实时操作系统学习心得

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1、实时操作系统学习心得摘要:实时操作系统在实时控制系统和实时事务处理系统中有着重要的作用。本文以实时操 作系统的结构和功能为线索，介绍了实时操作系统发展过程及各阶段的特点。本文借鉴通用 操作系统的功能划分，强化实时性、故障容错、标准兼容性等关键特征，从每个功能领域对 常用实时操作系统进行深入的研究，对Lynx实时系统公司的LynxOS、QNX软件系统有 限公司的QNX以及两种具有代表性的实时Linux-新墨西哥工学院的RTLinux和堪萨斯 大学的KURTLinux进行比较。关键词:实时操作系统、学习心得目录1、实时操作系统的概述 31.1 实时操作系统的分类 31.2 实时操作系统的特点 32

2、、实时操作系统的发展历程 42.1 早期的实时操作系统 42.2 逐渐完善的实时操作系统 42.2.1 专用实时操作系统 52.2.2 通用实时操作系统 52.3 基于微内核思想的实时操作系统 53、简述实时操作系统的实现技术 63.1 实时性能主要实现技术 63.2 实时性能重要指标 74、常见的嵌入式实时操作系统比较 84.1 嵌入式实时操作系统简述 84.2 嵌入式实时操作系统分析标准 84.2.1 实时性分析 94.2.2 可靠性和容错能力 104.3 实时操作系统的比较 114.3.1 基本特征概述 124.3.2 体系结构异同 124.3.3 调度策略分析 134.3.4 操作系统

3、服务比较 144.3.5 系统开放性对比 155、结束语 16参考文献 171、实时操作系统的概述所谓“实时”，对于计算机系统而言意味着不但要求逻辑结果正确，而且有 时间的要求，即这个结果必须产生截止期限之前。对于实时而言，时间期限的要 求是必须得到满足的，但是区分具体应用场合，这种要求的严格程度又有所不同。 如果这种要求是绝对的，任何一次不满足就能造成实难性后果，那就称之为强实 时；否则，偶尔的不满足并不足以造成严重后果，是可以接受的，则称为弱实时。 在操作系统领域，实时操作系统属于一个很特别的“另类”，绝大多数的人们对 此较为陌生。人们常见的是所谓分时系统。最为经典的分时系统当推UNIX操

4、作系统，已 经具有近百年的历史，广泛应用于研究、教育及商业领域。UNIX系统的优点在 于它的高效率及开放性，在这方面，同为分时系统的 Windows 是望尘莫及的。 分时操作系统的设计目标在于通过对最一般情形的优化，最大限度地有效利用硬 件资源，从而达到最大的处理能力，即“吞吐率”；而实时操作系统的设计思想， 则与此大相径庭，对于实时系统而言，更重要的是响应时间，而且要保障最坏的 情形下的响应时间。1.1实时操作系统的分类实时系统可分为实时事务处理系统和实时控制系统两大类，前者的大量工作 是进行事务处理，对时间有一定的要求，响应时间一般不是很急，如银行业务； 而后者要求对外部事件作出快速确定的

5、反应，否则可能导致灾难性后果，如飞行 器控制系统。在实时系统中起核心作用的是实时操作系统（RTOS），它象是人的 中枢神经系统，控制、管理着实时系统的正常工作。按照对外部事件响应时间不同，实时操作系统也分为弱实时操作系统和强实 时操作系统，弱RTOS的系统响应时间以秒来刻化，而强RTOS的系统响应时间 一般为几十微秒到几十毫秒。1.2 实时操作系统的特点对于通用操作系统，其目的是方便用户管理计算机资源，追求系统资源最大 利用率，而实时操作系统在进行资源管理的同时，还必须具备RTOS的特点：实 时性与可确定性、高可靠性、灵活性及并发性。实时性和可确定性即系统对外部事件的响应速度快，且响应时间可确

6、定。RTOS 一般用于实时性要求很高的实时控制系统，如武器系统、电子战系统、工 业生产系统和调整测控系统等，这类系统外部行为虽表现出随机性，但要求其 RTOS作出的反应是快速的，可预测的。只有RTOS在时间上对外部事件的响应 是可确定的，才能保证实时系统设计的时限要求。同时，因其应用环境特性的需 要，要求有很高的可靠性。在RTOS的设计时，强调应有多级的故障检测机制和 恢复方法。灵活性实时系统的应用领域很广，RTOS必须具有相当大的灵活性， 以适应不同系统的需要，灵活性主要体现在RTOS的可剪裁性、可配制性等方面, 以便实时操作系统能以最佳方式适应各种系统的需求。2、实时操作系统的发展历程实时

7、操作系统的发展历程实时操作系统的研究是从 60年代开始的，从系统 结构上看，到现在已经历了三个阶段：系统监控软件、软组件结构的RTOS和基 于微内核思想的可伸缩内核结构的 RTOS。2.1早期的实时操作系统早期的实时操作系统，还不能被称为真正的RTOS，它只是小而简单的，带 有一定专用性的软件，功能较弱，可以认为是一种系统监控程序，它一般为用户 提供对系统的初始化管理，及简单的实时时钟管理。一些高级的复杂系统监控软 件也引入了任务调度及低级的任务间协调等功能。应用程序对外部事件响应采用 主循环轮询处理、前后台运行和中断处理等方法。这时期，实时应用较简单，实 时性的要求也不高，因此应用程序、系统

8、监控软件和硬件运行平台往往是紧密联 系在一起的，它们相互制约，相互协作。早期实时系统的开发，包括软硬件系统， 几乎都由用户自己完成。2.2 逐渐完善的实时操作系统随着计算机技术的不断发展，计算机在各个领域的应用也日益广泛和深入。 特别是在嵌入式计算机系统应用领域，从工业控制、机器人、智能产品、电信产 品到先进的军事武器装备，都需要有实时操作系统的支持。实时应用变得越来越 复杂，功能需求也越来越高，这使得应用系统的设计者单独设计整个系统软件成 为不可能。而且简单的监控软件也不能很好地协调各外部事件的运行，不能满足 大型应用系统对多任务、实时性等功能的要求。应用呼唤有功能更强大的实时操 作系统的出

9、现。它应具有操作系统的基本功能，能对整个实时系统的运行进行控 制，对系统中多任务的运行调度进行管理，具备系统级的控制能力，实时性强， 可靠性高，能充分满足实时应用的需求，成为大型嵌入式计算机实时系统不可缺 少的软件支撑。这时期RTOS的发展经历了两个阶段：专用实时操作系统的研制 和通用实时操作系统的研制。2.2.1 专用实时操作系统即用户为适应嵌入式实时应用的需要，自己研制与特定硬件相匹配的实时操 作系统。这类专用实时操作系统在国外称为 (Real-Time Operating SystemDeveloped in House) ，它是在初期，用户为满足自身开发需要而研制的， 它一般只能适用于

10、特定的硬件环境，且缺乏严格的评测，可靠性和移植性都不强。 现在，除特殊需求外，实时应用开发者已不再自己研制专用 RTOS。 2.2.2 通用实时操作系统计算机硬件的系统化、标准化，以及对实时操作系统功能要求的增强，用户 自己开发实时操作系统变得越来越困难，并且将延长开发周期，增加成本，为此， 出现了专业的实时操作系统开发商，它们研制通用实时操作系统，并尽可能地适 应各种应用的需求，使实时系统的系统软件与应用软件分离，用户能更多地集中 精力于应用软件的开发，而由开发商提供系统软件支持。这类通用实时操作系统，有 MRI 公司的 VRTX32、Intel 公司的 iRMX 和 Integrated

11、System 公司的 Psos 等。它们都有较完善的实时操作系统的功能，在系 统结构上采用软组件(Software Compo-nent Model)。以VRTX32为例，它主要由 Kernel模块、SNX网络组件、IFX文件及输入输出组件和实时运行库(RTL)等构 成。在内核模块实现了任务管理、任务间通信、内存管理、实时时钟等功能，可 以动态生成或删除系统对象，如任务、消息队列、信号量、信箱等。实现了可抢 占的、基于优先级的任务调度算法，并提供可选的时间片轮转调度。为任务间通 信，提供了邮箱、消息队列、事件标志和信号量机制。2.3 基于微内核思想的实时操作系统微内核设计，是当今推动操作系统发

12、展的重要因素之一，其特点是将操作系 统最基本、最简单的功能置于较小的内核，称作微内核(MicroKernel),而将诸如 文件管理等其它所有传统操作系统服务，都作为用户层的服务程序驻留在微内核 外。微内核的特点决定了其固有的模块化特性，而模块化反过来又为微内核操作 系统提供了许多优良的特性，包括维护简单、修改方便、可移植性强、操作灵活、 支持多处理器等功能。借鉴微内核的设计思想，针对实时操作系统自身的特点， 实时操作系统开发厂商采用一组环绕基核的类似于微内核的独立功能模块来建 立可伸缩的实时操作系统，并把基核称为超微内核(NanoKernel )。采用这种基于 微内核的思想，实时操作系统开发商

13、推出了(VRTXsa、Psos+m和Vxworks等新 一代体系结构的实时操作系统，它们都基于微内核或超微内核结构，以客户 /服 务器模式完成全部或部分的系统功能。基于微内核设计思想的可伸缩性实时操作系统，能简化在操作系统核中增加 新功能的开销，并具有更好的剪裁性满足各种系统存储器资源的需求。3、简述实时操作系统的实现技术由于指导思想南辕北辙，因而，分时系统与实时系统是很难“整合”的。不 过，由于分时系统应用广泛，被称为通用系统，在它上面有很好的开发环境、调 试工具，并且这些环境与工具为开发者所熟悉，所以人们还是在进行着这种努力。 这方面，几乎所有的工作都集中在依托 UNIX 系统对它进行改造

14、，从而实现实时 系统上面。增强 UNIX 系统实时性，是一个很早就有的想法，为此，90 年代初 人们就制定了相关标准，即POSIX1003.1b。这个标准规定了“开放系统”对实 时应用提供的服务，包括较高精度的时钟，实时调度策略，进程页面驻留等。目 前几乎所有UNIX类操作系统都实现了这个标准所规定的大部分内容。然而，仅 仅实现了 POSIX1003.1b，通用分时系统所获得的实时性是很“弱”的，弱到对 很多应用而言几乎没有任何实际意义。3.1 实时性能主要实现技术实时操作系统的实时性是第一要求，需要调度一切可利用的资源完成实时任 务。根据响应时间在微秒、毫秒和秒级的不同，可分为强实时、准实时

15、和弱实时 三种。强实时系统必须是对即时的事件作出反应，绝对不能错过事件处理时限。 例如测控领域就是要求强或接近强实时系统。在机顶盒、PDA、信息家电等应用 领域，系统负荷较重的时候，允许发生错过时限的情况而且不会造成太大的危害， 准和弱实时系统就可满足应用。一个强实时的操作系统通常使用以下技术：1) 占先式内核当系统时间响应很重要时，要使用占先式内核。当前最高优先级的任务一旦 就绪，总能立即得到CPU的控制权，而CPU的控制权是可知的。使用占先式内 核使得任务级响应时间得以最优化。2) 调度策略分析任务调度策略是直接影响实时性能的因素。强实时系统和准实时系统的实现 区别主要在选择调度算法上。选

16、择基于优先级调度的算法足以满足准实时系统的 要求，而且可以提供高速的响应和大的系统吞吐率。当两个或两个以上任务有同 样优先级，通常用时间片轮转法进行调度。对硬实时系统而言，需要使用的算法 就应该是调度方式简单，反应速度快的实时调度算法了。尽管调度算法多种多样， 但大多由单一比率调度算法(RMS)和最早期限优先算法(EDF )变化而来。前者主 要用于静态周期任务的调度，后者主要用于动态调度，在不同的系统状态下两种 算法各有优劣。在商业产品中采用的实际策略常常是各种因素的折中。3）任务优先级分配 每个任务都有其优先级。任务越重要，赋予的优先级应越高。应用程序执行 过程中诸任务优先级不变，则称之为静态优先级。在静态优先级系统中，诸任务 以及它们的时间约束在程序编译时是已知的。反之，应用程序执行过程中，