大部分嵌入式項(xiàng)目還需要實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)嗎?這個(gè)問題問得好，因?yàn)楝F(xiàn)代高性能處理器和 Linux、Windows 和其他通用操作系統(tǒng) (GPOS) 的實(shí)時(shí)補(bǔ)丁的可用性都在飛速發(fā)展。嵌入式設(shè)備的本質(zhì)道出了答案。在許多情況下，制造設(shè)備都需要幾千甚至幾百萬個(gè)部件。哪怕設(shè)備硬件的單位成本節(jié)省 1 美元，都會(huì)為制造商帶來不小的財(cái)富。換言之，設(shè)備無法承受數(shù)千兆赫茲級(jí)處理器的成本(更不用說熱耗散了)。例如，在汽車遠(yuǎn)程信息處理技術(shù)市場(chǎng)，常見的 32 位處理器以約 600 Mhz 的速度運(yùn)行——遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于臺(tái)式機(jī)和服務(wù)器的常用處理器。在這種運(yùn)行環(huán)境中，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能得到低端硬件超快、可預(yù)測(cè)的響應(yīng)，因此具有顯著的節(jié)約成本的優(yōu)勢(shì)。

除節(jié)約成本之外，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提供的服務(wù)還能使許多計(jì)算問題迎刃而解，特別是當(dāng)多種運(yùn)行爭(zhēng)奪系統(tǒng)資源時(shí)。例如，試想一個(gè)用戶期望(或需要)立即響應(yīng)輸入的系統(tǒng)。利用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，軟件開發(fā)人員能確保用戶啟動(dòng)的操作會(huì)先于其他系統(tǒng)活動(dòng)執(zhí)行，除非必須先執(zhí)行更重要的任務(wù)(如幫助保護(hù)用戶安全的運(yùn)行)。

再試想一個(gè)必須滿足服務(wù)質(zhì)量 (QoS) 要求的系統(tǒng)，例如一臺(tái)可播放現(xiàn)場(chǎng)視頻的設(shè)備。如果設(shè)備依靠軟件播放其內(nèi)容，它可能會(huì)以用戶無法接受的速率出現(xiàn)失幀現(xiàn)象——從用戶的角度看，該設(shè)備不可靠。但使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的話，軟件開發(fā)人員就能精確控制軟件進(jìn)程的執(zhí)行順序，確保以適當(dāng)和一致的媒體速率播放。

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)并不“公平”

對(duì)“硬”實(shí)時(shí)的需求(以及對(duì)實(shí)現(xiàn)該功能的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的需求)仍然是嵌入式產(chǎn)品業(yè)的普遍要求。問題是，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具備哪些通用操作系統(tǒng)所不具備的功能呢?適用于一些通用操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)擴(kuò)展組件有多大用處呢?它們能提供和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)一樣的性能嗎?

讓我們先從任務(wù)調(diào)度開始。在通用操作系統(tǒng)中，調(diào)度程序通常使用一種“公平”策略，將線程和進(jìn)程分配到 CPU 中。這種策略可確保臺(tái)式機(jī)和服務(wù)器的應(yīng)用程序所需的較高的總吞吐量，但無法保證優(yōu)先級(jí)高、時(shí)間要求嚴(yán)格的線程先于優(yōu)先級(jí)低的線程執(zhí)行。

例如，通用操作系統(tǒng)可能會(huì)降低分配給優(yōu)先級(jí)高的線程的優(yōu)先級(jí)，或按照有利于系統(tǒng)內(nèi)其他線程的公平原則，以動(dòng)態(tài)方式調(diào)整優(yōu)先級(jí)。因此，優(yōu)先級(jí)高的線程就可能被優(yōu)先級(jí)低的線程搶占。此外，大多數(shù)通用操作系統(tǒng)都具有無限期的分配潛伏期：系統(tǒng)內(nèi)的線程越多，通用操作系統(tǒng)調(diào)度線程執(zhí)行所需的時(shí)間就越久。其中任何一種因素都能導(dǎo)致優(yōu)先級(jí)高的線程錯(cuò)過最后期限，即使在速度很快的 CPU 上。

另一方面，在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，線程會(huì)按其優(yōu)先級(jí)的順序執(zhí)行。如果優(yōu)先級(jí)高的線程準(zhǔn)備運(yùn)行，它能在很短且有限的時(shí)間間隔內(nèi)，從正在執(zhí)行的優(yōu)先級(jí)低的線程那里接管 CPU。此外，優(yōu)先級(jí)高的線程還能不間斷地運(yùn)行直到完成任務(wù)為止——當(dāng)然，除非它被優(yōu)先級(jí)更高的線程搶占。這種眾所周知的基于優(yōu)先級(jí)的搶占式調(diào)度，可確保優(yōu)先級(jí)高的線程始終如一地滿足最后期限的要求，即使在其他線程爭(zhēng)奪 CPU 時(shí)間時(shí)。

搶占式內(nèi)核

大多數(shù)通用操作系統(tǒng)的操作系統(tǒng)內(nèi)核都不是搶占式的。因此，優(yōu)先級(jí)高的用戶線程無法搶占內(nèi)核調(diào)用，相反，它必須等待整個(gè)調(diào)用全部結(jié)束——即使是系統(tǒng)內(nèi)優(yōu)先級(jí)低的進(jìn)程進(jìn)行調(diào)用。此外，當(dāng)驅(qū)動(dòng)程序或其他系統(tǒng)服務(wù)(通常在內(nèi)核調(diào)用中運(yùn)行)以客戶端線程的名義執(zhí)行時(shí)，操作系統(tǒng)通常會(huì)丟失所有優(yōu)先級(jí)信息。這種系統(tǒng)行為會(huì)導(dǎo)致無法預(yù)料的延遲，而且會(huì)妨礙關(guān)鍵運(yùn)行按時(shí)完成。

另一方面，在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，內(nèi)核運(yùn)行是可搶占的。雖然仍有一些時(shí)間窗無法搶占，但在設(shè)計(jì)精密的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，這些間隔非常短暫，通常大約僅幾百納秒。另外，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)會(huì)針對(duì)搶占推遲和中斷禁止的時(shí)限設(shè)置上限;這能保證軟件開發(fā)人員確定情況最糟的延遲期。

為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核必須盡可能簡(jiǎn)單、精致。實(shí)現(xiàn)這種簡(jiǎn)單性的最佳途徑是設(shè)計(jì)一種只包含短執(zhí)行路徑服務(wù)的內(nèi)核。通過排除內(nèi)核中任務(wù)集中的運(yùn)行(如進(jìn)程加載)并將其分配到外部進(jìn)程或線程，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員就能保證通過內(nèi)核的最長(zhǎng)的非搶占代碼路徑有上限。

在一些通用操作系統(tǒng)，內(nèi)核增加了某種程度的可搶占性。但無法搶占的時(shí)間間隔仍然比常見實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的長(zhǎng)得多;這種搶占間隔的長(zhǎng)度取決于通用操作系統(tǒng)內(nèi)核中包含的最長(zhǎng)的關(guān)鍵模塊部分(如網(wǎng)絡(luò))。另外，搶占式通用操作系統(tǒng)內(nèi)核不能解決可能的無限期延遲情形，例如因?yàn)榭蛻舳苏{(diào)用驅(qū)動(dòng)程序或其他系統(tǒng)服務(wù)時(shí)丟失優(yōu)先級(jí)信息。

避免優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的機(jī)制

即使在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，優(yōu)先級(jí)低的線程也能在無意中阻止優(yōu)先級(jí)高的線程訪問 CPU——這種情況被稱為優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)。當(dāng)出現(xiàn)無限期的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)時(shí)，可能會(huì)錯(cuò)過關(guān)鍵的最后期限，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行異常和全面故障的結(jié)果。遺憾的是，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中人們往往會(huì)忽視優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)。有很多優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的實(shí)例，包括 1997 年 7 月火星探路者項(xiàng)目遭受困擾的實(shí)例。1

一般來說，當(dāng)優(yōu)先級(jí)不同的兩個(gè)任務(wù)共享資源，而優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)無法從優(yōu)先級(jí)低的任務(wù)那里獲得資源時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)。為防止這種狀況超過有限的時(shí)間間隔，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可提供一種通用操作系統(tǒng)不具備的選擇機(jī)制，包括優(yōu)先級(jí)繼承和優(yōu)先級(jí)封頂模擬。我們不能單純地評(píng)價(jià)兩種機(jī)制的優(yōu)劣，所以我們著重介紹優(yōu)先級(jí)繼承的實(shí)例。

首先，我們必須考慮任務(wù)同步如何能造成阻塞，而阻塞反過來又如何導(dǎo)致優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)。我們假設(shè)有任務(wù) 1 和任務(wù) 2 兩個(gè)任務(wù)正在運(yùn)行，其中任務(wù) 1 具有較高的優(yōu)先級(jí)。如果任務(wù) 1 準(zhǔn)備執(zhí)行，但必須等待任務(wù) 2 完成運(yùn)行，就出現(xiàn)阻塞的狀況。同步化也會(huì)導(dǎo)致這種阻塞;例如，任務(wù) 1 和任務(wù) 2 共享由鎖或信號(hào)量控制的資源，任務(wù) 1 等待任務(wù) 2 對(duì)資源進(jìn)行解鎖。或者，當(dāng)任務(wù) 1 請(qǐng)求目前正由任務(wù) 2 使用的服務(wù)時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)阻塞狀況。

1 Michael Barr.“優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)簡(jiǎn)介”

阻塞允許任務(wù) 2 運(yùn)行，直到任務(wù) 1 等待的條件出現(xiàn)為止(例如，任務(wù) 2 對(duì)兩個(gè)任務(wù)共享的資源解鎖)。此時(shí)，任務(wù) 1 可以執(zhí)行。任務(wù) 1 須等待的總時(shí)間會(huì)隨最少時(shí)間、平均時(shí)間和最多時(shí)間變化。這種間隔就是阻塞因數(shù)。如果任務(wù) 1 必須滿足一定的時(shí)間限制，該因數(shù)就不能隨任何參數(shù)變化，如線程數(shù)或系統(tǒng)內(nèi)的輸入。換句話說，必須限制阻塞因數(shù)。

現(xiàn)在，我們引入第三個(gè)任務(wù)(任務(wù) 3)——其優(yōu)先級(jí)比任務(wù) 2 的高但比任務(wù) 1 的低(參見圖 1)。當(dāng)任務(wù) 2 正在運(yùn)行時(shí)，任務(wù) 3 準(zhǔn)備運(yùn)行，它會(huì)搶占任務(wù) 2，而任務(wù) 2 在任務(wù) 3 被阻塞或完成前都無法運(yùn)行。當(dāng)然，這樣會(huì)增加任務(wù) 1 的阻塞因數(shù);也就是說，它會(huì)進(jìn)一步延遲任務(wù) 1 的運(yùn)行。搶占導(dǎo)致的總延遲就是優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)。

實(shí)際上，可以有多個(gè)任務(wù)以這種方式搶占任務(wù) 2，從而導(dǎo)致連續(xù)阻塞的結(jié)果。在這種情況下，任務(wù) 2 可能被無限期地?fù)屨迹a(chǎn)生無限期的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)，導(dǎo)致任務(wù) 1 無法滿足其最后期限。

這時(shí)優(yōu)先級(jí)繼承就會(huì)發(fā)揮作用。如果我們回到上述假設(shè)中，在同步期內(nèi)使任務(wù) 2 以任務(wù) 1 的優(yōu)先級(jí)運(yùn)行，那么任務(wù) 3 就無法搶占任務(wù) 2，這樣就能避免優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的產(chǎn)生(參見圖 2)。　

圖 1——當(dāng)任務(wù) 3 搶占任務(wù) 2 時(shí)，任務(wù) 1 等待任務(wù) 2 完成運(yùn)行。這進(jìn)一步推遲了任務(wù) 1 的運(yùn)行。 4　

圖 2——任務(wù) 2 繼承了任務(wù) 1 的優(yōu)先級(jí)，因而阻止了任務(wù) 3 搶占任務(wù) 2。任務(wù) 3 不再推遲任務(wù) 1 的運(yùn)行。

提供有保證的 CPU 可用性的分區(qū)調(diào)度

保證資源的可用性對(duì)許多系統(tǒng)而言都至關(guān)重要。如果某個(gè)關(guān)鍵子系統(tǒng)(如 CPU 周期)丟失，用戶就無法獲取該子系統(tǒng)提供的服務(wù)。例如，在拒絕服務(wù) (DoS) 攻擊中，惡意用戶會(huì)利用需要優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程處理的請(qǐng)求攻擊系統(tǒng)。該進(jìn)程會(huì)使 CPU 過載并導(dǎo)致其他進(jìn)程的 CPU 周期匱乏，從而使用戶無法使用系統(tǒng)。

安全漏洞并非是導(dǎo)致進(jìn)程匱乏的唯一原因。在許多情況下，增加系統(tǒng)的軟件功能都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)“瀕臨危險(xiǎn)邊緣”，導(dǎo)致現(xiàn)有應(yīng)用程序的 CPU 時(shí)間匱乏。及時(shí)運(yùn)行的應(yīng)用程序或服務(wù)不再按預(yù)期或要求的那樣迅速響應(yīng)。從歷史角度，解決這一問題的唯一途徑是更新硬件或?qū)浖M(jìn)行重新編碼(或重新設(shè)計(jì))——這兩種方法都無法讓人滿意。

為解決這些問題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要一種可通過硬件或軟件執(zhí)行 CPU 預(yù)算的分區(qū)計(jì)劃，以阻止進(jìn)程或線程獨(dú)占其他進(jìn)程或線程所需的 CPU 周期。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)正是執(zhí)行 CPU 分區(qū)預(yù)算的最佳選擇，因?yàn)閷?shí)時(shí)操作系統(tǒng)已經(jīng)提供了對(duì) CPU、內(nèi)存和其他計(jì)算資源的集中訪問。

某些實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提供了固定分區(qū)調(diào)度算法。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能利用這種調(diào)度算法對(duì)任務(wù)進(jìn)行分組或分區(qū)，然后為每個(gè)分區(qū)分配一定比例的 CPU 時(shí)間。利用這種方法，任何既定分區(qū)內(nèi)的任務(wù)消耗的 CPU 時(shí)間都不會(huì)超過該分區(qū)靜態(tài)確定的比例。例如，我們假設(shè)為分區(qū)分配了 30% 的 CPU。如果該分區(qū)內(nèi)的進(jìn)程隨后成為拒絕服務(wù)攻擊的目標(biāo)，它會(huì)消耗不超過 30% 的 CPU 時(shí)間。這種分配限制確保了其他進(jìn)程保持各自的可用性;例如，它能保證可訪問的用戶界面(如遠(yuǎn)程終端)。因此，操作人員能訪問系統(tǒng)并解決問題——無需按動(dòng)復(fù)位開關(guān)。 5

但是，這種方法也存在問題。由于調(diào)度算法是固定的，因此一個(gè)分區(qū)無法使用分配到另一個(gè)分區(qū)的 CPU 周期，即使這些分區(qū)未使用其分配的周期。這種方法會(huì)浪費(fèi) CPU 周期并阻止系統(tǒng)處理高峰需求。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須使用更昂貴的處理器應(yīng)對(duì)運(yùn)行緩慢的系統(tǒng)，或限制系統(tǒng)能支持的功能數(shù)量。

自適應(yīng)分區(qū)

另一種被稱作自適應(yīng)分區(qū)的方法提供了更靈活的動(dòng)態(tài)調(diào)度算法，從而有效克服了這些缺陷。與靜態(tài)分區(qū)一樣，自適應(yīng)分區(qū)允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員為單獨(dú)進(jìn)程或一組進(jìn)程預(yù)留 CPU 周期。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能保證一個(gè)子系統(tǒng)或分區(qū)上的負(fù)載不會(huì)影響其他子系統(tǒng)的可用性。而且，與靜態(tài)分區(qū)不同的是，自適應(yīng)分區(qū)還能將空閑分區(qū)中的 CPU 周期以動(dòng)態(tài)方式重新分配到可受益于額外處理時(shí)間的分區(qū)——只有當(dāng) CPU 滿載時(shí)，分區(qū)預(yù)算才會(huì)執(zhí)行。因此，系統(tǒng)就能處理高峰需求并使利用率達(dá)到 100%，同時(shí)又能繼續(xù)享受資源保證帶來的收益。

同樣重要的是，自適應(yīng)分區(qū)還能直接應(yīng)用于先有系統(tǒng)，而無需重新設(shè)計(jì)代碼或修改代碼。例如，在 QNX Neutrino 中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員只需啟動(dòng)分區(qū)內(nèi)已有的基于 POSIX 應(yīng)用程序，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的調(diào)度程序就會(huì)確保每個(gè)分區(qū)都會(huì)收到分配的預(yù)算。在每個(gè)分區(qū)內(nèi)，會(huì)繼續(xù)根據(jù)基于優(yōu)先級(jí)的搶占式調(diào)度算法對(duì)每項(xiàng)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度——應(yīng)用程序不必更改其調(diào)度運(yùn)行。此外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還能以動(dòng)態(tài)方式重新配置分區(qū)，以精確調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最佳性能。

圖 3——自適應(yīng)分區(qū)可阻止優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)消耗超過其分配的規(guī)定比例的 CPU，除非系統(tǒng)包含未使用的 CPU 周期。例如，任務(wù) A 和任務(wù) D 可在分配至分區(qū) 3 的時(shí)間內(nèi)運(yùn)行，因?yàn)槿蝿?wù) E 和任務(wù) F 不需要剩余的 CPU 周期預(yù)算。 6

“組合”內(nèi)核

通用操作系統(tǒng)(包括 Linux、Windows 和各種類型的 Unix 系統(tǒng))通常都缺少我們目前介紹的實(shí)時(shí)機(jī)制。但供應(yīng)商已開發(fā)出許多實(shí)時(shí)擴(kuò)展組件和補(bǔ)丁，試圖填補(bǔ)這一空白。例如，有一種雙內(nèi)核方法，其中的通用操作系統(tǒng)能以任務(wù)的形式在專用實(shí)時(shí)內(nèi)核上運(yùn)行(參見圖 4)。任何需要確定性調(diào)度的任務(wù)都會(huì)在該內(nèi)核中運(yùn)行，但其優(yōu)先級(jí)要高于通用操作系統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)。因此，只要這些任務(wù)需要運(yùn)行，它們就能搶占 Linux，而且只有在其工作完成后，才會(huì)向 Linux 釋放 CPU。

遺憾的是，實(shí)時(shí)內(nèi)核中運(yùn)行的任務(wù)只能有限地利用通用操作系統(tǒng)中現(xiàn)有的系統(tǒng)服務(wù)，如文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等。

實(shí)際上，如果實(shí)時(shí)任務(wù)向通用操作系統(tǒng)請(qǐng)求任何服務(wù)，它都會(huì)面臨同樣的搶占問題，這會(huì)阻止通用操作系統(tǒng)以確定方式運(yùn)行。因此，必須針對(duì)實(shí)時(shí)內(nèi)核創(chuàng)建新的驅(qū)動(dòng)程序和系統(tǒng)服務(wù)，即使通用操作系統(tǒng)中已存在相同的服務(wù)。但是，多數(shù)通用操作系統(tǒng)為正常的非實(shí)時(shí)進(jìn)程提供的受內(nèi)存管理單元 (MMU) 保護(hù)的可靠環(huán)境卻無法惠及在實(shí)時(shí)內(nèi)核中運(yùn)行的任務(wù)。相反，它們會(huì)在無保護(hù)的內(nèi)核空間運(yùn)行。因此，任何含有公共編碼錯(cuò)誤(如損壞的 C 指針)的實(shí)時(shí)任務(wù)都會(huì)輕易導(dǎo)致內(nèi)核出現(xiàn)嚴(yán)重故障。這的確是一個(gè)問題，因?yàn)樾枰獙?shí)時(shí)功能的大部分系統(tǒng)同樣需要極高的可靠性。

雙內(nèi)核方法的不同實(shí)現(xiàn)使用不同的應(yīng)用程序接口 (API) 使問題進(jìn)一步復(fù)雜。在多數(shù)情況下，為通用操作系統(tǒng)編寫的服務(wù)無法輕易移植到實(shí)時(shí)內(nèi)核中，而且針對(duì)一個(gè)供應(yīng)商的實(shí)時(shí)擴(kuò)展組件編寫的任務(wù)未必能在另一個(gè)供應(yīng)商的實(shí)時(shí)擴(kuò)展組件上運(yùn)行。

圖 4——在常見的雙內(nèi)核實(shí)現(xiàn)中，通用操作系統(tǒng)會(huì)作為優(yōu)先級(jí)最低的任務(wù)在單獨(dú)的實(shí)時(shí)內(nèi)核中運(yùn)行。

這種解決方案指出了使通用操作系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)運(yùn)行的實(shí)際困難和復(fù)雜性。但這并非是關(guān)于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和通用操作系統(tǒng)孰優(yōu)孰劣的問題。通用操作系統(tǒng)(如 Linux、Windows 和各種 Unix 系統(tǒng))都能以臺(tái)式機(jī)或服務(wù)器操作系統(tǒng)的形式正常運(yùn)行。但是，當(dāng)進(jìn)入不符合其設(shè)計(jì)用途的確定運(yùn)行環(huán)境中(如車載遠(yuǎn)程信息處理裝置、醫(yī)療器械、實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)和連續(xù)媒體應(yīng)用)時(shí)，它們就會(huì)凸顯不足。 7

令調(diào)試和定制更輕松的源代碼

使用通用操作系統(tǒng)仍有一些好處，例如在 Linux 的開源模式下支持廣泛使用的應(yīng)用程序接口 (API)。利用開源模式，軟件開發(fā)人員能針對(duì)應(yīng)用程序的具體需求定制操作系統(tǒng)組件，從而能節(jié)約大量用于故障排解的時(shí)間。為保持這些優(yōu)勢(shì)，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的供應(yīng)商應(yīng)根據(jù)友好的商業(yè)授權(quán)許可條款，確保其源代碼易于訪問。

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的架構(gòu)也發(fā)揮了重要作用。例如，基于微內(nèi)核設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能從根本上簡(jiǎn)化操作系統(tǒng)的定制過程。在微內(nèi)核實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，只有少數(shù)核心基本對(duì)象(如信號(hào)、計(jì)時(shí)器、調(diào)度程序)才會(huì)存在于內(nèi)核中。所有其他組件(驅(qū)動(dòng)程序、文件系統(tǒng)、協(xié)議棧、應(yīng)用程序)都會(huì)以單獨(dú)的受內(nèi)存保護(hù)的進(jìn)程在內(nèi)核外部運(yùn)行;參見圖 5。因此，開發(fā)定制的驅(qū)動(dòng)程序和其他與應(yīng)用程序有關(guān)的操作系統(tǒng)擴(kuò)展組件無需專門的內(nèi)核調(diào)試程序或內(nèi)核專家。實(shí)際上，作為用戶空間程序，開發(fā)這種操作系統(tǒng)擴(kuò)展組件和開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序一樣容易，因?yàn)殚_發(fā)人員都能使用標(biāo)準(zhǔn)、源代碼級(jí)工具對(duì)它們進(jìn)行調(diào)試。

圖 5——在微內(nèi)核實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，系統(tǒng)服務(wù)作為標(biāo)準(zhǔn)的用戶空間進(jìn)程運(yùn)行，因而簡(jiǎn)化了操作系統(tǒng)的定制任務(wù)。

例如，如果設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序試圖訪問其進(jìn)程空間之外的內(nèi)存，操作系統(tǒng)就能識(shí)別相關(guān)進(jìn)程，指出故障位置并創(chuàng)建可使用源代碼級(jí)調(diào)試工具查看的進(jìn)程轉(zhuǎn)儲(chǔ)文件。轉(zhuǎn)儲(chǔ)文件可包括調(diào)試程序確定導(dǎo)致故障的源代碼行所需的所有信息以及診斷信息(如數(shù)據(jù)項(xiàng)的內(nèi)容和函數(shù)調(diào)用的歷史)。 8

這種架構(gòu)還提供了絕佳的故障隔離和恢復(fù)功能：如果驅(qū)動(dòng)程序、協(xié)議棧或其他系統(tǒng)服務(wù)出現(xiàn)故障，它可在不影響其他服務(wù)或損壞操作系統(tǒng)內(nèi)核的情況下完成這種操作。實(shí)際上，“軟件監(jiān)視程序”會(huì)持續(xù)監(jiān)測(cè)此類事件，并能以動(dòng)態(tài)方式重啟出現(xiàn)故障的服務(wù)，無需重啟整個(gè)系統(tǒng)或以任何方式干擾用戶。同樣，驅(qū)動(dòng)程序和其他服務(wù)都能以動(dòng)態(tài)方式停止、啟動(dòng)或升級(jí)，無需關(guān)閉系統(tǒng)。

絕不可小看這些優(yōu)勢(shì)——因?yàn)槠茐膶?shí)時(shí)性能的最大威脅就是不定期的系統(tǒng)重啟!甚至軟件更新中包含的以可控制的方式進(jìn)行的預(yù)定重啟都會(huì)干擾系統(tǒng)運(yùn)行。為保證一直滿足最后期限的要求，軟件開發(fā)人員必須使用即使在出現(xiàn)軟件故障或進(jìn)行服務(wù)升級(jí)時(shí)，也能保持連續(xù)可用的操作系統(tǒng)。

戰(zhàn)略決策

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能使復(fù)雜的應(yīng)用程序變得可預(yù)測(cè)而且可靠;實(shí)際上，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的精確時(shí)間控制，就是通用操作系統(tǒng)無法提供的可靠功能。(如果基于通用操作系統(tǒng)的系統(tǒng)由于計(jì)時(shí)錯(cuò)誤而無法正常運(yùn)行，我們可以合理認(rèn)為該系統(tǒng)不可靠。)選擇正確的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)本身仍然是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的底層架構(gòu)是重要標(biāo)準(zhǔn)，而其他因素也不例外。具體包括：

• 調(diào)度算法的靈活選擇——實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)支持調(diào)度算法選擇(先入先出 [FIFO] 調(diào)度、循環(huán)調(diào)度、偶發(fā)調(diào)度等)嗎?您能根據(jù)每個(gè)線程分配這些算法嗎?或者實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)要求您針對(duì)系統(tǒng)中的所有線程分配一種算法嗎?

• 時(shí)間分區(qū)——實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)支持能為進(jìn)程提供有保證的 CPU 周期預(yù)算的時(shí)間分區(qū)嗎?這種保證簡(jiǎn)化了對(duì)多個(gè)開發(fā)團(tuán)隊(duì)或供應(yīng)商的子系統(tǒng)進(jìn)行集成的工作。它們還能確保關(guān)鍵任務(wù)在系統(tǒng)遭到拒絕服務(wù) (DoS) 攻擊和其他惡意攻擊時(shí)，保持可用并滿足其最后期限的要求。

• 支持多核處理器——向多核處理器遷移的功能已成為各種高性能設(shè)計(jì)的基本要求。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是否支持多重處理模式(對(duì)稱多重處理、不對(duì)稱多重處理、混合多重處理)的選擇，并幫助您最大限度地利用多核硬件?允許您診斷和優(yōu)化多核系統(tǒng)性能的系統(tǒng)跟蹤工具支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)嗎?如果沒有能顯示資源競(jìng)爭(zhēng)、線程的過度遷移和其他多核設(shè)計(jì)常見問題的工具，那么對(duì)多核系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化就會(huì)變得異常麻煩和費(fèi)時(shí)。

• 遠(yuǎn)程診斷工具——由于許多嵌入式系統(tǒng)都不允許有故障時(shí)間，因此實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)供應(yīng)商應(yīng)提供能在不中斷系統(tǒng)服務(wù)的情況下分析系統(tǒng)運(yùn)行的診斷工具。尋找能提供運(yùn)行分析工具(用于系統(tǒng)剖析、應(yīng)用程序剖析和內(nèi)存分析的)的供應(yīng)商。

• 開放的開發(fā)平臺(tái)——實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)供應(yīng)商能否提供基于開放平臺(tái)(如 Eclipse)的開發(fā)環(huán)境，允許您“插入”您最喜歡的第三方工具以便進(jìn)行建模、版本控制等工作?或者，開發(fā)環(huán)境是基于專有技術(shù)的嗎?

• 圖形用戶界面——實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)使用基元圖形庫嗎?或者它提供了高級(jí)圖形處理功能(如多層界面、基于 Flash 的人機(jī)界面、多目標(biāo)顯示、3D 加速渲染和真正的窗口系統(tǒng))嗎?您能輕松地自定義圖形用戶界面的視覺效果嗎?圖形用戶界面能同時(shí)顯示和輸入多種語言(中文、朝鮮語、日語、英語、俄語等)嗎?2D(如 Flash)和 3D(如 OpenGL ES)應(yīng)用程序能輕松共享同一屏幕嗎? 9

• 標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序接口——實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)限制您使用專有應(yīng)用程序接口嗎?或者它提供了對(duì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序接口(如 POSIX 和 OpenGL ES)的認(rèn)證支持，使各種運(yùn)行環(huán)境之間的代碼移植變得更容易?實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)還提供對(duì)應(yīng)用程序接口的綜合支持嗎?還是只支持一小部分已定義接口的子集?

• 源代碼——實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)供應(yīng)商允許您輕松訪問源代碼以簡(jiǎn)化調(diào)試過程，并幫助您根據(jù)具體需求定制實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)服務(wù)嗎?

• 面向數(shù)字媒體的中間件——對(duì)數(shù)字媒體的靈活支持已成為各種嵌入式系統(tǒng)(如車載收音機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)控制系統(tǒng)、媒體服務(wù)器以及消費(fèi)電子產(chǎn)品)的設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)可能需要處理多種媒體資源(如 USB 閃存、MP3 播放器、網(wǎng)絡(luò)流媒體、藍(lán)牙電話等)，分辨多種數(shù)據(jù)格式(如 MP3、WMA、AAC、MPEG-2、MPEG-4 等)并支持各種數(shù)字版權(quán)管理 (DRM) 方案。通過為數(shù)字媒體提供設(shè)計(jì)精密的中間件，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)供應(yīng)商能避免連接多媒體資源、組織數(shù)據(jù)以及初始化適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理路徑所需的大量軟件工作。另外，設(shè)計(jì)完善的中間件解決方案還能靈活支持新的數(shù)據(jù)源(如下一代 iPod)，無需修改用戶界面或其他軟件組件。

選擇實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的戰(zhàn)略性決策。如果實(shí)時(shí)系統(tǒng)供應(yīng)商針對(duì)以上問題給出了清楚的答案，那么您離現(xiàn)在和將來選擇到完全適用的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)又近了一步。