[收藏]四种实时操作系统的分析比较
庞丽萍、田亚敏
本文对四种实时操作系统(RTOS)特性进行分析和比较。它们是：Lynx实时系统公司的LynxOS、QNX软件系统有限公司的QNX以及两种具有代表性的实时Linux——新墨西哥工学院的RT－Linux和堪萨斯大学的KURT－Linux。
近年来，实时操作系统在多媒体通信、在线事务处理、生产过程控制、交通控制等各个领域得到广泛的应用，因而越来越引起人们的重视。
基本特征概述
＊ QNX是一个分布式、嵌入式、可规模扩展的实时操作系统。它遵循POSIX.1
(程序接口)和POSIX.2
(Shell和工具)、部分遵循POSIX.1b(实时扩展)。它最早开发于1980年，到现在已相当成熟。
＊LynxOS是一个分布式、嵌入式、可规模扩展的实时操作系统，它遵循POSIX.1a、POSIX.1b和POSIX.1c标准。它最早开发于1988年。
＊ RT－Linux是一个嵌入式硬实时操作系统，它部分支持POSIX.1b标准。
＊KURT－Linux不是为嵌入式应用设计的，不同于硬(hard)实时／软(soft)实时应用，他们提出“严格(firm)”实时应用的概念，如一些多媒体应用和ATM网络应用，KURT是为这样一些应用设计的“严格的”实时系统。
体系结构异同
实时系统的实现多为微内核体系结构，这使得核心小巧而可靠，易于ROM固化，并可模块化扩展。微内核结构系统中，OS服务模块在独立的地址空间运行，所以，不同模块的内存错误便被隔离开来。但它也有弱点，进程间通信和上下文切换的开销大大增加。相对于大型集成化内核系统来说，它必须靠更多地进行系统调用来完成相同的任务。
＊QNX是一个微内核实时操作系统，其核心仅提供4种服务：进程调度、进程间通信、底层网络通信和中断处理，其进程在独立的地址空间运行。所有其它OS服务，都实现为协作的用户进程，因此QNX核心非常小巧(QNX4.x大约为12Kb)而且运行速度极快。
＊LynxOS目前还不是一个微内核结构的操作系统，但它计划使用所谓的“Galaxy”技术将其从大型集成化内核改造成微内核，这一技术将在LynxOS
3.0中引入。新的28Kb微内核提供以下服务：核心启动和停止、底层内存管理、出错处理、中断处理、多任务、底层同步和互斥支持。
＊RT－Linux实现了一个小的实时核心，仅支持底层任务创建、中断服务例程的装入、底层任务通信队列、中断服务例程(ISR)和Linux进程。原来的非实时Linux核心作为一个可抢先的任务运行于这个小核心之上，所有的任务都在核心地址空间运行。它不同于微内核和大型内核，属于实时EXE
(realtime executive)体系结构。其可靠性和可维护性对电信服务系统来说都不够理想。
＊KURT－Linux核心包括两个部分：内核和实时模块。内核负责实时事件的调度，实时模块为用户进程提供特定的实时服务。它不属于微内核结构。
调度策略分析
任务调度策略是直接影响实时性能的因素。尽管调度算法多种多样，但大多由单调率算法(RM)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。
QNX 提供POSIX.1b标准进程调度：
＊ 32个进程优先级；
＊ 抢占式的、基于优先级的正文切换；
＊ 可选调度策略：FIFO、轮转策略、适应性策略。
LynxOS 其调度策略为：
＊ LynxOS支持线程概念，提供256个全局用户线程优先级；
＊硬实时优先级调度：在每个优先级上实现了轮转调度、定量调度和FIFO调度策略；
＊ 快速正文切换和阻塞时间短；
＊ 抢占式的RTOS核心。
RT－Linux
在操作系统之下实现了一个简单的实时核心，Linux本身作为一个可抢占的任务在核内运行，优先级最低，随时会被高优先级任务抢占。
＊ 用户可自行编写调度程序，它们可实现为可加载的核心模块；
＊ 已实现的调度程序有：基于优先级的抢占式调度和EDF调度；
＊ 基于优先级的调度使用“单调率算法”，它直接支持周期任务。
KURT－Linux
可运行在两种状态之下：通常状态和实时状态。在通常状态下，所有进程都可以运行，但某些核心服务将带来中断屏蔽的不可预期性。实时模式只允许实时进程运行。
＊ 支持FIFO调度策略、轮转调度策略和UNIX分时调度策略；
＊增加了SCHED－KURT调度策略，这是一种静态调度策略，使用一个特殊的调度文件记录预先定义好的待调度进程的参数。
从以上简略描述可以看出，前三种调度策略实现较规范，特别是两种商业RTOS，遵循或部分遵循POSIX.1b实时调度标准。
操作系统服务比较
QNX的系统服务：
＊多种资源管理器，包括各种文件系统和设备管理，支持多个文件系统同时运行，包括提供完全POSIX.1及UNIX语法的POSIX文件系统，支持多种闪存设备的嵌入式文件系统，支持对多种文件服务器(如Windows
NT/95、LAN Manager等)的透明访问的SMB文件系统、DOS文件系统、CD－ROM文件系统等。
＊ 设备管理。在进程和终端设备间提供大吞吐量、低开销接口服务。
＊ 图形／窗口支持。包括QNX Windows、X Window System for QNX、对MS
Windows NT/95和X Window系统的远程图形连接。
＊ TCP/IP for QNX。
＊高性能、容错型QNX网络——FLEET，使得所有连入网络的计算机变成一个逻辑上的超级计算机。
＊透明的分布式处理。FLEET网络处理与消息传递和进程管理原语的集成，将本地和网络IPC统一起来，使得网络对IPC而言是透明的。
LynxOS的系统服务：
＊ 网络和通信。由于使用UNIX/POSIX
API，Lynx很适合于数据通信和Internet应用。又由于系统的开放性，网络软件很容易移植到Lynx上。同样，Lynx亦提供关键的电话通信协议，使之适用于电信系统的基础架构、操作和多媒体应用。
＊ TCP/IP协议栈。Lynx自带优化的TCP/IP协议栈，提供高性能服务，如TCP头预测、高级路由算法、IP级多址广播和链路级高速缓冲。
＊ Internet工具。包括，Telnet、Ftp、tftp、PPP、SLIP、实时调度的嵌入式Java虚拟机、嵌入式HTTP
server、bootp、ARP/RARP、DNS域名服务、电子邮件、Perl、电话通信协议等。
＊ SVR3流。LynxOS流机制为开发和移植基于流的驱动程序和应用提供了核心支持。
＊文件系统。实时的类UNIX层次结构文件系统：连续结构文件、带缓冲／不带缓冲、原始分区和原始设备访问。
＊ 基于Motif的图形用户接口。
＊ 分布式计算资源。SCMP与VME总线上的多处理结合，PCI桥服务、CompactPCI
Hot－swap Services、Lynx/HA－DDS分布式数据系统。
Linux的系统服务：
近来，很多基于Linux的实时应用被开发出来，它具有成熟和丰富的资源。
＊ UNIX用户的开发工具和应用软件都被移植到Linux上。
＊ TCP/IP网络协议。
＊ 各种Internet客户/服务端软件。
＊ X Window。
＊ C/C＋＋、Java等语言编译器。
上述系统的共同点是都提供了图形界面、各种网络支持等必要工具。QNX是一个更加符合传统“分布式”概念的操作系统，目标是把整个局域网变成一个大的超级计算机，使得网络的存在对用户透明，文件系统提供的服务也很丰富。但是，分布式的程度越高也意味着系统开销的增大。LynxOS则着意于提供丰富的网络服务，而Linux的最大优势则是经济，还可以通过新闻组或mailing
list快速地解决用户碰到的任何问题。
系统开放性对比
对于很多大、中型系统来说，大多数软件都是为UNIX平台编写的，因此RTOS是否提供POSIX/UNIX
API就显得很重要。
QNX的开放性：
＊ QNX的POSIX兼容性和其提供的UNIX特色的编译器、调试器、X
Window和TCP/IP都是UNIX程序员所熟悉的。
＊ 支持多种CPU：AMD ElanSC300/310/400/410、Am386 DE/SE、Cyrix
MediaGX、x86处理器(386以上)、Pentium系列、STMicroelectronics 的STPC。
＊ 多种总线：CompactPCI、EISA、ISA 、MPE (RadiSys)、STD、STD
32、PC/104、PC/104－Plus、PCI、PCMCIA、VESA、VME。
＊ 各种外设：多种SCSI设备、IDE/EIDE驱动器、10M/100M以太网卡、Token
Ring网卡、FDDI接口卡、多种PCMCIA设备、闪存、声卡等等。
LynxOS的开放性：
＊ POSIX.1a、1b、1c及BSD4.4等兼容性，使得遵循POSIX
1003或用于UNIX的程序很容易移植到LynxOS上。
＊支持多种CPU主板：包括CompactPCI(6U/3U)和标准PCI、VME/Eurobus、PC/104和PC/AT硬件等。
＊各种外设适配器：10/100BaseT
Ethernet、SCSI接口、单／多通道串行控制器、单／双工并行口、时钟、计时器、IDE接口、高分辨率显示适配器等。
Linux的开放性：
＊ 用户可得到UNIX的全部开发工具。
＊ 可使用市场上便宜又常见的硬件。
通过分析，可以看到以上系统各有优势，因此，在平台搭造过程中，用户应根据自己的实际需要并结合性能价格比进行选择。
本文对四种实时操作系统(RTOS)特性进行分析和比较。它们是：Lynx实时系统公司的LynxOS、QNX软件系统有限公司的QNX以及两种具有代表性的实时Linux——新墨西哥工学院的RT－Linux和堪萨斯大学的KURT－Linux。
近年来，实时操作系统在多媒体通信、在线事务处理、生产过程控制、交通控制等各个领域得到广泛的应用，因而越来越引起人们的重视。
基本特征概述
＊ QNX是一个分布式、嵌入式、可规模扩展的实时操作系统。它遵循POSIX.1
(程序接口)和POSIX.2
(Shell和工具)、部分遵循POSIX.1b(实时扩展)。它最早开发于1980年，到现在已相当成熟。
＊LynxOS是一个分布式、嵌入式、可规模扩展的实时操作系统，它遵循POSIX.1a、POSIX.1b和POSIX.1c标准。它最早开发于1988年。
＊ RT－Linux是一个嵌入式硬实时操作系统，它部分支持POSIX.1b标准。
＊KURT－Linux不是为嵌入式应用设计的，不同于硬(hard)实时／软(soft)实时应用，他们提出“严格(firm)”实时应用的概念，如一些多媒体应用和ATM网络应用，KURT是为这样一些应用设计的“严格的”实时系统。
体系结构异同
实时系统的实现多为微内核体系结构，这使得核心小巧而可靠，易于ROM固化，并可模块化扩展。微内核结构系统中，OS服务模块在独立的地址空间运行，所以，不同模块的内存错误便被隔离开来。但它也有弱点，进程间通信和上下文切换的开销大大增加。相对于大型集成化内核系统来说，它必须靠更多地进行系统调用来完成相同的任务。
＊QNX是一个微内核实时操作系统，其核心仅提供4种服务：进程调度、进程间通信、底层网络通信和中断处理，其进程在独立的地址空间运行。所有其它OS服务，都实现为协作的用户进程，因此QNX核心非常小巧(QNX4.x大约为12Kb)而且运行速度极快。
＊LynxOS目前还不是一个微内核结构的操作系统，但它计划使用所谓的“Galaxy”技术将其从大型集成化内核改造成微内核，这一技术将在LynxOS
3.0中引入。新的28Kb微内核提供以下服务：核心启动和停止、底层内存管理、出错处理、中断处理、多任务、底层同步和互斥支持。
＊RT－Linux实现了一个小的实时核心，仅支持底层任务创建、中断服务例程的装入、底层任务通信队列、中断服务例程(ISR)和Linux进程。原来的非实时Linux核心作为一个可抢先的任务运行于这个小核心之上，所有的任务都在核心地址空间运行。它不同于微内核和大型内核，属于实时EXE
(realtime executive)体系结构。其可靠性和可维护性对电信服务系统来说都不够理想。
＊KURT－Linux核心包括两个部分：内核和实时模块。内核负责实时事件的调度，实时模块为用户进程提供特定的实时服务。它不属于微内核结构。
调度策略分析
任务调度策略是直接影响实时性能的因素。尽管调度算法多种多样，但大多由单调率算法(RM)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。
QNX 提供POSIX.1b标准进程调度：
＊ 32个进程优先级；
＊ 抢占式的、基于优先级的正文切换；
＊ 可选调度策略：FIFO、轮转策略、适应性策略。
LynxOS 其调度策略为：
＊ LynxOS支持线程概念，提供256个全局用户线程优先级；
＊硬实时优先级调度：在每个优先级上实现了轮转调度、定量调度和FIFO调度策略；
＊ 快速正文切换和阻塞时间短；
＊ 抢占式的RTOS核心。
RT－Linux
在操作系统之下实现了一个简单的实时核心，Linux本身作为一个可抢占的任务在核内运行，优先级最低，随时会被高优先级任务抢占。
＊ 用户可自行编写调度程序，它们可实现为可加载的核心模块；
＊ 已实现的调度程序有：基于优先级的抢占式调度和EDF调度；
＊ 基于优先级的调度使用“单调率算法”，它直接支持周期任务。
KURT－Linux
可运行在两种状态之下：通常状态和实时状态。在通常状态下，所有进程都可以运行，但某些核心服务将带来中断屏蔽的不可预期性。实时模式只允许实时进程运行。
＊ 支持FIFO调度策略、轮转调度策略和UNIX分时调度策略；
＊增加了SCHED－KURT调度策略，这是一种静态调度策略，使用一个特殊的调度文件记录预先定义好的待调度进程的参数。
从以上简略描述可以看出，前三种调度策略实现较规范，特别是两种商业RTOS，遵循或部分遵循POSIX.1b实时调度标准。
操作系统服务比较
QNX的系统服务：
＊多种资源管理器，包括各种文件系统和设备管理，支持多个文件系统同时运行，包括提供完全POSIX.1及UNIX语法的POSIX文件系统，支持多种闪存设备的嵌入式文件系统，支持对多种文件服务器(如Windows
NT/95、LAN Manager等)的透明访问的SMB文件系统、DOS文件系统、CD－ROM文件系统等。
＊ 设备管理。在进程和终端设备间提供大吞吐量、低开销接口服务。
＊ 图形／窗口支持。包括QNX Windows、X Window System for QNX、对MS
Windows NT/95和X Window系统的远程图形连接。
＊ TCP/IP for QNX。
＊高性能、容错型QNX网络——FLEET，使得所有连入网络的计算机变成一个逻辑上的超级计算机。
＊透明的分布式处理。FLEET网络处理与消息传递和进程管理原语的集成，将本地和网络IPC统一起来，使得网络对IPC而言是透明的。
LynxOS的系统服务：
＊ 网络和通信。由于使用UNIX/POSIX
API，Lynx很适合于数据通信和Internet应用。又由于系统的开放性，网络软件很容易移植到Lynx上。同样，Lynx亦提供关键的电话通信协议，使之适用于电信系统的基础架构、操作和多媒体应用。
＊ TCP/IP协议栈。Lynx自带优化的TCP/IP协议栈，提供高性能服务，如TCP头预测、高级路由算法、IP级多址广播和链路级高速缓冲。
＊ Internet工具。包括，Telnet、Ftp、tftp、PPP、SLIP、实时调度的嵌入式Java虚拟机、嵌入式HTTP
server、bootp、ARP/RARP、DNS域名服务、电子邮件、Perl、电话通信协议等。
＊ SVR3流。LynxOS流机制为开发和移植基于流的驱动程序和应用提供了核心支持。
＊文件系统。实时的类UNIX层次结构文件系统：连续结构文件、带缓冲／不带缓冲、原始分区和原始设备访问。
＊ 基于Motif的图形用户接口。
＊ 分布式计算资源。SCMP与VME总线上的多处理结合，PCI桥服务、CompactPCI
Hot－swap Services、Lynx/HA－DDS分布式数据系统。
Linux的系统服务：
近来，很多基于Linux的实时应用被开发出来，它具有成熟和丰富的资源。
＊ UNIX用户的开发工具和应用软件都被移植到Linux上。
＊ TCP/IP网络协议。
＊ 各种Internet客户/服务端软件。
＊ X Window。
＊ C/C＋＋、Java等语言编译器。
上述系统的共同点是都提供了图形界面、各种网络支持等必要工具。QNX是一个更加符合传统“分布式”概念的操作系统，目标是把整个局域网变成一个大的超级计算机，使得网络的存在对用户透明，文件系统提供的服务也很丰富。但是，分布式的程度越高也意味着系统开销的增大。LynxOS则着意于提供丰富的网络服务，而Linux的最大优势则是经济，还可以通过新闻组或mailing
list快速地解决用户碰到的任何问题。
系统开放性对比
对于很多大、中型系统来说，大多数软件都是为UNIX平台编写的，因此RTOS是否提供POSIX/UNIX
API就显得很重要。
QNX的开放性：
＊ QNX的POSIX兼容性和其提供的UNIX特色的编译器、调试器、X
Window和TCP/IP都是UNIX程序员所熟悉的。
＊ 支持多种CPU：AMD ElanSC300/310/400/410、Am386 DE/SE、Cyrix
MediaGX、x86处理器(386以上)、Pentium系列、STMicroelectronics 的STPC。
＊ 多种总线：CompactPCI、EISA、ISA 、MPE (RadiSys)、STD、STD
32、PC/104、PC/104－Plus、PCI、PCMCIA、VESA、VME。
＊ 各种外设：多种SCSI设备、IDE/EIDE驱动器、10M/100M以太网卡、Token
Ring网卡、FDDI接口卡、多种PCMCIA设备、闪存、声卡等等。
LynxOS的开放性：
＊ POSIX.1a、1b、1c及BSD4.4等兼容性，使得遵循POSIX
1003或用于UNIX的程序很容易移植到LynxOS上。
＊支持多种CPU主板：包括CompactPCI(6U/3U)和标准PCI、VME/Eurobus、PC/104和PC/AT硬件等。
＊各种外设适配器：10/100BaseT
Ethernet、SCSI接口、单／多通道串行控制器、单／双工并行口、时钟、计时器、IDE接口、高分辨率显示适配器等。
Linux的开放性：
＊ 用户可得到UNIX的全部开发工具。
＊ 可使用市场上便宜又常见的硬件。
通过分析，可以看到以上系统各有优势，因此，在平台搭造过程中，用户应根据自己的实际需要并结合性能价格比进行选择。