实时时间 4种实时操作系统实时性的分析对比

文摘:分析了四种适用于测控领域的实时操作系统，比较了它们的重要实时性能指标，总结了实时设计和实现中的一些问题。

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20世纪70年代以来，随着嵌入式系统软硬件技术的飞速发展，嵌入式应用得到了蓬勃发展，其中实时操作系统起着决定性的作用。

在复杂的测量和控制应用中，有必要使用要求非常高的实时性能的实时操作系统。比如工业控制、交通管理、机器人、航空空航天、武器装备等领域。，如果系统事件的响应不能及时或超时，可能会导致巨大的损失和灾难。因此，在选择操作系统时，仔细考虑实时性是非常重要的。本文从实时的角度出发，对适合这种要求苛刻的实时需求的四种操作系统:VxWorks、mC/OS-II、RT-Linux和QNX进行了详细的分析和比较。

实时性能的主要实现技术

实时操作系统的实时性能是第一要求，需要调度所有可用资源来完成实时任务。按照响应时间以微秒、毫秒、秒为单位，可以分为强实时、准实时、弱实时三种类型。强实时系统必须响应实时事件，不能错过事件处理的时限。比如测控领域就是一个需求很强或者接近强需求的实时系统。在机顶盒、PDA、信息家电等应用领域。，当系统负载较重时，允许错过时限而不造成太大危害，准实时系统和弱实时系统可以满足应用。强大的实时操作系统通常使用以下技术:

●抢先内核

当系统时间响应很重要时，使用抢占式内核。优先级最高的任务一旦准备好，总能立刻得到CPU的控制，CPU的控制也就可以知道了。抢先内核用于优化任务级的响应时间。

低调度策略分析

任务调度策略是直接影响实时性能的一个因素。强实时系统和准实时系统的区别主要在于选择性调度算法。选择基于优先级调度的算法足以满足准实时系统的要求，并能提供高速响应和大的系统吞吐量。当两个或多个任务具有相同的优先级时，通常按时间片轮换进行调度。对于硬实时系统，应采用调度方式简单、响应速度快的实时调度算法。虽然调度算法有很多种，但大多是从单速率调度算法(RMS)和最早截止期优先算法(EDF)中衍生出来的。前者主要用于调度静态周期性任务，后者主要用于动态调度。这两种算法在不同的系统状态下各有优缺点。商业产品中采用的实际策略往往是各种因素的折衷。

低任务优先级分配

每项任务都有其优先级。任务越重要，就应该给予它更高的优先权。当任务的优先级在应用程序执行过程中不变时，称为静态优先级。在静态优先级系统中，任务及其时间约束在程序编译时是已知的。相反，在应用执行过程中，任务的优先级是可变的，称为动态优先级。

●时间的可确定性

强实时操作系统的函数调用和服务的执行时间应该是可确定的。系统服务的执行时间不取决于应用程序任务的数量。系统完成某项任务的时间是可以预测的。

实时性能的重要指标

衡量实时操作系统实时性能的重要指标有:

低任务切换时间

当多任务内核决定运行另一个任务时，它会将正在运行的任务的当前状态(即CPU寄存器中的所有内容)保存到任务自己的堆栈区域。然后将下一个要运行的任务的当前状态从这个任务的栈中重载到CPU的寄存器中，启动下一个要运行的任务。这个过程叫做任务切换。任务切换所需的时间取决于CPU要堆叠多少寄存器。CPU的寄存器越多，额外的负载就越重。

●中断响应时间(中断可以屏蔽)

当计算机收到中断信号时，操作系统做出响应，并完成切换到中断服务程序的时间。对于抢占式内核，应该先调用一个特定的函数，通知内核即将执行中断服务，让内核跟踪中断的嵌套。抢先内核的中断响应时间由下式给出:

中断响应时间=关闭中断的最长时间

+保护CPU内部寄存器的时间

+输入中断服务功能的执行时间

+开始执行中断服务程序的第一个指令时间

中断响应时间是系统在最坏情况下响应中断的时间。一个系统的100次中，99次响应50ms内的中断，只有一次响应250ms内的中断，所以中断响应时间只能算250 ms。

表2列出了一些反映实时性能重要指标的典型值。他们的测试平台和方法并不完全相同，影响了数据的可比性，但我们仍然可以借鉴。

另外还有系统响应时间(从系统发出处理请求到系统给出响应信号的时间)、最长关断中断时间、非屏蔽中断响应时间等辅助测量指标。

一些问题

虽然今天的实时操作系统已经日臻完善，但仍然存在一些干扰强实时实现的问题。我们应该充分重视它们，通过合理的安排程序来减少它们的危害。

●优先级反转

这是实时系统中最常见的问题。优先级反转是指任务在等待优先级较低的任务释放资源时被阻塞。如果此时有中等优先级的就绪任务，阻塞会更严重。严重影响实时任务的完成。

为了防止优先级反转，一些商业内核(比如VxWorks)使用优先级继承技术。当发生优先级反转时，优先级较低的任务被临时提高优先级，以便任务能够尽快执行，释放优先级较高的任务所需的资源。但是，并不能完全避免优先级反转。只能说降低了优先级反转的程度，降低了优先级反转对实时任务完成的影响。

优先级限制是另一种解决方案。系统将每个关键资源与一个限制优先级相关联，该优先级等于系统此时的最高优先级加上1。当任务退出关键区域时，系统立即将其优先级恢复到正常，从而确保系统不会发生优先级反转。采用这种方案的另一个优点是，多个任务只能通过改变其优先级来共享一个关键资源。

低任务执行时间抖动

各种实时内核都有延迟任务几个时钟节拍的功能。优先级不同，延迟请求发生的时间和发出延迟请求的任务的运行延迟，都会导致延迟任务的执行时间不同程度的提前或滞后，这种情况称为任务执行时间的抖动。可能的解决方法如下:a .提高微处理器的时钟频率和时钟拍频；b .重新组织任务的优先级；c .避免使用浮点运算。

在强实时系统中，必须综合考虑，充分利用各种手段，使任务执行时间的抖动最小化。

低任务划分

程序在CPU中以任务模式运行，因此我们需要将系统的处理框图转化为多任务流程图，并对处理任务进行划分。任务划分有这样一个矛盾:任务过多，必然会增加系统任务切换的开销；如果任务太少，系统的并行性会降低，实时性会很差。h .划分任务时应遵循贡玛原则:

A.I/o原理:不同的外设执行不同的任务；

B.优先级原则:不同的优先级处理不同的任务；

C.大量操作:归类为一个任务；

D.功能耦合:归类为任务；

E.偶然耦合:归类为任务；

f频率组合:对于周期时间，不同的任务处理不同的频率。

如果在具体分析一个系统的时候有原则冲突，就要根据具体的系统给每个原则设定一个“权重”。如果有必要，我们最终可以通过计算“权重”来确定如何划分任务。

总结

VxWorks、mC/OS-II、RT-Linux、QNX都是优秀的实时操作系统，各有特色:VxWorks的度量指标值最好；MC/OS-II最短；RT-Linux支持重写调度策略。QNX支持分布式应用。当我们充分了解和掌握它们的实现技术和测量指标的差异，并注意到存在的问题时，我们就可以在实时应用中感到舒适。