实时操作系统

原文链接： https://blog.csdn.net/zhourui1982/article/details/5282361

1. 首先说一下实时的定义及要求：

参见 Donal Gillies 在 Realtime Computing FAQ 中提出定义：实时系统指系统的计算正确性不仅取决于计算的逻辑正确性，还取决于产生结果的时间。如果未满足系统的时间约束，则认为系统失效。

一个实时操作系统面对变化的负载（从最小到最坏的情况）时必须确定性地保证满足时间要求。请注意，必须要满足确定性，而不是要求速度足够快！例如，如果使用足够强大的CPU，Windows在CPU空闲时可以提供非常短的典型中断响应，但是，当某些后台任务正在运行时，有时候响应会变得非常漫长，以至于某一个简单的读取文件的任务会长时间无响应，甚至直接挂死。这是一个基本的问题：并不是Windows不够快或效率不够高，而是因为它不能提供确定性，所以，Windows不是一个实时操作系统。
 

根据实际应用，可以选择采用硬实时操作系统或软实时操作系统，硬实时系统指系统要能确保的最坏情况下的服务时间，即对于事件的响应时间的截止期限是无论如何都必须得到满足；软实时系统就是那些从统计的角度来说，一个任务能够得到有确保的处理时间，到达系统的事件也能够在截止期限到来之前得到处理，但违反截止期限并不会带来致命的错误。

硬实时 - 代表产品 VxWorks

举一个经常使用的实例，中高档汽车中使用的气囊。当报告车辆碰撞的传感器中断CPU后，操作系统应快速地分配展开气囊的任务，并且不允许任何其他非实时处理进行干扰，晚一秒钟展开气囊比没有气囊的情况更糟糕，这就是一个典型的必须使用硬实时的系统。

软实时 - 代表产品 软实时Linux

再举一个实例，IPTV数字电视机顶盒，需要实时的处理(解码)视频流，如果丢失了一个或几个视频帧，显然会造成视频的品质更差，但是只要做过简单的抖动处理的系统，丢失几个视频帧就不会对整个系统造成不可挽救的影响。

2. 如何衡量一个实时操作系统的实时性能？

主要有以下两个重要指标：

指标1、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。对于抢先式内核，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。抢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。

请注意：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。

指标2、任务切换时间

除为中断处理提供确定性外，实时处理也需要支持周期性间隔的任务调度。大量控制系统要求周期性采样与处理。某个特定任务必须按照固定的周期（p）执行，从而确保系统的稳定性。考虑一下汽车的防抱死系统（ABS）。控制系统对车辆的每个车轮的转速进行采样（每秒最多 20 次）并控制每个制动器的压力（防止它锁死）。为了保持控制系统的正常工作，传感器的采样与控制必须按照一定的周期间隔。这意味着必须抢占其他处理，以便 ABS 任务能按照期望的周期执行。

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。

3. 实时操作系统的核心 - 任务调度(VxWorks)

任务由系统内核调度运行一段固定长度的时间，称为时间片。调度是指为任务分配资源和时间，使系统满足特定的性能要求。调度算法的目的是在正常情况下，尽可能满足所有任务的时限；在峰值负载条件下，保证强实时任务满足时限。因为时限是区分实时系统和非实时系统的关键因素，因此调度算法是实时系统的基本问题。实时操作系统所具有的运行性能，如吞吐量的大小、周转时间的长短、相应的及时性和可预测性等在很大程度上都取决于实时调度。
 

进程调度可采用下述两种方式:

1. 非抢占方式。采用这种调度方式，一旦把处理机分配给某进程后，便让该进程一直执行，直到该进程完成或发生某事件而被阻塞，才再把处理机分配给其他进程，决不允许某进程抢占已经分配出去的处理机。显然它难于满足紧急任务的要求，实时系统中不宜采用这种调度方式。

2. 抢占方式。允许调度程序根据某种原则，去停止某个正在执行的进程，将已分配给该进程的处理机，重新分配给另一进程。抢占的原则有：

- 时间片原则。各进程按时间片运行，当一个时间片用完后，便停止该进程的执行而重新进行调度。

- 优先权原则。当一个进程到来时，如果其优先级比正在执行的进程的优先级高，便停止正在执行的进程，将处理机分配给优先级高的进程，使之执行。实时系统中一般采用基于优先级的抢占式调度和轮转调度相结合的调度策略。因此既可具有较大的灵活性，又能获得极小的调度延迟。

VxWorks的wind内核缺省调度机制为基于优先级的抢占式调度。采用这种机制时，系统把处理机分配给优先级最高的进程，使之执行。一旦出现了另一个优先级更高的进程时，进程调度程序剥夺当前任务的执行，将处理机分配给高优先级任务。而在相同优先级的多个任务之间，采用时间片轮转调度机制。采用这种机制时，当一个任务到达时，它被排在轮转队列的后面，等待分配给自己的时间片的到来，如果在时间片内没有结束，则再等待属于自己的时间片的到来，直到任务完成。

 

- 优先级抢占式
    采用基于优先级的抢占式调度，系统中每个任务都有一个介于最高0到最低255之间的优先级。任一时刻，系统内核一旦发现一个优先级更高的任务转变为就绪态，内核就保存当前任务的上下文并把当前任务状态转换为阻塞态，同时切换到这个高优先级任务的上下文执行。
- 轮转调度算法
    采用轮转调度算法，系统让处于就绪态的优先级相同的一组任务依次轮流执行预先确定长度的时间片。这是一种处理机平均分配的方法。如果不使用轮转调度算法，优先级相同的一组任务中第一个获得处理机的任务将不会被阻塞而独占处理机，如果没有阻塞或其他情况发生，它不会放弃处理机的使用权。
- 抢占调度与轮转调度混合方式
    有时，基于优先级的抢占式调度可与轮转调度相结合。当优先级相同的一组任务依次轮流平均分配处理机时，若有高优先级的任务转变为就绪态则可抢占该组任务。直到再一次符合执行条件时，该组任务才可再次共享处理机。
    为了任务控制的灵活性，VxWorks内核还提供了动态优先级机制，任务的优先级在运行期间可动态地变化。同时，为了防止优先级反转，还具有优先级继承机制，通过使用互斥信号量可以防止高优先级的任务被迫等待一段不确定时间，直到一个低优先级任务完成。
 

参考博客：

1. https://blog.csdn.net/zhourui1982/article/details/5282361 什么是真正的实时操作系统

2. https://blog.csdn.net/qq_25077833/article/details/53344215  优先级翻转

3. https://www.cnblogs.com/frankyou/p/8649435.html 中断和中断处理程序

4. https://blog.csdn.net/u010317005/article/details/80531985 Linux进程优先级、nice系统中的nice值和nice time，top中的PR和ps中的PRI

5. https://www.jianshu.com/p/3f19d4fc4538 top最详细介绍

6. https://blog.51cto.com/frankch/1773621  Linux的进程优先级 Nice 和 priority