一、實時嵌入式操作系統(tǒng)

　　1.1 概述

　　實時嵌入式操作系統(tǒng)(Real-Time Embedded Operating System)是專門設(shè)計用于嵌入式系統(tǒng)的實時操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是一種特殊的計算機系統(tǒng)，通常是用于控制、監(jiān)測或執(zhí)行特定任務(wù)的系統(tǒng)。

　　實時嵌入式操作系統(tǒng)與傳統(tǒng)的桌面操作系統(tǒng)相比，更注重對實時任務(wù)的響應(yīng)和精確控制。

　　它們在資源利用、可靠性、可預(yù)測性、任務(wù)調(diào)度和中斷處理等方面提供了更加嚴(yán)格的要求和機制。

　　實時嵌入式操作系統(tǒng)通常具有以下特點：

　　快速響應(yīng)：實時嵌入式操作系統(tǒng)能夠迅速響應(yīng)外部事件或任務(wù)請求，以滿足實時任務(wù)的時間要求。

　　穩(wěn)定性和可靠性：實時嵌入式操作系統(tǒng)要求系統(tǒng)能夠在各種環(huán)境條件下穩(wěn)定可靠地運行，并在不可避免的故障情況下提供適當(dāng)?shù)腻e誤處理機制。

　　硬實時和軟實時支持：實時嵌入式操作系統(tǒng)通常提供對硬實時(Hard Real-Time)任務(wù)和軟實時(Soft Real-Time)任務(wù)的支持。硬實時任務(wù)必須在嚴(yán)格的時間限制內(nèi)完成，而軟實時任務(wù)對時間限制更靈活。

　　任務(wù)調(diào)度和優(yōu)先級：實時嵌入式操作系統(tǒng)通過任務(wù)調(diào)度器來管理和分配任務(wù)，通常采用優(yōu)先級調(diào)度算法，確保高優(yōu)先級的實時任務(wù)得到及時處理。

　　中斷處理：實時嵌入式操作系統(tǒng)具備高效的中斷處理機制，能夠快速響應(yīng)和處理系統(tǒng)的中斷事件。

　　資源管理：實時嵌入式操作系統(tǒng)提供有效的資源管理機制，包括內(nèi)存管理、設(shè)備驅(qū)動程序、文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等，以支持嵌入式系統(tǒng)的功能需求。

　　低功耗和小尺寸：實時嵌入式操作系統(tǒng)通常要求運行時的資源占用較少，以適應(yīng)嵌入式系統(tǒng)對功耗和尺寸的限制。

　　常見的實時嵌入式操作系統(tǒng)包括 FreeRTOS、ThreadX、Micrium μC/OS-II、VxWorks 和 QNX Neutrino 等，它們被廣泛應(yīng)用于汽車電子、工業(yè)自動化、醫(yī)療設(shè)備、消費電子和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的嵌入式系統(tǒng)中。

　　1.2 什么“實時”

　　"實時"一詞用于描述某種系統(tǒng)或過程具有立即或幾乎立即響應(yīng)的特性。它指的是在要求的時間范圍內(nèi)提供實時性能和反饋的能力。

　　在不同的領(lǐng)域中，實時可以有不同的定義和要求。

　　在計算機科學(xué)中，實時通常指的是一種計算機系統(tǒng)可以在特定時間范圍內(nèi)保證任務(wù)的響應(yīng)和執(zhí)行。實時系統(tǒng)將任務(wù)分為硬實時和軟實時，硬實時任務(wù)必須嚴(yán)格按照預(yù)定的時間完成，而軟實時任務(wù)對時間限制更靈活。

　　在通信領(lǐng)域中，實時通常表示傳輸和處理數(shù)據(jù)的實時性能，例如實時視頻流的傳輸和播放。

　　在工業(yè)自動化中，實時可以指一個控制系統(tǒng)能夠及時響應(yīng)外部事件并采取相應(yīng)的行動，如實時監(jiān)測和調(diào)節(jié)溫度、壓力和速度等參數(shù)。

　　在金融領(lǐng)域中，實時可以指即時處理和更新市場數(shù)據(jù)、交易和報價。

　　總的來說，實時指的是在特定的時間要求下，系統(tǒng)能夠以及時、準(zhǔn)確和可靠的方式進行處理、響應(yīng)和交互的能力。實時性要求的嚴(yán)格程度取決于具體的應(yīng)用和領(lǐng)域。

　　一、嵌入式實時操作系統(tǒng)(RTOS)

　　1.1 嵌入式實時操作系統(tǒng)的特點

　　實時操作系統(tǒng)響應(yīng)快速，能準(zhǔn)確高效地執(zhí)行控制指令并按預(yù)期做出響應(yīng)。嵌入式實時操作系統(tǒng)旨在為實時應(yīng)用程序提供服務(wù)，應(yīng)用程序處理傳入的數(shù)據(jù)，大多數(shù)情況下沒有緩沖延遲，具有實時性的優(yōu)點，這是設(shè)計者和用戶考慮的一個重要指標(biāo)。

　　實時操作系統(tǒng)有硬實時和軟實時之分，軟實時系統(tǒng)與人的反應(yīng)速度相當(dāng)，能在幾百毫秒內(nèi)做出反應(yīng)，而硬實時系統(tǒng)則可在幾十毫秒內(nèi)做出響應(yīng)甚至更短時間。

　　硬實時和軟實時

　　但 RTOS 缺點在于：一般不存在圖形界面，缺少如網(wǎng)絡(luò)瀏覽器的功能，為快速響應(yīng)中斷信號需提供特定的驅(qū)動程序;具有較低優(yōu)先級的任務(wù)需要等待很長時間。

　　1.2 實時操作系統(tǒng)與通用操作系統(tǒng)

　　用于運行筆記本電腦的通用操作系統(tǒng)(例如Windows)包含豐富的應(yīng)用程序和功能，能夠滿足動態(tài)變化的用戶需求。但它無法滿足小尺寸嵌入式系統(tǒng)所需的精確要求、極低延遲、持久的正常運行時間和無需干預(yù)的性能，因此需要實時操作系統(tǒng)的支撐。相比于較大的通用操作系統(tǒng)，實時操作系統(tǒng)反應(yīng)速度更快，占用空間更少。

　　GPOS 與 RTOS 的比較

　　開源通用操作系統(tǒng)(GPOS)以豐富功能和靈活性而聞名，通常在非關(guān)鍵系統(tǒng)上使用，具有時間靈活性。而在機器人和飛行控制器等安全關(guān)鍵系統(tǒng)上，通常選擇實時操作系統(tǒng)進行開發(fā)，這是成功的關(guān)鍵因素。與此同時，RTOS 也存在一些不足：資源消耗大，使得系統(tǒng)昂貴;算法復(fù)雜很難理解，因此，在選擇 RTOS 時，不僅需要使用內(nèi)部實時操作系統(tǒng)，開源或基于社區(qū)的操作系統(tǒng)也不可或缺。

　　1.3 嵌入式實時操作系統(tǒng)調(diào)度算法

　　調(diào)度是一種確保作業(yè)在特定時間執(zhí)行的方法，是指將可用 CPU 資源分配給進程的過程。對于實時系統(tǒng)而言，調(diào)度策略在任何實時系統(tǒng)中都至關(guān)重要，其中關(guān)鍵因素是調(diào)度算法。因此，實時系統(tǒng)研究的一個重要領(lǐng)域在于如何采用適當(dāng)?shù)乃惴▉泶_保每個任務(wù)都能在其時間限制內(nèi)完成。

　　μC/OS-II 調(diào)度算法，主要采用基于事件觸發(fā)的優(yōu)先級的搶占式調(diào)度，其特征是系統(tǒng)為每個任務(wù)分配優(yōu)先級，一旦具有最高優(yōu)先級的任務(wù)準(zhǔn)備就緒，它就可以獲得 CPU 的控制�；� μC/OS-II 實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，提出了一種基于動態(tài)優(yōu)先級的時間觸發(fā)調(diào)度算法，以支持多處理機多任務(wù)，并設(shè)計相應(yīng)函數(shù)來實現(xiàn)動態(tài)優(yōu)先級調(diào)整，可以滿足任務(wù)在實時系統(tǒng)中動態(tài)變化的需求。該算法避免了優(yōu)先級反轉(zhuǎn)，保證了實時性，即解決“同級優(yōu)先級”任務(wù)調(diào)度問題，又有效提高了任務(wù)調(diào)度的效率。

　　整體歸一化實時響應(yīng)時間圖

　　最后，通過分析動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法性能，可看出在處理器使用率相同的情況下，使用改進的動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法的歸一化實時響應(yīng)時間更快。當(dāng)然，該算法在投入機載計算平臺之前，還需要做大量的實驗去驗證算法的其他性能，對平臺做進一步完善。

　　二、嵌入式實時操作系統(tǒng)的應(yīng)用

　　從智能家居到交通管理，從工業(yè)控制到軍用，全世界無數(shù)產(chǎn)品都配備了實時操作系統(tǒng)。在很大程度上，RTOS 行業(yè)受到計算機硬件行業(yè)發(fā)展的影響，產(chǎn)生了一系列的應(yīng)用案例，對操作系統(tǒng)要求也更高。

　　智能家居系統(tǒng)

　　智能家居中的不同設(shè)備可以相互通信，多個設(shè)備可以通過智能感應(yīng)、遠(yuǎn)程控制和語音識別進行鏈接。智能家居以更便捷的方式幫助用戶管理家庭設(shè)備，提供高效且舒適的生活與工作環(huán)境。

　　交通管理

　　將與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有效融合的實時操作系統(tǒng)嵌入到交通管理應(yīng)用，利于實現(xiàn)交通的智慧化管理。實時分析、高效傳遞城市道路交通狀況信息，合理規(guī)劃路線，使得交通的擁堵情況得到有效緩解。比如：高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)可通過提供實時增強的可視化和與周圍環(huán)境的交互來改善駕駛員對車輛的控制。

　　工業(yè)控制

　　當(dāng)今出現(xiàn)的眾多智能機器人都依賴于內(nèi)置實時操作系統(tǒng)，工業(yè)控制的要求往往比較高，需要復(fù)雜的設(shè)備接口，并在顯示屏上實時顯示這些設(shè)備狀態(tài)和傳感器等信息。憑借其獨特的優(yōu)勢，內(nèi)置的實時操作系統(tǒng)可以在許多環(huán)境惡劣、地面條件復(fù)雜的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)無人值守監(jiān)控。

　　軍用作戰(zhàn)指揮

　　RTOS 在如今的高科技戰(zhàn)爭中愈發(fā)重要，它集成了衛(wèi)星定位、無線通信、圖像攝取傳送等功能，這些不同功能要求的技術(shù)研發(fā)產(chǎn)品將應(yīng)用裝備到特定的作戰(zhàn)場合。比如說，各種陸�？哲娪秒娮釉O(shè)備，軍用雷達對抗通信設(shè)備，以及各種野戰(zhàn)指揮作戰(zhàn)專用設(shè)備，均搭載了實時操作系統(tǒng)。

　　上述實時操作系統(tǒng)是針對特定用例設(shè)計的，其缺點是成本高且耗時。定制操作系統(tǒng)將不可避免地耗費大量時間，在硬件上的投入大量資金而且性能得不到保證。如果開源系統(tǒng)的實施過程出現(xiàn)問題，也可能導(dǎo)致工期緊張甚至超支。相比之下，商用系統(tǒng)易于使用、快速，技術(shù)團隊專業(yè)且經(jīng)驗豐富。

　　三、國外嵌入式實時操作系統(tǒng)

　　隨著嵌入式實時操作系統(tǒng)不斷進化升級，以下概括總結(jié)了 VxWorks、Linux 與 WinCE 這三種國外實時操作系統(tǒng)的優(yōu)缺點。

　　VxWorks、Linux 與 WinCE 的比較

　　3.1 VxWorks

　　VxWorks 憑借良好的可靠性和實時性被廣泛地應(yīng)用在各種高精尖技術(shù)行業(yè)中，如衛(wèi)星通訊、軍事演習(xí)等。VxWorks 最大的缺點是價格昂貴，軟件的開發(fā)和維護成本都非常高，一般只提供二進制代碼，源代碼是不提供的，支持的硬件數(shù)量有限。

　　3.2 Linux

　　Linux 開源操作系統(tǒng)使用免費、可自由修改，它的功能強大、設(shè)計完善，為運行不同計算機平臺提供了準(zhǔn)確有效的通信手段，在價格上極具競爭力，目前最為流行。Linux 的弊端在于提供實時性能需添加實時軟件模塊來實現(xiàn)調(diào)度策略、硬件中斷異常和程序執(zhí)行。因此，代碼錯誤可能破壞操作系統(tǒng)從而影響整個系統(tǒng)的可靠性。

　　3.3 Windows CE

　　Windows CE(Wince)相對簡易開發(fā)，周期短且內(nèi)核完善，可靈活支持通信，GUI豐富且開發(fā)功能完善，能更大程度地控制調(diào)度機制。但 Wince的版權(quán)費用也不可避免存在價格不菲的缺點，沒有考慮實時應(yīng)用，很難支持多種硬件平臺，無法做到可定制性，且對資源的要求更高，在網(wǎng)絡(luò)功能方面應(yīng)用很少。

　　四、國內(nèi)嵌入式實時操作系統(tǒng)

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，國產(chǎn)設(shè)備自主可控需求強烈，國產(chǎn)嵌入式實時操作系統(tǒng)發(fā)展也逐漸步入軌道。鴻道(Intewell)操作系統(tǒng)是一款以微內(nèi)核為基礎(chǔ)、功能靈活、易擴展、高安全、高可靠的實時操作系統(tǒng)。

　　鴻道(Intewell)操作系統(tǒng)架構(gòu)圖

　　科東軟件自主研發(fā)的鴻道(Intewell)工業(yè)操作系統(tǒng)，擁有三十多年的研發(fā)歷史以及應(yīng)用經(jīng)驗，具備微內(nèi)核，高實時，虛擬化等諸多特點，可以實現(xiàn)工業(yè)控制底層通用化以及人工智能與控制一體化。為企業(yè)客戶提供國產(chǎn)化行業(yè)解決方案，目前已成功應(yīng)用于高端數(shù)控系統(tǒng)、工業(yè)機器人、醫(yī)療機器人、運動控制系統(tǒng)、軌道列車控制系統(tǒng)、配電自動化、汽車控制域等業(yè)務(wù)場景。

　　RT-Thread 是一款組件豐富、易擴展、低功耗、安全性高的國產(chǎn)開源的嵌入式實時操作系統(tǒng)。RT-Thread 內(nèi)核對象與對象容器分配的鏈表相鏈接。

　　RT-Thread 的內(nèi)核對象容器及鏈表

　　RT-Thread 不依賴于特定的內(nèi)存分配方式，通過對象容器中內(nèi)核對象動態(tài)與靜態(tài)相結(jié)合的方法，極大提高了系統(tǒng)的靈活性。它憑借穩(wěn)定豐富的系統(tǒng)功能，在新能源、航空和醫(yī)療等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，其高度可靠的實時性得到了證實。

　　翼輝信息的 SylixOS 自主實時操作系統(tǒng)，在實時性方面做了很多有益的設(shè)計。SylixOS 的應(yīng)用程序動態(tài)裝載功能使業(yè)務(wù)邏輯與系統(tǒng)平臺分離開發(fā)、獨立升級，僅需更新相關(guān)的組件即可變更相關(guān)算法、增減應(yīng)用功能等，這利于項目更加便捷、高效的開發(fā)與維護。

　　SylixOS 的動態(tài)裝載

　　SylixOS 的實時處理及動態(tài)加載機制，支持在操作系統(tǒng)上集成各部門應(yīng)用軟件，滿足了分布式軟件開發(fā)需求�？傊�，SylixOS 能成為國內(nèi)實時操作系統(tǒng)的最優(yōu)秀代表之一，并在具體性能上達到或超過了眾多實時操作系統(tǒng)的水平，是因為在設(shè)計思路上借鑒了眾多實時操作系統(tǒng)的設(shè)計思想。

　　五、嵌入式實時操作系統(tǒng)的發(fā)展前景

　　隨著 RTOS 的廣泛應(yīng)用，其功能與需求種類也日益多樣化，其結(jié)構(gòu)形式與開發(fā)也日益復(fù)雜。實時操作系統(tǒng)必須響應(yīng)創(chuàng)新，采用最先進的開發(fā)技術(shù)，適應(yīng)新一代嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員采用的框架、語言和方法，并提供信息和功能的安全性、高性能和可靠性。因此，操作系統(tǒng)支持生活化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化、精細(xì)化開發(fā)環(huán)境。

　　(1)生活化：應(yīng)用嵌入式實時操作系統(tǒng)的設(shè)備、家電與工具已經(jīng)進入了千家萬戶的生活之中。它能滿足大家在信息、通訊、出行和娛樂等方面的需求，使得人們的工作和生活質(zhì)量有效提高。

　　(2)系統(tǒng)化：為更好地滿足實時操作系統(tǒng)的開發(fā)需求，其開發(fā)工具將不斷向著系統(tǒng)化方向發(fā)展。隨著嵌人式設(shè)備的普及，不可避免地會出現(xiàn)全局處理需求，例如對各種嵌入式設(shè)備的數(shù)據(jù)進行全面整理，甚至綜合分析和統(tǒng)籌處理。

　　(3)網(wǎng)絡(luò)化：網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展將進一步推動嵌入式實時操作系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深層次耦合。它更加可以讓互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在生活和工作中幫助人們快速、高效地完成很多事情，解決人們遇到的困難，所以現(xiàn)在人們對它的依賴很大同時要求很高。

　　(4)精細(xì)化：基于用戶需求的嵌人式系統(tǒng)的本質(zhì)特點，決定它必然會朝著功能細(xì)分和專業(yè)化方向發(fā)展，這也取決于各個領(lǐng)域的科學(xué)發(fā)展。實現(xiàn)將嵌入式實時操作系統(tǒng)的更多功能集成在更小的芯片上，從而降低生產(chǎn)成本。

　　盡管嵌入式實時操作系統(tǒng)在中國開發(fā)起步較晚，中小科研機構(gòu)和廠商一直面臨資金的短缺和研究經(jīng)費不足的難題。還長時間受制于國外技術(shù)壟斷，存在 RTOS 版稅和服務(wù)費用昂貴的情況，大幅增加了嵌入式生產(chǎn)成本，從而使得產(chǎn)品市場和競爭力受到限制。但隨著我國信息科技的快速發(fā)展和系統(tǒng)設(shè)計水平的穩(wěn)步提高，RTOS 在不斷發(fā)展進步，功能也日益強大，使得市場上的 RTOS 產(chǎn)品也日趨成熟。

　　六、結(jié)語

　　只有開發(fā)出具有自主版權(quán)的系統(tǒng)，才能擺脫對國外嵌入式實時操作系統(tǒng)產(chǎn)品的依賴。Linux 開放的源代碼，技術(shù)支持廣泛與價格優(yōu)勢這一系列特征，有利于國產(chǎn)的嵌入式操作系統(tǒng)的開發(fā)。因此，我國本土操作系統(tǒng)仍有機會占領(lǐng)更多的市場份額與之抗衡。

　　事實上，要獨立設(shè)計一個實時操作系統(tǒng)非常復(fù)雜，從現(xiàn)有的系統(tǒng)運行角度來講，整個系統(tǒng)處理功能會受到軟件與硬件的制約，是基于網(wǎng)絡(luò)需求實現(xiàn)的。因此，要利用好信息化的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，將系統(tǒng)本身所具備定向性功能進行逐步分解與更新，在保證系統(tǒng)關(guān)聯(lián)運行功能前提下進行獨立化操作;同時充分利用現(xiàn)有開源代碼，實現(xiàn)對基礎(chǔ)功能的擴展升級，從而開發(fā)出自主版權(quán)的嵌入式實時操作系統(tǒng)產(chǎn)品。

　　什么是嵌入式

　　嵌入式系統(tǒng)指的是一種專門設(shè)計用于執(zhí)行特定任務(wù)的計算機系統(tǒng)，通常被嵌入到其他設(shè)備或系統(tǒng)中的硬件和軟件組合中。

　　嵌入式系統(tǒng)通常具有以下特點：

　　專用性：嵌入式系統(tǒng)是為特定的應(yīng)用領(lǐng)域或特定任務(wù)而設(shè)計的，其功能和性能針對特定需求進行優(yōu)化。

　　實時性：嵌入式系統(tǒng)通常需要及時響應(yīng)外部事件或數(shù)據(jù)，以滿足特定應(yīng)用對時間要求的需求。

　　可靠性：嵌入式系統(tǒng)通常被用于在各種極端環(huán)境下工作，并要求穩(wěn)定可靠地運行。

　　資源受限：嵌入式系統(tǒng)通常擁有有限的計算和存儲資源，因為其設(shè)計需要適應(yīng)特定的設(shè)備和成本預(yù)算。

　　實時約束：嵌入式系統(tǒng)通常有一系列的硬件和軟件約束，例如功耗限制、尺寸限制和資源限制等。

　　常見的嵌入式系統(tǒng)包括但不限于以下領(lǐng)域：

　　汽車電子：如發(fā)動機控制、車載娛樂系統(tǒng)和駕駛輔助系統(tǒng)。

　　家電和消費電子：如智能手機、電視、家用電器和智能家居設(shè)備。

　　工業(yè)自動化：如工控系統(tǒng)、機器人和傳感器網(wǎng)絡(luò)。

　　醫(yī)療設(shè)備：如心臟監(jiān)測器、血壓計和假肢。

　　通信設(shè)備：如手機基站、網(wǎng)絡(luò)路由器和調(diào)制解調(diào)器。

　　物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備：如智能傳感器、智能穿戴設(shè)備和智能城市系統(tǒng)。

　　嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)通常需要硬件、軟件和固件的嵌入式開發(fā)技術(shù)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和性能滿足特定的應(yīng)用需求。