嵌入式實(shí)時(shí)系統中采用的操作系統我們稱(chēng)為嵌入式實(shí)時(shí)操作系統，它既是嵌入式操作系統，又是實(shí)時(shí)操作系統。作為一種嵌入式操作系統，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（本文對實(shí)時(shí)操作系統特性的討論僅限于強實(shí)時(shí)操作系統，下面提到的實(shí)時(shí)操作系統也均指強實(shí)時(shí)操作系統），它與通用操作系統（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之間的差別來(lái)逐步描述實(shí)時(shí)操作系統的主要特點(diǎn)。 我們在日常工作學(xué)習環(huán)境中接觸最多的是通用操作系統，通用操作系統是由分時(shí)操作系統發(fā)展而來(lái)，大部分都支持多用戶(hù)和多進(jìn)程，負責管理眾多的進(jìn)程并為它們分配系統資源。分時(shí)操作系統的基本設計原則是： 盡量縮短系統的平均響應時(shí)間并提高系統的吞吐率，在單位時(shí)間內為盡可能多的用戶(hù)請求提供服務(wù)。 由此可以看出，分時(shí)操作系統注重平均表現性能，不注重個(gè)體表現性能。如對于整個(gè)系統來(lái)說(shuō)，注重所有任務(wù)的平均響應時(shí)間而不關(guān)心單個(gè)任務(wù)的響應時(shí)間，對于某個(gè)單個(gè)任務(wù)來(lái)說(shuō)，注重每次執行的平均響應時(shí)間而不關(guān)心某次特定執行的響應時(shí)間。通用操作系統中采用的很多策略和技巧都體現出了這種設計原則，如虛存管理機制中由于采用了LRU等頁(yè)替換算法，使得大部分的訪(fǎng)存需求能夠快速地通過(guò)物理內存完成，只有很小一部分的訪(fǎng)存需求需要通過(guò)調頁(yè)完成，但從總體上來(lái)看，平均訪(fǎng)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大于物理內存容量等好處，因此虛存技術(shù)在通用操作系統中得到了十分廣泛的應用。類(lèi)似的例子還有很多，如Unix文件系統中文件存放位置的間接索引查詢(xún)機制等，甚至硬件設計中的Cache技術(shù)以及CPU的動(dòng)態(tài)分支預測技術(shù)等也都體現出了這種設計原則。由此可見(jiàn)，這種注重平均表現，即統計型表現特性的設計原則的影響是十分深遠的。 而對于實(shí)時(shí)操作系統，前面我們已經(jīng)提到，它除了要滿(mǎn)足應用的功能需求以外，更重要的是還要滿(mǎn)足應用提出的實(shí)時(shí)性要求，而組成一個(gè)應用的眾多實(shí)時(shí)任務(wù)對于實(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 )有一些復雜的關(guān)聯(lián)和同步關(guān)系，如執行順序限制、共享資源的互斥訪(fǎng)問(wèn)要求等，這就為系統實(shí)時(shí)性的保證帶來(lái)了很大的困難。因此，實(shí)時(shí)操作系統所遵循的最重要的設計原則是：采用各種算法和策略，始終保證系統行為的可預測性(predictability)?？深A測性是指在系統運行的任何時(shí)刻，在任何情況下，實(shí)時(shí)操作系統的資源調配策略都能為爭奪資源(包括CPU、內存、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(mǎn)足。與通用操作系統不同，實(shí)時(shí)操作系統注重的不是系統的平均表現，而是要求每個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)在最壞情況下都要滿(mǎn)足其實(shí)時(shí)性要求，也就是說(shuō)，實(shí)時(shí)操作系統注重的是個(gè)體表現，更準確地講是個(gè)體最壞情況表現。舉例來(lái)說(shuō)，如果實(shí)時(shí)操作系統采用標準的虛存技術(shù)，則一個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)執行的最壞情況是每次訪(fǎng)存都需要調頁(yè)，如此累計起來(lái)的該任務(wù)在最壞情況下的運行時(shí)間是不可預測的，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中廣泛采用的虛存技術(shù)在實(shí)時(shí)操作系統中不宜直接采用。 由于實(shí)時(shí)操作系統與通用操作系統的基本設計原則差別很大，因此在很多資源調度策略的選擇上以及操作系統實(shí)現的方法上兩者都具有較大的差異，這些差異主要體現在以下幾點(diǎn)： (1) 任務(wù)調度策略： 通用操作系統中的任務(wù)調度策略一般采用基于優(yōu)先級的搶先式調度策略，對于優(yōu)先級相同的進(jìn)程則采用時(shí)間片輪轉調度方式，用戶(hù)進(jìn)程可以通過(guò)系統調用動(dòng)態(tài)地調整自己的優(yōu)先級，操作系統也可根據情況調整某些進(jìn)程的優(yōu)先級。 實(shí)時(shí)操作系統中的任務(wù)調度策略目前使用最廣泛的主要可分為兩種，一種是靜態(tài)表驅動(dòng)方式，另一種是固定優(yōu)先級搶先式調度方式。 靜態(tài)表驅動(dòng)方式是指在系統運行前工程師根據各任務(wù)的實(shí)時(shí)要求用手工的方式或在輔助工具的幫助下生成一張任務(wù)的運行時(shí)間表，這張時(shí)間表與列車(chē)的運行時(shí)刻表類(lèi)似，指明了各任務(wù)的起始運行時(shí)間以及運行長(cháng)度，運行時(shí)間表一旦生成就不再變化了，在運行時(shí)調度器只需根據這張表在指定的時(shí)刻啟動(dòng)相應的任務(wù)即可。靜態(tài)表驅動(dòng)方式的主要優(yōu)點(diǎn)是： 運行時(shí)間表是在系統運行前生成的，因此可以采用較復雜的搜索算法找到較優(yōu)的調度方案； 運行時(shí)調度器開(kāi)銷(xiāo)較??； 系統具有非常好的可預測性，實(shí)時(shí)性驗證也比較方便； 這種方式主要缺點(diǎn)是不靈活，需求一旦發(fā)生變化，就要重新生成整個(gè)運行時(shí)間表。 由于具有非常好的可預測性，這種方式主要用于航空航天、軍事等對系統的實(shí)時(shí)性要求十分嚴格的領(lǐng)域。 固定優(yōu)先級搶先式調度方式則與通用操作系統中采用的基于優(yōu)先級的調度方式基本類(lèi)似，但在固定優(yōu)先級搶先式調度方式中，進(jìn)程的優(yōu)先級是固定不變的，并且該優(yōu)先級是在運行前通過(guò)某種優(yōu)先級分配策略（如Rate-Monotonic、Deadline-Monotonic等）來(lái)指定的。這種方式的優(yōu)缺點(diǎn)與靜態(tài)表驅動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)正好完全相反，它主要應用于一些較簡(jiǎn)單、較獨立的嵌入式系統，但隨著(zhù)調度理論的不斷成熟和完善，這種方式也會(huì )逐漸在一些對實(shí)時(shí)性要求十分嚴格的領(lǐng)域中得到應用。目前市場(chǎng)上大部分的實(shí)時(shí)操作系統采用的都是這種調度方式。 (2) 內存管理： 關(guān)于虛存管理機制我們在上面已經(jīng)進(jìn)行了一些討論。為解決虛存給系統帶來(lái)的不可預測性，實(shí)時(shí)操作系統一般采用如下兩種方式： Ø 在原有虛存管理機制的基礎上增加頁(yè)面鎖功能，用戶(hù)可將關(guān)鍵頁(yè)面鎖定在內存中，從而不會(huì )被swap程序將該頁(yè)面交換出內存。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是既得到了虛存管理機制為軟件開(kāi)發(fā)帶來(lái)的好處，又提高了系統的可預測性。缺點(diǎn)是由于TLB等機制的設計也是按照注重平均表現的原則進(jìn)行的，因此系統的可預測性并不能完全得到保障； Ø 采用靜態(tài)內存劃分的方式，為每個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)劃分固定的內存區域。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是系統具有較好的可預測性，缺點(diǎn)是靈活性不夠好，任務(wù)對存儲器的需求一旦有變化就需要重新對內存進(jìn)行劃分，此外虛存管理機制所帶來(lái)的好處也喪失了。 目前市場(chǎng)上的實(shí)時(shí)操作系統一般都采用第一種管理方式。 (3) 中斷處理： 在通用操作系統中，大部分外部中斷都是開(kāi)啟的，中斷處理一般由設備驅動(dòng)程序來(lái)完成。由于通用操作系統中的用戶(hù)進(jìn)程一般都沒(méi)有實(shí)時(shí)性要求，而中斷處理程序直接跟硬件設備交互，可能有實(shí)時(shí)性要求，因此中斷處理程序的優(yōu)先級被設定為高于任何用戶(hù)進(jìn)程。 但對于實(shí)時(shí)操作系統采用上述的中斷處理機制是不合適的。首先，外部中斷是環(huán)境向實(shí)時(shí)操作系統進(jìn)行的輸入，它的頻度是與環(huán)境變化的速率相關(guān)的，而與實(shí)時(shí)操作系統無(wú)關(guān)。如果外部中斷產(chǎn)生的頻度不可預測，則一個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)在運行時(shí)被中斷處理程序阻塞的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)也是不可預測的，從而使任務(wù)的實(shí)時(shí)性得不到保證；如果外部中斷產(chǎn)生的頻度是可預測的，一旦某外部中斷產(chǎn)生的頻度超出其預測值（如硬件故障產(chǎn)生的虛假中斷信號或預測值本身有誤）就可能會(huì )破壞整個(gè)系統的可預測性。其次，實(shí)時(shí)操作系統中的各用戶(hù)進(jìn)程一般都有實(shí)時(shí)性要求，因此中斷處理程序優(yōu)先級高于所有用戶(hù)進(jìn)程的優(yōu)先級分配方式是不合適的。 一種較適合實(shí)時(shí)操作系統的中斷處理方式為：除時(shí)鐘中斷外，屏蔽所有其它中斷，中斷處理程序變?yōu)橹芷谛缘妮喸?xún)操作，這些操作由核心態(tài)的設備驅動(dòng)程序或由用戶(hù)態(tài)的設備支持庫來(lái)完成。采用這種方式的主要好處是充分保證了系統的可預測性，主要缺點(diǎn)是對環(huán)境變化的響應可能不如上述中斷處理方式快，另外輪詢(xún)操作在一定程度上降低了CPU的有效利用率。另一種可行的方式是：對于采用輪詢(xún)方式無(wú)法滿(mǎn)足需求的外部事件，采用中斷方式，其它時(shí)間仍然采用輪詢(xún)方式。但此時(shí)中斷處理程序與所以其它任務(wù)一樣擁有優(yōu)先級，調度器根據優(yōu)先級對處于就緒態(tài)的任務(wù)和中斷處理程序統一進(jìn)行處理器調度。這種方式使外部事件的響應速度加快，并避免了上述中斷方式帶來(lái)第二個(gè)問(wèn)題，但第一個(gè)問(wèn)題仍然存在。 此外為提高時(shí)鐘中斷響應時(shí)間的可預測性，實(shí)時(shí)操作系統應盡可能少地屏蔽中斷。 (4) 共享資源的互斥訪(fǎng)問(wèn)： 通用操作系統一般采用信號量機制來(lái)解決共享資源的互斥訪(fǎng)問(wèn)問(wèn)題。 對于實(shí)時(shí)操作系統，如果任務(wù)調度采用靜態(tài)表驅動(dòng)方式，共享資源的互斥訪(fǎng)問(wèn)問(wèn)題在生成運行時(shí)間表時(shí)已經(jīng)考慮到了，在運行時(shí)無(wú)需再考慮。如果任務(wù)調度采用基于優(yōu)先級的方式，則傳統的信號量機制在系統運行時(shí)很容易造成優(yōu)先級倒置問(wèn)題（Priority Inversion），即當一個(gè)高優(yōu)先級任務(wù)通過(guò)信號量機制訪(fǎng)問(wèn)共享資源時(shí)，該信號量已被一低優(yōu)先級任務(wù)占有，而這個(gè)低優(yōu)先級任務(wù)在訪(fǎng)問(wèn)共享資源時(shí)可能又被其它一些中等優(yōu)先級的任務(wù)搶先，因此造成高優(yōu)先級任務(wù)被許多具有較低優(yōu)先級的任務(wù)阻塞，實(shí)時(shí)性難以得到保證。因此在實(shí)時(shí)操作系統中，往往對傳統的信號量機制進(jìn)行了一些擴展，引入了如優(yōu)先級繼承協(xié)議(Priority Inheritance Protocol)、優(yōu)先級頂置協(xié)議(Priority Ceiling Protocol)以及Stack Resource Policy等機制，較好地解決了優(yōu)先級倒置的問(wèn)題。 (5) 系統調用以及系統內部操作的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)： 進(jìn)程通過(guò)系統調用得到操作系統提供的服務(wù)，操作系統通過(guò)內部操作（如上下文切換等）來(lái)完成一些內部管理工作。為保證系統的可預測性，實(shí)時(shí)操作系統中的所有系統調用以及系統內部操作的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)都應是有界的，并且該界限是一個(gè)具體的量化數值。而在通用操作系統中對這些時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)則未做如此限制。 (6) 系統的可重入性： 在通用操作系統中，核心態(tài)系統調用往往是不可重入的，當一低優(yōu)先級任務(wù)調用核心態(tài)系統調用時(shí)，在該時(shí)間段內到達的高優(yōu)先級任務(wù)必須等到低優(yōu)先級的系統調用完成才能獲得CPU，這就降低了系統的可預測性。因此，實(shí)時(shí)操作系統中的核心態(tài)系統調用往往設計為可重入的。 (7) 輔助工具： 實(shí)時(shí)操作系統額外提供了一些輔助工具，如實(shí)時(shí)任務(wù)在最壞情況下的執行時(shí)間估算工具、系統的實(shí)時(shí)性驗證工具等，可幫助工程師進(jìn)行系統的實(shí)時(shí)性驗證工作。 此外，實(shí)時(shí)操作系統對系統硬件設計也提出了一些要求，其中一些要求為： (1) DMA DMA是一種數據交換協(xié)議，主要作用是在無(wú)需CPU參與的情況下將數據在內存與其它外部設備間進(jìn)行交換。DMA最常用的一種實(shí)現方式被稱(chēng)為周期竊取(Cycle Stealing)方式，即首先通過(guò)總線(xiàn)仲裁協(xié)議與CPU競爭總線(xiàn)控制權，在獲得控制權后再根據用戶(hù)預設的操作指令進(jìn)行數據交換。由于這種周期竊取方式會(huì )給用戶(hù)任務(wù)帶來(lái)不可預測的額外阻塞開(kāi)銷(xiāo)，所以實(shí)時(shí)操作系統往往要求系統設計時(shí)不采用DMA或采取一些可預測性更好的DMA實(shí)現方式，如Time-slice method等。 (2) Cache Cache的主要作用是采用容量相對較小的快速存儲部件來(lái)彌補高性能CPU與相對來(lái)說(shuō)性能較低的存儲器之間的性能差異，由于它可以使系統的平均表現性能得到大幅提高，因此在硬件設計中得到了極為廣泛的應用。 但實(shí)時(shí)操作系統注重的不是平均表現性能，而是個(gè)體最壞情況表現，因此在對系統進(jìn)行實(shí)時(shí)性驗證時(shí)必須考慮實(shí)時(shí)任務(wù)運行的最壞情況，即每次訪(fǎng)存都沒(méi)有命中Cache情況下的運行時(shí)間，所以在利用輔助工具估算實(shí)時(shí)任務(wù)在最壞情況下的執行時(shí)間時(shí)，應將系統中所有的Cache功能暫時(shí)關(guān)閉，在系統實(shí)際運行時(shí)再將Cache功能激活。除此以外，另一種較極端的做法則是在硬件設計中完全不采用Cache技術(shù)。
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