RTOS | 实时操作系统杂谈 - YF Robotics Laboratory

实时操作系统 (RTOS) 在工业控制、航空航天和电力系统中有大量应用。我自己接触实时操作系统已有几年时间，虽然实际的项目使用经验不多，然而耳濡目染还是积累了一些经验和知识。在这里整理和分享给大家。

实时操作系统（Real-time Operating System, RTOS）是针对有实时性要求的应用而设计的操作系统。所谓“实时性”，就是能否在确定时间内完成指定操作与响应。实时系统的应用通常包括汽车引擎控制、轨道交通、工业机器人、飞行器控制系统等。实时操作系统一般提供抢占式调度机制，重要的高优先级任务可以剥夺低优先级任务对CPU的使用权；同时，任务在等待使用资源时，RTOS可以将其CPU的使用权释放给其他就绪的任务，从而使得系统的总体响应速度更快。

1. 常见的RTOS

目前市场上常见的商用实时操作系统有：

uCosII / uCosIII | Micrium
FreeRTOS
Nucleus RTOS | Mentor Graphics
RTLinux (需要MMU支持)
QNX (需要MMU支持)
VxWorks | WindRiver
eCos
RTEMS

(国产的另有：RT-Thread和DJYOS.)

其中除了FreeRTOS, RTEMS和RTLinux是免费的之外，其余RTOS都是需要商业授权的。uCos II和FreeRTOS是平时接触比较多的RTOS，相关资料比较多。而VxWorks是安全性公认最佳的，用于航空航天、轨道交通和卫星的应用。如果系统中需要使用复杂的文件、数据库、网络等功能，那么以Linux为基础的RTLinux是比较好的选择；但是如果系统对实时性和确定性的要求非常高，那么可以使用较为简单的RTOS（如 uCosII），再根据需要开发通信协议或者软件包。总体上来说，操作系统的复杂性是与应用软件的复杂性一致的。同时，功能上更复杂的RTOS对硬件系统资源的需求也会更高。

2. RTOS的功能

一般的RTOS会提供以下全部或部分功能：

基于静态优先级(fixed-priority)的抢占式(preemptive)任务调度；
进程间通信(基于消息，消息邮箱，管道)；
基于信号量(semaphore)的进程间同步；
任务的创建、暂停、删除；
资源访问控制(并发控制与防止互锁)；
临界区(critical section)控制；
驱动程序的管理与接口；
MMU内存管理、内存动态申请与分配；
其他功能：如GUI用户界面和TCP/IP相关功能。

3. 选用指标

一般来说，实时操作系统的主要参数指标有：

支持的优先级数量，如64、128或256；
使用的任务调度算法：时间片轮转调度，加权轮转调度(weighted round-robin)，先入先出(FCFS)，优先级调度；任务调度算法决定了任务响应时间的可分析性；
中断响应速度，即从中断产生到进入中断服务程序的时间；
上下文切换时间，即任务切换时间；
操作系统大小以及资源使用（footprint, ROM及RAM的占用）；
授权费用与授权方式，是按产品型号计费、产品数量计费还是一次性授权。

其他的选择指标主要就是文档的完整程度，是否有GUI支持，团队对该OS的了解程度，所支持的CPU型号以及需求功能的规模，以及相应的技术支持。从更专业的角度上来说，还有是否支持防死锁（deadlock）和优先级反转（priority inversion）等提高系统可靠性的功能，操作系统自身服务程序占用的时间大小。对于时间关键性应用，操作系统需要具备相对确定的执行时间（deterministic execution time）。从调试的角度来说，操作系统是否具有调试功能（尤其是多线程、多核）以及支持的调试工具也是重要的指标。