选择实时操作系统(RTOS)你得知道的那些事儿

一些系统具有带不同特性的多种定时器来满足不同的要求。一些定时器可被同步用以为电机控制应用提供同时的脉宽调制(PWM)流。对RTOS来说，一个定时器通常可用以实现时钟和提供时间切片支持。

定时器也支持时间切片。时间切片常见于时间共享系统，它给每种应用一个合理的时间片断来执行。可在任一中断层级上实现这种轮询调度。

通常，由时钟提供的时间切片是固定时长的，每个任务在获得优先权前将被给予同样长度的时间切片来执行。当然，该策略是随机的且可有多种实现。例如，可变的时间切片宽度将允许时间以每个任务为单位进行分配，其中一些任务获得的时间会比另一些长;而若采用任务优先级方法，则有可能使低优先级任务得不到响应。

许多RTOS采用固定调度器。其它RTOS则允许替换或定制，但RTOS中的另一部分支持各种策略。这一灵活方法使得像Linux这样的操作系统能够提供实时支持，与此同时，它们还能在时间切片环境下运行多种应用。实时任务具有高优先级，且在一般用户任务前得到执行。

Linux实际上具有一个更复杂的调度系统，它对任务是通过轮询方法把控制权转交给具有相同优先级的其它任务还是一直运行到结束做出了具体约定。像Open Kernel Labs的OKL4虚拟化RTOS平台解决了该问题。

基本通信

一些文献把任务同步和通信分开来说，但总的来说，它们是一回事。实际上就是讲信息是如何交换的。基于消息传递的RTOS最清楚地体现出这点。这里，消息系统处理所有通信且不区分通信和同步。

至少，RTOS必须提供一个相互排斥的本原，如互斥。其它东西可构建在该本原上。在许多场合，如消息传递系统，对相互排斥的支持隐藏在操作系统内。只有更高级别的消息功能显露于外。

消息系统有各种名称，从管道到队列。其实现可横跨从单处理器、单存储器模式到多内核群集系统。Enea的OSE RTOS和QNX的Neutrino是基于消息传递的两个主线RTOS。

不管选择了什么方法或API，通信系统必须在某一程度上被整合进操作系统。因此，若主动队列中的任务必须等待一个事件，则该任务可被移走。类似，引发一个事件从而导致另一个任务活动的任务将产生一个调度行为。

通信、事件和调度可与硬件关联起来，这是RTOS必须处理的其它一些事。TI的DSP/BIOS是一款RTOS，它设计用于运行在像TI的DaVinci双核系统的DSP上。DSP/BIOS的一个主要功能是处理 ARM 核和DSP 核间的通信。

向更多大内核的发展将很可能会保留RTOS或OS。不过，小内核阻止或限制了采用RTOS的可能性。Intellasys的SEAforth 40C18芯片带有40个运行Forth的小型18位内核。指令很精简，每个字包含四条指令。

每个内核有64个字的 ROM和RAM，该芯片只能容纳10,000指令。当然，这只够装下一个程序，安装RTOS是不可能的。不过，整个芯片上有足够空间安装一个操作环境的特定部分。同样，适于该平台的应用常常是特定的。于是，由于硬件可处理内核之间通信和任务调度，因此RTOS类的支持并不需要。

资源管理

使RTOS脱颖而出的是其管理资源(包括时间和存储器)的能力。时序问题与中断响应时间有关，但资源管理时序问题也会出现。虽然中断解决了一系列时序问题，但各应用仍必须利用资源。

考虑存储器分配情况。许多实时应用不采用动态存储器分配，以确保存储器分配和回收时所产生的不同不会变成一个问题。需要动态存储器分配的应用常把存储器划分为实时和非实时。后者处理动态存储器分配。典型情况下，在使用前，实时部分必须被分配有足够的存储器。

在实时嵌入式应用中采用C和C++是因为存储器和其它资源的用法是显式的。实时任务需要避免采用C和C++。特别是，当存储器分配和回收更容易隐藏时采用C++是很困难的。

像Java和C#这样的语言带来的挑战更大，它们与生俱来地采用动态存储器分配。程序员可控制存储器分配和回收。在某些情况下，编程环境可以强化存储器分配和回收。

Java实时规范(RTSJ)定义了创建不需要垃圾回收的Java应用的方法。RTSJ是在Java框架内这样做的，从而使程序员在不被存储器分配限制的条件下享有Java的好处。

Sun和DDC-I都实现了RTSJ。DDC-I的实现支持x86和PowerPC平台。Aonix有一个称为PERC的类似平台。这些平台以实时、同时的垃圾回收为特征，从而使在不受存储器分配限制的情况下，在Java内编写实时应用成为可能。

但因系统必须允许线程为垃圾回收器进行转换，所以实时要求并非那么紧迫。另一方面，垃圾回收器将耗费时序资源，所以，只有实时任务方可保证满足一定的期限要求。快是好事，但及时才是RTOS的天条。

考察实时平台时，考虑之一是存储器分配对系统的整体影响。许多系统可工作在从不改变的静态分配环境，但更多的动态系统可从实时垃圾回收中获益。研究表明，垃圾回收的效益与确定的存储器分配是可比的。

围绕诸如Java和C#等虚拟机类型平台的另一个问题是对just-in-time(JIT)编译器的使用限制。基于这些系统的实时系统必须采用类似C和C++等所用的提前(ahead-of time，AOT)编译器。

设计师会因其更高的生产力、更低的出错率以及安全性等特点选用Java 或C#。所以，对制定一个称为 JSR-302的用于对安全有至高要求应用的Java规范就不足为奇了。

保护RTOS

RTOS受到其运行的硬件平台的限制。可对缺少存储器保护的硬件加以保护，但安全级别会受到限制。但存储器和虚拟机可以更高水平的安全性支持引导。诸如SE Linux、Green Hills Integrity和 LynuxWorks LynxSecure Embedded Hypervisor以及 LynxOS-SE RTOS内的安全策略可比典型RTOS提供可靠得多的保护。但成本也高，所以开发者需对此进行权衡。

实时系统开发者不得不应对策略实现和边界问题。取决于信息的来所去处，安全支持会花很长时间。正是为此引入了分区系统，所以，可在边界采取安全措施且把应用的非实时部分放在这部分空间内。

可感知OS的调试器

当考虑选用操作系统时，对调试器的支持是个关键。这种支持体现在两个方面：内核和设备驱动器调试以及操作系统感知。

内核调试对设备驱动器的创建和支持以及内核强化很重要。在许多情况，为处理RTOS的内核，需要专用调试器。它也要求能理解内核环境以及应用环境。

OS感知可更深入地了解操作系统。支持方式可以是从提供有关OS服务状态的信息到调整任务调度等方方面面。同样，能感知OS的调试器可在停止其它应用或线程的同时允许其它应用或线程的运行。