适用于测控领域的4种实时操作系统对比分析

引言

20世纪70年代以来嵌入式系统的硬件和软件技术的飞速进步，使得嵌入式应用得到了蓬勃发展，在这些应用中实时操作系统起着决定性的作用。

在复杂测控应用中，必须使用对实时性要求非常高的实时操作系统。例如在工业控制、交通管理、机器人、航空航天、武器装备等领域，系统事件的响应如果不能准时或超时，就可能导致巨大的损失和灾难。因而，选择操作系统时，对实时性的仔细考虑至关重要。本文从实时性的角度细致的分析对比了适用于此类有苛刻实时性要求的4种操作系统——VxWorks、mC/OS-II、RT-Linux、QNX，为系统选型提供一定参考。

实时性能主要实现技术

实时操作系统的实时性是第一要求，需要调度一切可利用的资源完成实时任务。根据响应时间在微秒、毫秒和秒级的不同，可分为强实时、准实时和弱实时三种。强实时系统必须是对即时的事件作出反应，绝对不能错过事件处理时限。例如测控领域就是要求强或接近强实时系统。在机顶盒、PDA、信息家电等应用领域，系统负荷较重的时候，允许发生错过时限的情况而且不会造成太大的危害，准和弱实时系统就可满足应用。一个强实时的操作系统通常使用以下技术：

● 占先式内核

当系统时间响应很重要时，要使用占先式内核。当前最高优先级的任务一旦就绪，总能立即得到CPU的控制权，而CPU的控制权是可知的。使用占先式内核使得任务级响应时间得以最优化。

● 调度策略分析

任务调度策略是直接影响实时性能的因素。强实时系统和准实时系统的实现区别主要在选择调度算法上。选择基于优先级调度的算法足以满足准实时系统的要求，而且可以提供高速的响应和大的系统吞吐率。当两个或两个以上任务有同样优先级，通常用时间片轮转法进行调度。对硬实时系统而言，需要使用的算法就应该是调度方式简单，反应速度快的实时调度算法了。尽管调度算法多种多样，但大多由单一比率调度算法（RMS）和最早期限优先算法（EDF）变化而来。前者主要用于静态周期任务的调度，后者主要用于动态调度，在不同的系统状态下两种算法各有优劣。在商业产品中采用的实际策略常常是各种因素的折中。

● 任务优先级分配

每个任务都有其优先级。任务越重要，赋予的优先级应越高。应用程序执行过程中诸任务优先级不变，则称之为静态优先级。在静态优先级系统中，诸任务以及它们的时间约束在程序编译时是已知的。反之，应用程序执行过程中，任务的优先级是可变的，则称之为动态优先级。

● 时间的可确定性

强实时操作系统的函数调用与服务的执行时间应具有可确定性。系统服务的执行时间不依赖于应用程序任务的多少。系统完成某个确定任务的时间是可预测的。

实时性能重要指标

衡量实时操作系统实时性能的重要指标有：

● 任务切换时间

当多任务内核决定运行另外的任务时，它把正在运行任务的当前状态（即CPU寄存器中的全部内容）保存到任务自己的栈区之中。然后把下一个将要运行的任务的当前状态从该任务的栈中重新装入CPU的寄存器，并开始下一个任务的运行。这个过程就称为任务切换。做任务切换所需要的时间取决于CPU有多少寄存器要入栈。CPU的寄存器越多，额外负荷就越重。

● 中断响应时间（可屏蔽中断）

计算机接收到中断信号到操作系统作出响应，并完成切换转入中断服务程序的时间。对于占先式内核，要先调用一个特定的函数，该函数通知内核即将进行中断服务，使得内核可以跟踪中断的嵌套。占先式内核的中断响应时间由下式给出：

中断响应时间＝关中断的最长时间

＋保护CPU内部寄存器的时间

＋进入中断服务函数的执行时间

＋开始执行中断服务例程（ISR）的第一条指令时间

中断响应时间是系统在最坏情况下响应中断的时间，某系统100次中有99次在50ms之内响应中断，只有一次响应中断的时间是250ms，只能认为中断响应时间是250ms。

表2列出了部分体现实时性能重要指标的典型值，它们的测试平台和测试方法不完全相同，影响了数据的可比性，但我们仍可作为参考。

另外，还有系统响应时间（系统发出处理要求到系统给出应答信号的时间）、最长关中断时间、非屏蔽中断响应时间等辅助的衡量指标。

若干问题

虽然当今的实时操作系统已日臻完善，但仍有一些问题存在并干扰着强实时的实现。我们应充分的重视，并通过合理的安排程序减少它们的危害。

● 优先级反转

这是实时系统中出现得最多的问题。优先级反转是指一个任务等待比它优先级低的任务释放资源而被阻塞，如果这时有中等优先级的就绪任务，阻塞会进一步恶化。它严重影响了实时任务的完成。

为防止发生优先级反转，一些商业内核（如VxWorks）使用了优先级继承技术，当优先级反转发生时，优先级较低的任务被暂时地提高它的优先级，使得该任务能尽快执行，释放出优先级较高的任务所需要的资源。但它也不能完全避免优先级反转，只能称其减轻了优先级反转的程度，减轻了优先级反转对实时任务完成的影响。

优先权极限是另一种解决方案，系统把每一个临界资源与1个极限优先权相联系，这个极限优先权等于系统此时最高优先权加1。当这个任务退出临界区后，系统立即把它的优先权恢复正常，从而保证系统不会出现优先权反转的情况。采用这种方案的另一个有利之处，是仅仅通过改变某个临界资源的优先级就可以使多个任务共享这个临界资源。

● 任务执行时间的抖动

各种实时内核都有将任务延时若干个时钟节拍的功能。优先级的不同、延时请求发生的时间、发出延时请求的任务自身的运行延迟，都会造成被延时任务执行时间不同程度的提前或滞后，称之为任务执行时间的抖动。可能的解决方案有：a． 增加微处理器的时钟频和时钟节拍的频率；b. 重新安排任务的优先级；c. 避免使用浮点运算等。

强实时系统中，我们必须综合考虑，充分利用各种手段，尽量减少任务执行时间的抖动。

● 任务划分

程序在CPU中是以任务的方式在运行，所以我们要将系统的处理框图转化为多任务流程图，对处理进行任务划分。任务划分存在这样一对矛盾：如果任务太多，必然增加系统任务切换的开销；如果任务太少，系统的并行度就降低了，实时性就比较差。在任务划分时要遵循H.Gomma原则：

a． I/O原则：不同的外设执行不同任务；

b． 优先级原则：不同优先级处理不同的任务；

c． 大量运算：归为一个任务；

d． 功能耦合：归为一个任务；

e． 偶然耦合：归为一个任务；

f． 频率组合：对于周期时间，不同任务处理不同的频率。

如果我们在具体分析一个系统的时候发生原则冲突的话，则要为每一个原则针对具体的系统设定“权重”，必要的时候可以通过计算“权重”来最终确定如何去划分任务。

总结

VxWorks、mC/OS-II、RT-Linux、QNX都是优秀的强实时操作系统，各有特色：VxWorks的衡量指标值最好；mC/OS-II最短小精悍；RT-Linux支持调度策略的改写；QNX支持分布式应用。当我们充分理解和掌握它们实现技术、衡量指标的不同，注意所存在的问题，就能在实时性应用中游刃有余。