(shí)任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力，所以一般嵌入式系統(tǒng)都會(huì)采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，根據(jù)不同應(yīng)用，選擇采用硬實(shí)時(shí)或軟實(shí)時(shí)。

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2. 如何衡量一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能？

主要有以下兩個(gè)重要指標(biāo)：

指標(biāo)1、中斷響應(yīng)時(shí)間(可屏蔽中斷)

計(jì)算機(jī)接收到中斷信號到操作系統(tǒng)作出響應(yīng)，并完成切換轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序的時(shí)間。對于搶先式內(nèi)核，要先調(diào)用一個(gè)特定的函數(shù)，該函數(shù)通知內(nèi)核即將進(jìn)行中斷服務(wù)，使得內(nèi)核可以跟蹤中斷的嵌套。搶先式內(nèi)核的中斷響應(yīng)時(shí)間由下式給出：
中斷響應(yīng)時(shí)間＝關(guān)中斷的最長時(shí)間+保護(hù)CPU 內(nèi)部寄存器的時(shí)間+進(jìn)入中斷服務(wù)函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間+開始執(zhí)行中斷服務(wù)例程(ISR)的第一條指令時(shí)間

?

請注意：中斷響應(yīng)時(shí)間是系統(tǒng)在最壞情況下響應(yīng)中斷的時(shí)間，某系統(tǒng)100次中有99次在50ms之內(nèi)響應(yīng)中斷，只有一次響應(yīng)中斷的時(shí)間是250ms，只能認(rèn)為中斷響應(yīng)時(shí)間是250ms。

指標(biāo)2、任務(wù)切換時(shí)間

除為中斷處理提供確定性外，實(shí)時(shí)處理也需要支持周期性間隔的任務(wù)調(diào)度。大量控制系統(tǒng)要求周期性采樣與處理。某個(gè)特定任務(wù)必須按照固定的周期（p）執(zhí)行，從而確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。考慮一下汽車的防抱死系統(tǒng)（ABS）。控制系統(tǒng)對車輛的每個(gè)車輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)行采樣（每秒最多 20 次）并控制每個(gè)制動(dòng)器的壓力（防止它鎖死）。為了保持控制系統(tǒng)的正常工作，傳感器的采樣與控制必須按照一定的周期間隔。這意味著必須搶占其他處理，以便 ABS 任務(wù)能按照期望的周期執(zhí)行。

當(dāng)多任務(wù)內(nèi)核決定運(yùn)行另外的任務(wù)時(shí)，它把正在運(yùn)行任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)(即CPU 寄存器中的全部內(nèi)容)保存到任務(wù)自己的棧區(qū)之中。然后把下一個(gè)將要運(yùn)行的任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)從該任務(wù)的棧中重新裝入CPU 的寄存器，并開始下一個(gè)任務(wù)的運(yùn)行。這個(gè)過程就稱為任務(wù)切換。做任務(wù)切換所需要的時(shí)間取決于CPU 有多少寄存器要入棧。CPU 的寄存器越多，額外負(fù)荷就越重。

系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能重要指標(biāo)的典型值
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????????????????? VxWorks??? uC/OS-II??????? RT-Linux2.0? QNX6??
硬件平臺(tái)? MC68000? 33MHz-486? 60MHz-486???33MHz-486??
任務(wù)切換? 3.8us????????? < 9us??????????? 不詳????????????????12.57us??
中斷響應(yīng)? < 3us????????? < 7.5us???????? 25us????????????????7.54us??
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參考文獻(xiàn)：《4種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的分析對比》 - 百度一下可以搜到

3. 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的核心 - 任務(wù)調(diào)度(VxWorks)

既然實(shí)時(shí)性對于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)如此重要，同學(xué)們，我們下面就來學(xué)習(xí)一下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性的核心模塊 - 任務(wù)調(diào)度。筆者所在的公司花了大把銀子購買風(fēng)河的VxWorks，但是為了實(shí)現(xiàn)自己的可控性，除了任務(wù)調(diào)度模塊以外全部重寫，包括內(nèi)存管理、文件管理等其他核心模塊，但唯獨(dú)任務(wù)調(diào)度模塊除外，這可是人家的壓箱底法寶:-)

構(gòu)成應(yīng)用軟件系統(tǒng)的程序集合中，獨(dú)立的、相互作用的程序單元，在其執(zhí)行時(shí)稱之為任務(wù)，從系統(tǒng)的角度來看，任務(wù)是競爭系統(tǒng)資源的最小運(yùn)行單元。單個(gè)CPU 中，多任務(wù)機(jī)制制造了一個(gè)多個(gè)任務(wù)同時(shí)執(zhí)行的假象。其實(shí)系統(tǒng)只是根據(jù)一個(gè)多任務(wù)調(diào)度算法，將內(nèi)核插入到這些任務(wù)中執(zhí)行。實(shí)時(shí)系統(tǒng)VxWorks的一個(gè)任務(wù)可有多種狀態(tài)，但最基本的狀態(tài)有以下四種：

1) 就緒態(tài)(Ready)：任務(wù)只等待系統(tǒng)分配CUP資源。
2) 掛起態(tài)(Pend)：任務(wù)需等待某些不可利用的資源而被阻塞。
3) 休眠態(tài)(Sleep)：如果系統(tǒng)不需要某一個(gè)任務(wù)工作，則這個(gè)任務(wù)處于休眠狀態(tài)。
4) 延遲態(tài)(Delay)：任務(wù)被延遲時(shí)所處的狀態(tài)。

大家可以在網(wǎng)上搜一下VxWorks任務(wù)調(diào)度的相關(guān)文章，一般都會(huì)配狀態(tài)機(jī)圖。

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請注意：任務(wù)(task)、進(jìn)程(process)、線程(thread)等概念相互聯(lián)系又相互區(qū)別，因?yàn)椴皇潜疚牡闹攸c(diǎn)，這里不多解釋，如果想詳細(xì)了解推薦看一看“Windows Kernel Programming”。在VxWorks中，因?yàn)槊總€(gè)任務(wù)沒有自己獨(dú)立的虛擬內(nèi)存空間，可以把任務(wù)理解為線程。?

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任務(wù)由系統(tǒng)內(nèi)核調(diào)度運(yùn)行一段固定長度的時(shí)間，稱為時(shí)間片。調(diào)度是指為任務(wù)分配資源和時(shí)間，使系統(tǒng)滿足特定的性能要求。調(diào)度算法的目的是在正常情況下，盡可能滿足所有任務(wù)的時(shí)限：在峰值負(fù)載條件下，保證強(qiáng)實(shí)時(shí)任務(wù)滿足時(shí)限。因?yàn)闀r(shí)限是區(qū)分實(shí)時(shí)系統(tǒng)和非實(shí)時(shí)系統(tǒng)的關(guān)鍵因素，因此調(diào)度算法是實(shí)時(shí)系統(tǒng)的基本問題。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)所具有的運(yùn)行性能，如吞吐量的大小、周轉(zhuǎn)時(shí)間的長短、相應(yīng)的及時(shí)性和可預(yù)測性等在很大程度上都取決于實(shí)時(shí)調(diào)度。

進(jìn)程調(diào)度可采用下述兩種方式:

1. 非搶占方式。采用這種調(diào)度方式，一旦把處理機(jī)分配給某進(jìn)程后，便讓該進(jìn)程一直執(zhí)行，直到該進(jìn)程完成或發(fā)生某事件而被阻塞，才再把處理機(jī)分配給其他進(jìn)程，決不允許某進(jìn)程搶占已經(jīng)分配出去的處理機(jī)。顯然它難于滿足緊急任務(wù)的要求，實(shí)時(shí)系統(tǒng)中不宜采用這種調(diào)度方式。

2. 搶占方式。允許調(diào)度程序根據(jù)某種原則，去停止某個(gè)正在執(zhí)行的進(jìn)程，將已分配給該進(jìn)程的處理機(jī)，重新分配給另一進(jìn)程。搶占的原則有：

- 時(shí)間片原則。各進(jìn)程按時(shí)間片運(yùn)行，當(dāng)一個(gè)時(shí)間片用完后，便停止該進(jìn)程的執(zhí)行而重新進(jìn)行調(diào)度。

- 優(yōu)先權(quán)原則。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程到來時(shí)，如果其優(yōu)先級比正在執(zhí)行的進(jìn)程的優(yōu)先級高，便停止正在執(zhí)行的進(jìn)程，將處理機(jī)分配給優(yōu)先級高的進(jìn)程，使之執(zhí)行。實(shí)時(shí)系統(tǒng)中一般采用基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度和輪轉(zhuǎn)調(diào)度的進(jìn)程調(diào)度和中程調(diào)度相結(jié)合的調(diào)度策略。因此既可具有較大的靈活性，又能獲得極小的調(diào)度延遲。

VxWorks的wind內(nèi)核缺省調(diào)度機(jī)制為基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度。采用這種機(jī)制時(shí)，系統(tǒng)把處理機(jī)分配給優(yōu)先級最高的進(jìn)程，使之執(zhí)行。一旦出現(xiàn)了另一個(gè)優(yōu)先級更高的進(jìn)程時(shí)，進(jìn)程調(diào)度程序剝奪當(dāng)前任務(wù)的執(zhí)行，將處理機(jī)分配給高優(yōu)先級任務(wù)。而在相同優(yōu)先級的多個(gè)任務(wù)之間，采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制。采用這種機(jī)制時(shí)，當(dāng)一個(gè)任務(wù)到達(dá)時(shí)，它被排在輪轉(zhuǎn)隊(duì)列的后面，等待分配給自己的時(shí)間片的到來，如果在時(shí)間片內(nèi)沒有結(jié)束，則再等待屬于自己的時(shí)間片的到來，直到任務(wù)完成。

- 優(yōu)先級搶占式
??? 采用基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度，系統(tǒng)中每個(gè)任務(wù)都有一個(gè)介于最高0到最低255之間的優(yōu)先級。任一時(shí)刻，系統(tǒng)內(nèi)核一旦發(fā)現(xiàn)一個(gè)優(yōu)先級更高的任務(wù)轉(zhuǎn)變?yōu)榫途w態(tài)，內(nèi)核就保存當(dāng)前任務(wù)的上下文并把當(dāng)前任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為阻塞態(tài)，同時(shí)切換到這個(gè)高優(yōu)先級任務(wù)的上下文執(zhí)行。
- 輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法
??? 采用輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法，系統(tǒng)讓處于就緒態(tài)的優(yōu)先級相同的一組任務(wù)依次輪流執(zhí)行預(yù)先確定長度的時(shí)間片。這是一種處理機(jī)平均分配的方法。如果不使用輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法，優(yōu)先級相同的一組任務(wù)中第一個(gè)獲得處理機(jī)的任務(wù)將不會(huì)被阻塞而獨(dú)占處理機(jī)，如果沒有阻塞或其他情況發(fā)生，它不會(huì)放棄處理機(jī)的使用權(quán)。
- 搶占調(diào)度與輪轉(zhuǎn)調(diào)度混合方式
??? 有時(shí)，基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度可與輪轉(zhuǎn)調(diào)度相結(jié)合。當(dāng)優(yōu)先級相同的一組任務(wù)依次輪流平均分配處理機(jī)時(shí)，若有高優(yōu)先級的任務(wù)轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>就緒態(tài)則可搶占該組任務(wù)。直到再一次符合執(zhí)行條件時(shí)，該組任務(wù)才可再次共享處理機(jī)。
??? 為了任務(wù)控制的靈活性，VxWorks內(nèi)核還提供了動(dòng)態(tài)優(yōu)先級機(jī)制，任務(wù)的優(yōu)先級在運(yùn)行期間可動(dòng)態(tài)地變化。同時(shí)，為了防止優(yōu)先級反轉(zhuǎn)，還具有優(yōu)先級繼承機(jī)制，通過使用互斥信號量可以防止高優(yōu)先級的任務(wù)被迫等待一段不確定時(shí)間，直到一個(gè)低優(yōu)先級任務(wù)完成。

參考文獻(xiàn)：《實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks的內(nèi)核任務(wù)調(diào)度研究》 - 百度一下可以搜到

4. Linux的任務(wù)調(diào)度

通用Linux系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)兩種進(jìn)程，實(shí)時(shí)進(jìn)程相對于普通進(jìn)程具有絕對的優(yōu)先級。對應(yīng)地，實(shí)時(shí)進(jìn)程采用SCHED_FIFO或者SCHED_RR調(diào)度策略，普通的進(jìn)程采用SCHED_OTHER調(diào)度策略。

在調(diào)度算法的實(shí)現(xiàn)上，Linux中的每個(gè)任務(wù)有四個(gè)與調(diào)度相關(guān)的參數(shù)，它們是rt_priority、policy、priority（nice）、counter。調(diào)度程序根據(jù)這四個(gè)參數(shù)進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度。

在 SCHED_OTHER調(diào)度策略中，調(diào)度器總是選擇那個(gè)priority+counter值最大的進(jìn)程來調(diào)度執(zhí)行。從邏輯上分析SCHED_OTHER 調(diào)度策略存在著調(diào)度周期（epoch），在每一個(gè)調(diào)度周期中，一個(gè)進(jìn)程的priority和counter值的大小影響了當(dāng)前時(shí)刻應(yīng)該調(diào)度哪一個(gè)進(jìn)程來執(zhí)行，其中priority是一個(gè)固定不變的值，在進(jìn)程創(chuàng)建時(shí)就已經(jīng)確定，它代表了該進(jìn)程的優(yōu)先級，也代表這該進(jìn)程在每一個(gè)調(diào)度周期中能夠得到的時(shí)間片的多少；counter是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的值，它反映了一個(gè)進(jìn)程在當(dāng)前的調(diào)度周期中還剩下的時(shí)間片。在每一個(gè)調(diào)度周期的開始，priority的值被賦給 counter，然后每次該進(jìn)程被調(diào)度執(zhí)行時(shí)，counter值都減少。當(dāng)counter值為零時(shí)，該進(jìn)程用完自己在本調(diào)度周期中的時(shí)間片，不再參與本調(diào)度周期的進(jìn)程調(diào)度。當(dāng)所有進(jìn)程的時(shí)間片都用完時(shí)，一個(gè)調(diào)度周期結(jié)束，然后周而復(fù)始。另外可以看出Linux系統(tǒng)中的調(diào)度周期不是靜態(tài)的，它是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的量，比如處于可運(yùn)行狀態(tài)的進(jìn)程的多少和它們priority值都可以影響一個(gè)epoch的長短。值得注意的一點(diǎn)是，在2.4以上的內(nèi)核中，priority被nice所取代，但二者作用類似。

可見SCHED_OTHER調(diào)度策略本質(zhì)上是一種比例共享的調(diào)度策略，它的這種設(shè)計(jì)方法能夠保證進(jìn)程調(diào)度時(shí)的公平性--一個(gè)低優(yōu)先級的進(jìn)程在每一個(gè)epoch中也會(huì)得到自己應(yīng)得的那些CPU執(zhí)行時(shí)間，另外它也提供了不同進(jìn)程的優(yōu)先級區(qū)分，具有高priority值的進(jìn)程能夠獲得更多的執(zhí)行時(shí)間。對于實(shí)時(shí)進(jìn)程來說，它們使用的是基于實(shí)時(shí)優(yōu)先級rt_priority的優(yōu)先級調(diào)度策略，但根據(jù)不同的調(diào)度策略，同一實(shí)時(shí)優(yōu)先級的進(jìn)程之間的調(diào)度方法有所不同：

- SCHED_FIFO：不同的進(jìn)程根據(jù)靜態(tài)優(yōu)先級進(jìn)行排隊(duì)，然后在同一優(yōu)先級的隊(duì)列中，誰先準(zhǔn)備好運(yùn)行就先調(diào)度誰，并且正在運(yùn)行的進(jìn)程不會(huì)被終止直到以下情況發(fā)生：1.被有更高優(yōu)先級的進(jìn)程所強(qiáng)占CPU；2.自己因?yàn)橘Y源請求而阻塞；3.自己主動(dòng)放棄CPU（調(diào)用sched_yield）；

- SCHED_RR：這種調(diào)度策略跟上面的SCHED_FIFO一模一樣，除了它給每個(gè)進(jìn)程分配一個(gè)時(shí)間片，時(shí)間片到了正在執(zhí)行的進(jìn)程就放棄執(zhí)行；時(shí)間片的長度可以通過sched_rr_get_interval調(diào)用得到；

由于Linux系統(tǒng)本身是一個(gè)面向桌面的系統(tǒng)，所以將它應(yīng)用于實(shí)時(shí)應(yīng)用中時(shí)存在如下的一些問題：

- Linux系統(tǒng)中的調(diào)度單位為10ms，所以它不能夠提供精確的定時(shí)；?
- 當(dāng)一個(gè)進(jìn)程調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核態(tài)運(yùn)行時(shí)，它是不可被搶占的；?
- Linux內(nèi)核實(shí)現(xiàn)中使用了大量的封中斷操作會(huì)造成中斷的丟失；?
- 由于使用虛擬內(nèi)存技術(shù)，當(dāng)發(fā)生頁出錯(cuò)時(shí)，需要從硬盤中讀取交換數(shù)據(jù)，但硬盤讀寫由于存儲(chǔ)位置的隨機(jī)性會(huì)導(dǎo)致隨機(jī)的讀寫時(shí)間，這在某些情況下會(huì)影響一些實(shí)時(shí)任務(wù)的截止期限；?
- 雖然Linux進(jìn)程調(diào)度也支持實(shí)時(shí)優(yōu)先級，但缺乏有效的實(shí)時(shí)任務(wù)的調(diào)度機(jī)制和調(diào)度算法；它的網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的協(xié)議處理和其它設(shè)備的中斷處理都沒有與它對應(yīng)的進(jìn)程的調(diào)度關(guān)聯(lián)起來，并且它們自身也沒有明確的調(diào)度機(jī)制；

參考文獻(xiàn)：《基于Linux的實(shí)時(shí)系統(tǒng)》 - 百度一下可以搜到

5. 實(shí)時(shí)Linux研究

呼哧呼哧寫了半天，終于到了重頭戲，實(shí)時(shí)Linux研究。前文說過，風(fēng)河的VxWorks雖然性能大大的好，但是要花很多銀子，對于一般的軟實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)來說，還是用開源免費(fèi)的實(shí)時(shí)Linux比較好。筆者所在的公司也正在研究將平臺(tái)轉(zhuǎn)為Linux。有許多種方法可以賦予普通Linux實(shí)時(shí)的能力：

5.1 瘦內(nèi)核（微內(nèi)核）- Thin-Kernel

瘦內(nèi)核（或微內(nèi)核）方法使用了第二個(gè)內(nèi)核作為硬件與 Linux 內(nèi)核間的抽象接口。非實(shí)時(shí) Linux 內(nèi)核在后臺(tái)運(yùn)行，作為瘦內(nèi)核的一項(xiàng)低優(yōu)先級任務(wù)托管全部非實(shí)時(shí)任務(wù)。實(shí)時(shí)任務(wù)直接在瘦內(nèi)核上運(yùn)行。瘦內(nèi)核主要用于（除了托管實(shí)時(shí)任務(wù)外）中斷管理。瘦內(nèi)核截取中斷以確保非實(shí)時(shí)內(nèi)核無法搶占瘦內(nèi)核的運(yùn)行。這允許瘦內(nèi)核提供硬實(shí)時(shí)支持。

雖然瘦內(nèi)核方法有自己的優(yōu)勢（硬實(shí)時(shí)支持與標(biāo)準(zhǔn) Linux 內(nèi)核共存），但這種方法也有缺點(diǎn)。實(shí)時(shí)任務(wù)和非實(shí)時(shí)任務(wù)是獨(dú)立的，這造成了調(diào)試?yán)щy。而且，非實(shí)時(shí)任務(wù)并未得到 Linux 平臺(tái)的完全支持（瘦內(nèi)核執(zhí)行稱為瘦 的一個(gè)原因）。

使用這種方法的例子有 RTLinux (現(xiàn)在由 Wind River Systems 專有)，實(shí)時(shí)應(yīng)用程序接口（RTAI）和 Xenomai。

5.2 超微內(nèi)核

這里瘦內(nèi)核方法依賴于包含任務(wù)管理的最小內(nèi)核，而超微內(nèi)核法對內(nèi)核進(jìn)行更進(jìn)一步的縮減。通過這種方式，它不像是一個(gè)內(nèi)核而更像是一個(gè)硬件抽象層（HAL）。超微內(nèi)核為運(yùn)行于更高級別的多個(gè)操作系統(tǒng)提供了硬件資源共享。因?yàn)槌?nèi)核對硬件進(jìn)行了抽象，因此它可為更高級別的操作系統(tǒng)提供優(yōu)先權(quán)，從而支持實(shí)時(shí)性。

注意，這種方法和運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)的虛擬化方法有一些相似之處。使用這種方法的情況下，超微內(nèi)核在實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)內(nèi)核中對硬件進(jìn)行抽象。這與 hypervisor 從客戶（guest）操作系統(tǒng)對裸機(jī)進(jìn)行抽象的方式很相似。

關(guān)于超微內(nèi)核的示例是操作系統(tǒng)的 Adaptive Domain Environment for Operating Systems (ADEOS)。ADEOS 支持多個(gè)并發(fā)操作系統(tǒng)同步運(yùn)行。當(dāng)發(fā)生硬件事件后，ADEOS 對鏈中的每個(gè)操作系統(tǒng)進(jìn)行查詢以確定使用哪一個(gè)系統(tǒng)處理事件。

5.3 資源內(nèi)核（Resource-kernel）

另一個(gè)實(shí)時(shí)架構(gòu)是資源內(nèi)核法。這種方法為內(nèi)核增加一個(gè)模塊，為各種資源提供預(yù)留（reservation）。這種機(jī)制保證了對時(shí)分復(fù)用（time- multiplexed）系統(tǒng)資源的訪問（CPU、網(wǎng)絡(luò)或磁盤帶寬）。這些資源擁有多個(gè)預(yù)留參數(shù)，如循環(huán)周期、需要的處理時(shí)間（也就是完成處理所需的時(shí)間），以及截止時(shí)間。

資源內(nèi)核提供了一組應(yīng)用程序編程接口（API），允許任務(wù)請求這些預(yù)留資源。然后資源內(nèi)核可以合并這些請求，使用任務(wù)定義的約束定義一個(gè)調(diào)度，從而提供確定的訪問（如果無法提供確定性則返回錯(cuò)誤）。通過調(diào)度算法，如 Earliest-Deadline-First (EDF)，內(nèi)核可以處理動(dòng)態(tài)的調(diào)度負(fù)載。

資源內(nèi)核法實(shí)現(xiàn)的一個(gè)示例是 CMU 公司的 Linux/RK，它把可移植的資源內(nèi)核集成到 Linux 中作為一個(gè)可加載模塊。這種實(shí)現(xiàn)演化成商用的 TimeSys Linux/RT 產(chǎn)品。

5.4 標(biāo)準(zhǔn)的Linux內(nèi)核最新版本2.6中加入了實(shí)時(shí)功能

目前探討的這些方法在架構(gòu)上都很有趣，但是它們都在內(nèi)核的外圍運(yùn)行。然而，如果對標(biāo)準(zhǔn) Linux 內(nèi)核進(jìn)行必要的修改使其支持實(shí)時(shí)性，結(jié)果會(huì)怎么樣呢？

今天，在 2.6 內(nèi)核中，通過對內(nèi)核進(jìn)行簡單配置使其完全可搶占，您就可以得到軟實(shí)時(shí)功能。在標(biāo)準(zhǔn) 2.6 Linux 內(nèi)核中，當(dāng)用戶空間的進(jìn)程執(zhí)行內(nèi)核調(diào)用時(shí)（通過系統(tǒng)調(diào)用），它便不能被搶占。這意味著如果低優(yōu)先級進(jìn)程進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)用后，高優(yōu)先級進(jìn)程必須等到調(diào)用結(jié)束后才能訪問 CPU。

新的配置選項(xiàng)?CONFIG_PREEMPT?改變了這一內(nèi)核行為，在高優(yōu)先級任務(wù)可用的情況下（即使此進(jìn)程正在進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用），它允許進(jìn)程被搶占。

但這種配置選項(xiàng)也是一種折衷。雖然此選項(xiàng)實(shí)現(xiàn)了軟實(shí)時(shí)性能并且即使在負(fù)載條件下也可使操作系統(tǒng)順利地運(yùn)行，但這樣做也付出了代價(jià)。代價(jià)就是略微減低了吞吐量以及內(nèi)核性能，原因是?CONFIG_PREEMPT?選項(xiàng)增加了開銷。這種選項(xiàng)對桌面和嵌入式系統(tǒng)而言是有用的，但并不是在任何場景下都有用（例如，服務(wù)器）。

在 2.6 內(nèi)核中另一項(xiàng)有用的配置選項(xiàng)是高精度定時(shí)器。這個(gè)新選項(xiàng)允許定時(shí)器以 1μs 的精度運(yùn)行（如果底層硬件支持的話），并通過紅黑樹實(shí)現(xiàn)對定時(shí)器的高效管理。通過紅黑樹，可以使用大量的定時(shí)器而不會(huì)對定時(shí)器子系統(tǒng)（O(log n)）的性能造成影響。

只需要一點(diǎn)額外的工作，就可以通過 PREEMPT_RT 補(bǔ)丁實(shí)現(xiàn)硬實(shí)時(shí)。PREEMPT_RT 補(bǔ)丁提供了多項(xiàng)修改，可實(shí)現(xiàn)硬實(shí)時(shí)支持。其中一些修改包括重新實(shí)現(xiàn)一些內(nèi)核鎖定原語，從而實(shí)現(xiàn)完全可搶占，實(shí)現(xiàn)內(nèi)核互斥的優(yōu)先級繼承，并把中斷處理程序轉(zhuǎn)換為內(nèi)核線程以實(shí)現(xiàn)線程可搶占。

參考文獻(xiàn)：實(shí)時(shí)Linux架構(gòu)剖析 - M. Tim Jones, 顧問工程師, Emulex Corp.
http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-real-time-linux/#resources

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本文就到此告一段落，結(jié)合自己的實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的概念，性能指標(biāo)，任務(wù)調(diào)度方法，VxWorks和Linux的實(shí)時(shí)性對比，以及相應(yīng)的介紹。供筆者自己學(xué)習(xí)，也供CSDN各位同學(xué)參考，大部分內(nèi)容來自網(wǎng)絡(luò)，不是一篇嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼撐?#xff0c;如有紕漏還請指出，共同進(jìn)步。

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總結(jié)

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