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實時操作系統(tǒng)
閱讀�20700時間�2011-03-20 22:36:50

  實時操作系統(tǒng),即RTOS,全稱Real-time operating system,適用于嵌入式設備和有實時性要求的系統(tǒng)�。實時系�(tǒng)能夠在指定或者確定的時間內完成系�(tǒng)功能和外部或內部、同步或異步時間做出響應的系�(tǒng)。實時系�(tǒng)應該在事先先定義的時間范圍內識別和處理離散事件的能力;系�(tǒng)能夠處理和儲存控制系�(tǒng)所需要的大量數據�

概述

  實時操作系統(tǒng)是一段在嵌入式系�(tǒng)啟動后首先執(zhí)行的背景程序,用戶的應用程序是運行于RTOS之上的各個任�,RTOS根據各個任務的要求,進行資源(包括存儲�、外設等)管理、消息管�、任務調度、異常處理等工作。在RTOS支持的系�(tǒng)�� 每個任務均有一個優(yōu)先級,RTOS根據各個任務的�(yōu)先級,動�(tài)地切換各個任�,保證對實時性的要求�

  實時多任務操作系�(tǒng),以分時方式運行多個任務,看上去好象是多個任務“同時”運�。任務之間的切換應當以優(yōu)先級為根據,只有�(yōu)先服務方式的RTOS才是真正的實時操作系�(tǒng),時間分片方式和�(xié)作方式的RTOS并不是真正的“實時�。美國CMX公司的RTOS采用全優(yōu)先服務方式的任務調度,可以使中斷潛伏時間減到最�。其RTOS的主要功能模塊有調度和中斷處理(為了�(yōu)化用匯編編寫�,任務管理,事件管理,定時器管理,報文管�,循�(huán)隊列管理,資源管�,固定存儲塊管理,規(guī)范的UART管理,自動掉電管�。這些也是標準的RTOS所應具有的基本功能。RTOS也體現了一種新的系�(tǒng)設計思想和一個開放的軟件框架,工程師可以在不大量變動系統(tǒng)其它任務的情況下增加或去掉一個任�;一個項目開�(fā)的過程中,可以有多個工程師同時進行系統(tǒng)的軟件開�(fā),各個人之間只要制訂好規(guī)程和�(xié)議即�,既縮短了開�(fā)時間,又降低了最終軟件產品對于具體某個開�(fā)者個人的依賴�。為RTOS設計的成熟和通用的任務可以以庫函數的形式供其它人繼續(xù)利用,和C語言的設計思想一�。因此可以說RTOS 是嵌入式軟件的編寫從“小生產方式”進入“大 生產方式”的必然產物�

  在RTOS基礎上可以很容易地實現各種通信�(xié)議庫函數,CMX針對目前單片機網絡系�(tǒng)中廣泛使用的CAN總線�(xié)議,開發(fā)了CAN總線�(xié)議接口庫函數。這些函數包括消息 接收,消息發(fā)�,初始化CAN控制器芯�,管理CAN控制器中�,管理節(jié)點地址和CAN標識,管理用于CAN信息包的緩沖存儲區(qū),通知一個任務消息已經收到等��

  實時多任務操作系�(tǒng)一般以源代碼形式供應用�,作為Project源程序的一部分參加編譯和匯�,最終在用戶代碼中占有一部分。例如CMX的RTOS�80C51XA系統(tǒng)中采用大 模式編譯增加代碼�3310字節(jié),中斷潛伏時間在30M時鐘下為2.9微秒�

特點

  IEEE 的實時UNIX分委會認為實時操作系�(tǒng)應具備以下的幾點:

  ●異步的事件響應

  ●切換時間和中斷延遲時間確定

  ●優(yōu)先級中斷和調�

  ●搶占式調度

  ●內存鎖�

  ●連續(xù)文件

  ●同�

種類及特�

  總的來說實時操作系統(tǒng)是事件驅動的,能對來自外界的作用和信號在限定的時間范圍內作出響應。它強調的是實時�、可靠性和靈活�, 與實時應用軟件相結合成為有機的整體起著核心作�, 由它來管理和�(xié)調各項工�,為應用軟件提供良好的運行軟件�(huán)境及開發(fā)�(huán)��

  從實時系�(tǒng)的應用特點來看實時操作系�(tǒng)可以分為兩種:一般實時操作系�(tǒng)和嵌入式實時操作系統(tǒng)�

  1、一般實時操作系�(tǒng)應用于實時處理系�(tǒng)的上位機和實時查詢系�(tǒng)等實時性較弱的實時系統(tǒng),并且提供了開發(fā)、調�、運用一致的�(huán)��

  2、嵌入式實時操作系統(tǒng)應用于實時性要求高的實時控制系�(tǒng),而且應用程序的開�(fā)過程是通過交叉開發(fā)來完成的,即開發(fā)�(huán)境與運行�(huán)境是不一��

  �(yōu)點:嵌入式實時操作系�(tǒng)具有�(guī)模小(一般在幾K~幾十K �)、可固化使用實時性強(在毫秒或微秒數量級上)的特� 。在嵌入式實時操作系�(tǒng)�(huán)境下開發(fā)實時應用程序使程序的設計和擴展變得容易,不需要大的改動就可以增加新的功能。通過將應用程序分割成若干獨立的任務模�,使應用程序的設計過程大為簡化;而且對實時性要求苛刻的事件都得到了快�、可靠的處理。通過有效的系�(tǒng)服務,嵌入式實時操作系統(tǒng)使得系統(tǒng)資源得到更好的利��

  缺點:但�,使用嵌入式實時操作系統(tǒng)還需要額外的ROM/RAM開銷�2~5%的CPU額外負荷,以及內核的費用�

使用必要�

  嵌入式實時操作系�(tǒng)在目前的嵌入式應用中用得越來越廣�,尤其在功能復雜、系�(tǒng)龐大的應用中顯得愈來愈重�。在嵌入式應用中,只有把CPU嵌入到系�(tǒng)中,同時又把操作系統(tǒng)嵌入進去,才是真正的計算機嵌入式應用。使用實時操作系�(tǒng)主要有以下幾個因素:

  ●嵌入式實時操作系統(tǒng)提高了系�(tǒng)的可靠��

  ●提高了開發(fā)效率,縮短了開發(fā)周期�

  ●嵌入式實時操作系統(tǒng)充分�(fā)揮了32位CPU的多任務潛力�

�(fā)展過�

  實時操作系統(tǒng)(RTOS)的研究是從六十年代開始�。從系統(tǒng)結構上看,RTOS到現在已經歷了如下三個階段:

  1. 早期的實時操作系�(tǒng)

  早期的實時操作系�(tǒng),還不能稱為真正的RTOS,它只是小而簡單的、帶有一定專� 性的軟件,功能較�,可以認為是一種實時監(jiān)控程�。它一般為用戶提供對系�(tǒng)的初始化管理以及簡單的實時時鐘管�,有的實時監(jiān)控程序也引入了任務調度及簡單的任務間 �(xié)調等功能,屬于這類實時�(jiān)控程序的有RTMX等。這個時�,實時應用較簡單,實時� 要求也不�。應用程�、實時監(jiān)控程序和硬件運行平臺往往是緊密聯(lián)系在一起的�

  2. 專用實時操作系統(tǒng)

  隨著應用的發(fā)�,早期的RTOS已越來越顯示出明顯的不足�。有些實時系�(tǒng)的開�(fā) 者為了滿足實時應用的需�,自己研制與特定硬件相匹配的實時操作系統(tǒng)。這類專用實時操作系統(tǒng)在國外稱為Real-Time Operating System Developed in House。它是在早期 用戶為滿足自身開�(fā)需要而研制的,它一般只能適用于特定的硬件環(huán)境,且缺乏嚴格的評測,移植性也不太好。屬于這類實時操作系統(tǒng)的有Intel公司的iMAX86��

  3. 通用實時操作系統(tǒng)

  在各種專用RTOS中,一些多任務的機制如基于�(yōu)先級的調�、實時時鐘管�、任務間的通信、同步互斥機構等基本上是相同�,不同的只是面向各自的硬件環(huán)境與應用目標 。實際上,相同的多任務機制是能夠共享�,因而可以把這部分很好地組織起來,形成一 個通用的實時操作相同內�。這類實時操作系統(tǒng)大多采用軟組件結�,以一個個軟�"� 準組�"構成通用的實時操作系�(tǒng),一方面,在RTOS內核的層將不同的硬件特性屏蔽掉 ;另一方面,對不同的應用�(huán)境提供了標準�、可剪裁的系�(tǒng)服務軟組�。這使得用戶可 根據不同的實時應用要求及硬件�(huán)境選擇不同的軟組�,也使得實時操作系�(tǒng)開發(fā)商在� �(fā)過程中減少了重復性工��

  這類通用實時操作系統(tǒng),有Integrated System公司的Psos+、Intel公司的iRMX386� Ready System公司(后與Microtec Research合并)的VRTX32等。它們一般都提供了實� 性較好的內核、多種任務通信機制、基于TCP/IP的網絡組�、文件管理及I/O服務, 提供 了集編輯、編�、調�、仿真為一體的集成開發(fā)�(huán)�,支持用戶使用C、C++進行應用程序的開�(fā)�

  實時操作系統(tǒng)經過多年的發(fā)�,先后從實模式進化到保護模�,從微內核技術進化到到超微內核技�,在系�(tǒng)�(guī)模上也從單處理器的RTOS�(fā)展到支持多處理器的RTOS和網絡RTOS,在操作系�(tǒng)研究領域中形成了一個重要分支�

評價指標

  RTOS是操作系�(tǒng)研究的一個重要分�,它與一般商用多任務OS如Unix、Windows、Multifinder等有共同的一�,也有不同的一靀對于商用多任務OS,其目的是方便用戶管理計算機資源,追求系�(tǒng)資源利用�;而RTOS追求的是實時�、可確定性、可靠�。評價一個實時操作系�(tǒng)一般可以從任務調度、內存管理、任務通訊、內存開�、任務切換時間、中斷禁止時間等幾個方面來衡量�

  1. 任務調度機制:

  RTOS的實時性和多任務能力在很大程度上取決于它的任務調度機制。從調度策略上來�,分優(yōu)先級調度策略和時間片輪轉調度策略;從調度方式上來�,分可搶占、不可搶�、選擇可搶占調度方式;從時間片來�,分固定與可變時間片輪��

  2. 內存管理: 分實模式與保護模��

  3. 最小內存開�:

  RTOS的設計過程中,最小內存開銷是一個較重要的指�,這是因為在工�(yè)控制領域中的某些工控機(如上下位機控制系�(tǒng)中的下位機),由于基于降低成本的考慮,其內存的配置一般都不大,例如康�5000系列5185板,其基本內存配置僅�256K SRAM�128K EPROM,而在這有限的空間內不僅要裝載實時操作系統(tǒng),還要裝載用戶程�。因此,在RTOS的設計中,其占用內存大小是一個很重要的指�,這是RTOS設計與其它操作系�(tǒng)設計的明顯區(qū)別之一�

  4. 中斷禁止時間�

  當RTOS運行在核�(tài)或執(zhí)行某些系�(tǒng)調用的時�,是不會因為外部中斷的到來而中斷執(zhí)行的。只有當RTOS重新回到用戶�(tài)時才響應外部中斷請求,這一過程所需的時間就是中斷禁止時��

  5. 任務切換時間�

  當由于某種原因使一個任務退出運行時,RTOS保存它的運行現場信息、插入相應隊�、并依據一定的調度算法重新選擇一個任務使之投入運行,這一過程所需時間稱為任務切換時間�

  上述幾項�, 中斷禁止時間和任務切換時間是評價一個RTOS實時性最重要的兩個技術指��

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