RTOS系統(tǒng)

一、時間約束性

實時系統(tǒng)的任務(wù)具有一定的時間約束(截止時間)。根據(jù)截止時間，實時系統(tǒng)的實時性分為"硬實時"和"軟實時"。硬實時是指應(yīng)用的時間需求能夠得到完全滿足，否則就造成重大安全事故，甚至造成重大的生命財產(chǎn)損失和生態(tài)破壞，如在航空航天、軍事、核工業(yè)等一些關(guān)鍵領(lǐng)域中的應(yīng)用。軟實時是指某些應(yīng)用雖然提出時間需求，但實時任務(wù)偶爾違反這種需求對系統(tǒng)運行及環(huán)境不會造成嚴重影響，如監(jiān)控系統(tǒng)等和信息采集系統(tǒng)等。

二、可預(yù)測性

可預(yù)測性是指系統(tǒng)能夠?qū)崟r任務(wù)的執(zhí)行時間進行判斷，確定是否能夠滿足任務(wù)的時限要求。由于實時系統(tǒng)對時間約束要求的嚴格性，使可預(yù)測性稱為實時系統(tǒng)的一項重要性能要求。除了要求硬件延遲的可預(yù)測性以外，還要求軟件系統(tǒng)的可預(yù)測性，包括應(yīng)用程序的響應(yīng)時間是可預(yù)測的，即在有限的時間內(nèi)完成必須的工作;以及操作系統(tǒng)的可預(yù)測性，即實時原語、調(diào)度函數(shù)等運行開銷應(yīng)是有界的，以保證應(yīng)用程序執(zhí)行時間的有界性。

三、可靠性

大多數(shù)實時系統(tǒng)要求有較高的可靠性。在一些重要的實時應(yīng)用中，任何不可靠因素和計算機的一個微小故障，或某些特定強實時任務(wù)(又叫關(guān)鍵任務(wù))超過時限，都可能引起難以預(yù)測的嚴重后果。為此，系統(tǒng)需要采用靜態(tài)分析和保留資源的方法及冗余配置，使系統(tǒng)在最壞情況下都能正常工作或避免損失。可靠性已成為衡量實時系統(tǒng)性能不可缺少的重要指標(biāo)。

四、與外部環(huán)境的交互作用性

實時系統(tǒng)通常運行在一定的環(huán)境下，外部環(huán)境是實時系統(tǒng)不可缺少的一個組成部分。計算機子系統(tǒng)一般是控制系統(tǒng)，它必須在規(guī)定的時間內(nèi)對外部請求做出反應(yīng)。外部物理環(huán)境往往是被控子系統(tǒng)，兩者互相作用構(gòu)成完整的實時系統(tǒng)。大多數(shù)控制子系統(tǒng)必須連續(xù)運轉(zhuǎn)以保證子系統(tǒng)的正常工作或準(zhǔn)備對任何異常行為采取行動。

早期的實時系統(tǒng)功能簡單，包括單板機、單片機，以及簡單的嵌入式實時系統(tǒng)等，其調(diào)度過程相對簡單。隨著實時系統(tǒng)應(yīng)用范圍的不斷擴大，系統(tǒng)復(fù)雜性不斷提高，實時系統(tǒng)具有以下新特點。

1、多任務(wù)類型

在實時系統(tǒng)中，不但包括周期任務(wù)、偶發(fā)任務(wù)、非周期任務(wù)，還包括非實時任務(wù)。實時任務(wù)要求要滿足時限，而非實時任務(wù)要求要使其響應(yīng)時間盡可能的短。多種類型任務(wù)的混合，使系統(tǒng)的可調(diào)度性分析更加困難。

2、約束的復(fù)雜性

任務(wù)的約束包括時間約束、資源約束、執(zhí)行順序約束和性能約束。時間約束是任何實時系統(tǒng)都固有的約束。資源約束是指多個實時任務(wù)共享有限的資源時，必須按照一定的資源訪問控制協(xié)議進行同步，以避免死鎖和高優(yōu)先級任務(wù)被低優(yōu)先級任務(wù)堵塞的時間(即優(yōu)先級倒置時間)不可預(yù)測。執(zhí)行順序約束是指各任務(wù)的啟動和執(zhí)行必須滿足一定的時間和順序約束。例如，在分布式端到端(end-to-end)實時系統(tǒng)很重，同一任務(wù)的各子任務(wù)之間存在前驅(qū)/后驅(qū)約束關(guān)系，需要執(zhí)行同步協(xié)議來管理子任務(wù)的啟動和控制子任務(wù)的執(zhí)行，使它們滿足時間約束和系統(tǒng)可調(diào)度要求。性能約束是指必須滿足如可靠性、可用性、可預(yù)測性、服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)等性能指標(biāo)。

3、具有短暫超載的特點

在實時系統(tǒng)中，即使一個功能設(shè)計合理、資源充足的系統(tǒng)也可能由于一下原因超載:

1)系統(tǒng)元件出現(xiàn)老化，外圍設(shè)備錯誤或系統(tǒng)發(fā)生故障。隨著系統(tǒng)運行時間的增長，系統(tǒng)元件出現(xiàn)老化，系統(tǒng)部件可能發(fā)生故障，導(dǎo)致系統(tǒng)可用資源降低，不能滿足實時任務(wù)的時間約束要求。

2)環(huán)境的動態(tài)變化。由于不能對未來的環(huán)境、系統(tǒng)狀態(tài)進行正確有效地預(yù)測，因此不能從整體角度上對任務(wù)進行調(diào)度，可能導(dǎo)致系統(tǒng)超載。

3)應(yīng)用規(guī)模的擴大。原先滿足實時任務(wù)時限要求的系統(tǒng)，隨著應(yīng)用規(guī)模的增大，可能出現(xiàn)不能滿足任務(wù)時限要求的情況，而重新設(shè)計、重建系統(tǒng)在時間和經(jīng)濟上又不允許。

單片機處理器能力的提高和應(yīng)用程序功能的復(fù)雜化、精確化，迫使應(yīng)用程序劃分為多個重要性不同的任務(wù)，在各任務(wù)間優(yōu)化地分配CPU時間和系統(tǒng)資源，同時還要保證實時性?？坑脩糇约壕帉懸粋€實現(xiàn)上述功能的內(nèi)核一般是不現(xiàn)實的，而這種需求又是普遍的。在這種形勢之下，由專業(yè)人員編寫的、滿足大多數(shù)用戶需要的高性能RTOS內(nèi)核就是一種必然結(jié)果了。

對程序?qū)崟r性和可靠性要求的提高也是RTOS發(fā)展的一個原因。此外，單片機系統(tǒng)軟件開發(fā)日趨工程化，產(chǎn)品進入市場時間不斷縮短，也迫使管理人員尋找一種有利于程序繼承性、標(biāo)準(zhǔn)化、多人并行開發(fā)的管理方式。從長遠的意義上來講，RTOS的推廣能夠帶來嵌入式軟件工業(yè)更有效、更專業(yè)化的分工，減少社會重復(fù)勞動、提高勞動生產(chǎn)率。

?1.RTOS是一 個內(nèi)核

典型的單片機程序在程序指針復(fù)位后，首先進行堆棧、中斷、中斷向量、定時器、串行口等接口設(shè)置、初始化數(shù)據(jù)存儲區(qū)和顯示內(nèi)容，然后就來到了一個監(jiān)測、等待或空循環(huán)，在這個循環(huán)中，CPU可以監(jiān)視外設(shè)、響應(yīng)中斷或用戶輸入。

這段主程序可以看作是一個內(nèi)核，內(nèi)核負責(zé)系統(tǒng)的初始化和開放、調(diào)度其它任務(wù)，相當(dāng)于C語言中的主函數(shù)。

RTOS就是這樣的一個標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核，包括了各種片上外設(shè)初始化和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的格式化，不必、也不推薦用戶再對硬件設(shè)備和資源進行直接操作，所有的硬件設(shè)置和資源訪問都要通過RTOS核心。硬件這樣屏蔽起來以后，用戶不必清楚硬件系統(tǒng)的每一個細節(jié)就可以進行開發(fā)，這樣就減少了開發(fā)前的學(xué)習(xí)量。

一般來說，對硬件的直接訪問越少，系統(tǒng)的可靠性越高。RTOS是一個經(jīng)過測試的內(nèi)核，與一般用戶自行編寫的主程序內(nèi)核相比，更規(guī)范，效率和可靠性更高。對于一個精通單片機硬件系統(tǒng)和編程的"老手"而言，通過RTOS對系統(tǒng)進行管理可能不如直接訪問更直觀、自由度大，但是通過RTOS管理能夠排除人為疏忽因素，提高軟件可靠性。

另外，高效率地進行多任務(wù)支持是RTOS設(shè)計從始至終的一條主線，采用RTOS管理系統(tǒng)可以統(tǒng)一協(xié)調(diào)各個任務(wù)，優(yōu)化CPU時間和系統(tǒng)資源的分配，使之不空閑、不擁塞。針對某種具體應(yīng)用，精細推敲的應(yīng)用程序不采用RTOS可能比采用RTOS能達到更高的效率;但是對于大多數(shù)一般用戶和新手而言，采用RTOS是可以提高資源利用率的，尤其是在片上資源不斷增長、產(chǎn)品可靠性和進入市場時間更重要的今天。

2.RTOS是一個平臺

RTOS建立在單片機硬件系統(tǒng)之上，用戶的一切開發(fā)工作都進行于其上，因此它可以稱作是一個平臺。采用RTOS的用戶不必花大量時間學(xué)習(xí)硬件，和直接開發(fā)相比起點更高。

RTOS還是一個標(biāo)準(zhǔn)化的平臺，它定義了每個應(yīng)用任務(wù)和內(nèi)核的接口，也促進了應(yīng)用程序的標(biāo)準(zhǔn)化。應(yīng)用程序標(biāo)準(zhǔn)化后便于軟件的存檔、交流、修改和擴展，為嵌入式軟件開發(fā)的工程化創(chuàng)造了條件、減少開發(fā)管理工作量。嵌入式軟件標(biāo)準(zhǔn)化推廣到社會后，可以促進軟件開發(fā)的分工，減少重復(fù)勞動，近來出現(xiàn)的建立于RTOS上的文件和通信協(xié)議庫函數(shù)產(chǎn)品等就是實例。

RTOS對于開發(fā)單位和開發(fā)者個人來說也是一種提高。引入RTOS的開發(fā)單位，相當(dāng)于引入了一套行業(yè)中廣泛采用的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，使開發(fā)管理更簡易、有效?；赗TOS和C語言的開發(fā)，具有良好的可繼承性，在應(yīng)用程序、處理器升級以及更換處理器類型時，現(xiàn)存的軟件大部分可以不經(jīng)修改地移植過來。

對于開發(fā)人員來說，則相當(dāng)于在程序設(shè)計中采用一種標(biāo)準(zhǔn)化的思維方式，提高知識創(chuàng)造的效率;同時因為具有類似的思路，可以更快地理解同行其它人員的創(chuàng)造成果

為了精確管理"時間"資源，已達到實時性和與預(yù)測性要求，并能夠滿足是實時系統(tǒng)的新要求，需用實時調(diào)度理論對任務(wù)進行調(diào)度和可調(diào)度性分析。任務(wù)調(diào)度技術(shù)包括調(diào)度策略和可調(diào)度性分析方法，兩者是緊密結(jié)合的。任務(wù)調(diào)度技術(shù)研究的范圍包括任務(wù)使用系統(tǒng)資源(包括處理機、內(nèi)存、I/O、網(wǎng)絡(luò)等資源)的策略和機制，以及提供判斷系統(tǒng)性能是否可預(yù)測的方法和手段。例如，什么時候調(diào)度任務(wù)運行、在哪運行(當(dāng)系統(tǒng)為多處理機系統(tǒng)或分布式系統(tǒng)時)、運行多長時間等等;以及判斷分析用一定參數(shù)描述的實時任務(wù)能否被系統(tǒng)正確調(diào)度。

給定一組實時任務(wù)和系統(tǒng)資源，確定每個任務(wù)何時何地執(zhí)行的整個過程就是調(diào)度。在非實時系統(tǒng)中，調(diào)度的主要目的是縮短系統(tǒng)平均響應(yīng)時間，提高系統(tǒng)資源利用率，或優(yōu)化某一項指標(biāo);而實時系統(tǒng)中調(diào)度的目的則是要盡可能地保證每個任務(wù)滿足他們的時間約束，及時對外部請求做出響應(yīng)。實時調(diào)度技術(shù)通常有多種劃分方法，常用以下兩種。

搶占式調(diào)度和非搶占式調(diào)度

1)搶占式調(diào)度通常是優(yōu)先級驅(qū)動的調(diào)度。每個任務(wù)都有優(yōu)先級，任何時候具有最高優(yōu)先級且已啟動的任務(wù)先執(zhí)行。一個正在執(zhí)行的任務(wù)放棄處理器的條件為:自愿放棄處理器(等待資源或執(zhí)行完畢);有高優(yōu)先級任務(wù)啟動，該高優(yōu)先級任務(wù)將搶占其執(zhí)行。除了共享資源的臨界段之外，高優(yōu)先級任務(wù)一旦準(zhǔn)備就緒，可在任何時候搶占低優(yōu)先級任務(wù)的執(zhí)行。搶占式調(diào)度的優(yōu)點是實時性好、反應(yīng)快，調(diào)度算法相對簡單，可優(yōu)先保證高優(yōu)先級任務(wù)的時間約束，其缺點是上下文切換多。而非搶占式調(diào)度是指不允許任務(wù)在執(zhí)行期間被中斷，任務(wù)一旦占用處理器就必須執(zhí)行完畢或自愿放棄。其優(yōu)點是上下文切換少;缺點是在一般情況下，處理器有效資源利用率低，可調(diào)度性不好。

靜態(tài)表驅(qū)動策略和優(yōu)先級驅(qū)動策略

2)靜態(tài)表驅(qū)動策略(Static Table-Driven Scheduling)是一中離線調(diào)度策略，指在系統(tǒng)運行前根據(jù)各任務(wù)的時間約束及關(guān)聯(lián)關(guān)系，采用某種 搜索策略生成一張運行時刻表。這張運行時刻表與列車運行時刻表類似，指明了各任務(wù)的起始運行時刻及運行時間。運行時刻表一旦生成就不再發(fā)生變化了。在系統(tǒng)運行時，調(diào)度器只需根據(jù)這張時刻表啟動相應(yīng)的任務(wù)即可。由于所有調(diào)度策略在離線情況下指定，因此調(diào)度器的功能被弱化，只具有分派器(Dispatcher)的功能。

優(yōu)先級驅(qū)動策略指按照任務(wù)優(yōu)先級的高低確定任務(wù)的高低確定任務(wù)的執(zhí)行順序。優(yōu)先級驅(qū)動策略又分為靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度策略。靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度是指任務(wù)的優(yōu)先級分配好之后，在任務(wù)的運行過程中，優(yōu)先級不會發(fā)生改變。靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度又稱為固態(tài)優(yōu)先級調(diào)度。動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度是指任務(wù)的優(yōu)先級可以隨著時間或系統(tǒng)狀態(tài)的變化而發(fā)生變化。

系統(tǒng)軟件層由實時多任務(wù)操作系統(tǒng)(Real-time Operation System，RTOS)、文件系統(tǒng)、圖形用戶接口(Graphic User Interface，GUI)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及通用組件模塊組成。RTOS是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺。

嵌入式操作系統(tǒng)(Embedded Operation System，EOS)是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件，過去它主要應(yīng)用于工業(yè)控制和國防系統(tǒng)領(lǐng)域。EOS負責(zé)嵌入系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、任務(wù)調(diào)度，控制、協(xié)調(diào)并發(fā)活動。它必須體現(xiàn)其所在系統(tǒng)的特征，能夠通過裝卸某些模塊來達到系統(tǒng)所要求的功能。已推出一些應(yīng)用比較成功的EOS產(chǎn)品系列。隨著Internet技術(shù)的發(fā)展、信息家電的普及應(yīng)用及EOS的微型化和專業(yè)化，EOS開始從單一的弱功能向高專業(yè)化的強功能方向發(fā)展。嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實時高效性、硬件的相關(guān)依賴性、軟件固化以及應(yīng)用的專用性等方面具有較為突出的特點。EOS是相對于一般操作系統(tǒng)而言的，它除具有了一般操作系統(tǒng)最基本的功能，還有以下功能:如任務(wù)調(diào)度、同步機制、中斷處理、文件處理等。

通用操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)通常具有以下功能:

提供用戶對文件操作的命令。

提供用戶共享文件的機制。

管理文件的存儲介質(zhì)。

提供文件的存取控制機制，保障文件及文件系統(tǒng)的安全性。

提供文件及文件系統(tǒng)的備份和恢復(fù)功能。

提供對文件的加密和解密功能。

嵌入式文件系統(tǒng)比較簡單，主要提供文件存儲、檢索和更新等功能，一般不提供保護和加密等安全機制。它以系統(tǒng)調(diào)用和命令方式提供文件的各種操作，主要有:

設(shè)置、修改對文件和目錄的存取權(quán)限。

提供建立、修改、改變和刪除目錄等服務(wù)。

提供創(chuàng)建、打開、讀寫、關(guān)閉和撤銷文件等服務(wù)。

文件系統(tǒng)的特點:

1)兼容性。嵌入式文件系統(tǒng)通常支持幾種標(biāo)準(zhǔn)的文件系統(tǒng)，如FAT32、JFFS2、YAFFS等。

2)實時文件系統(tǒng)。除支持標(biāo)準(zhǔn)的文件系統(tǒng)外，為提高實時性，有些嵌入式文件系統(tǒng)還支持自定義的實時文件系統(tǒng)，這些文件系統(tǒng)一般采用連續(xù)的方式存儲文件。

3)可裁剪、可配置。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的要求選擇所需的文件系統(tǒng)，選擇所需的存儲介質(zhì)，配置可同時打開的最大文件數(shù)等。

4)支持多種存儲設(shè)備。嵌入式系統(tǒng)的外存形式多樣了，嵌入式文件系統(tǒng)需方便的掛接不同存儲設(shè)備的驅(qū)動程序，具有靈活的設(shè)備管理能力。同時根據(jù)不同外部存儲器的特點，嵌入式文件系統(tǒng)還需要考慮其性能、壽命等因素，發(fā)揮不同外存的優(yōu)勢，提高存儲設(shè)備的可靠性和使用性。

GUI的廣泛應(yīng)用是當(dāng)今計算機發(fā)展的重大成就之一，他極大地方便了非專業(yè)用戶的使用人們從此不再需要死記硬背大量的命令，取而代之的是可用用通過窗口、菜單、按鍵等方式來方便地進行操作。而嵌入式GUI具有下面幾個方面的基本要求:輕型、占用資源少、高性能、高可靠性、便于移植、可配置等特點。

嵌入式系統(tǒng)中的圖形界面，一般采用下面的幾種方法實現(xiàn):

針對特定的圖形設(shè)備輸出接口，自行開發(fā)相關(guān)的功能函數(shù)。

購買針對特定嵌入式系統(tǒng)的圖形中間軟件包。

采用源碼開放的嵌入式GUI系統(tǒng)。

使用獨立軟件開發(fā)商提供的嵌入式GUI產(chǎn)品。

應(yīng)用軟件層是由基于實時系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用程序組成，用來實現(xiàn)對被控對象的控制功能。功能層是要面對被控對象和用戶，為方便用戶操作，往往需要提供一個友好的人機界面。

對于一些復(fù)雜的系統(tǒng)，在系統(tǒng)設(shè)計的初期階段就要對系統(tǒng)的需求進行分析，確定系統(tǒng)的功能，然后將系統(tǒng)的功能映射到整個系統(tǒng)的硬件、軟件和執(zhí)行裝置的設(shè)計過程中，稱為系統(tǒng)的功能實現(xiàn)。