RTOS | 实时操作系统杂谈

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。

4. 关于RTOS的误区

最后说一下关于实时操作系统的两个误区：

1、用了实时系统后，系统响应速度一定更快。不一定。因为实时操作系统本身引入了执行开销，所以对于小型应用来说，有RTOS的性能也许不如无操作系统的情况。实时操作系统的优势最能体现在中大型系统中，当任务间存在复杂的耦合和依赖关系，并且应用程序经常要长时间等待外部资源时。

2、用实时操作系统就可以保证实时性。不一定。相对来说，使用实时系统可以改善系统的实时性。但是实时操作系统只是作为工具存在的，如果需要提供实时性保障，还需要使用实时系统理论对任务的可调度性和响应时间进行分析，才可以得到科学、系统的响应性保障。

RTOS较好的实践包括减少不确定性API的使用（虚拟内存及分页），减少critical session的长度，以及提供实时系统调度专用的API等。

修订历史

• 2021-04-12 (v1.2): minor improvements.
• 2018-05-22 (v1.1): 修改了部分内容，为知乎专栏调整了版式
• 2015-08-17 (v1.0): 第一版，在云飞机器人实验室发表

作者

戴晓天

administrator

Xiaotian DAI | Ph.D, M.IEEE, M.IET
机器人实践者
我相信未来是机器与人共生的世界。

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