Linux嵌入式实时操作系统开发与设计（四）

2.3 当前的实时操作系统<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

在这一节我们来看看一些操作系统的设计者是怎样来处理前一节所提到的问题的。

最简单的解决方案是改变分时的调度程序。一个例子是文献[12]介绍的系统。MINIX的round-robin调度器换为基于优先级的调度器。由于在MINIX中不使用页面调度和页面交换技术，假如对时间的响应不过分要求的话，这种方法是可以接受的。

一些在UNIX系统中采用POSIX.1b-1993实时标准规定的方式。这个标准规定了优先级调度，锁定用户程序页面，实时信号，改进的IPC和计时器，和别的一些特性。依从这些标准使UNIX更适合实时应用。

Linux是部分支持POSIX.1b标准的操作系统[12]。从1997年5月1日起，在Linux中完全实现了适合用于控制的调度器和内存锁定技术，定时器也部分实现。内核的不可占先，低的定时精度，和高的中断延迟仍然没有解决。因此，POSIX.1b兼容的Linux操作系统只适合一些软实时的处理。

别的满足POSIX.1b的操作系统是QNX[26]。QNX操作系统是微内核的操作系统。内核只是实现4种服务：进程调度，进程间通信，低级的网络通信，和中断分派。别的一些服务，比如说设备驱动程序和文件系统，实现为与用户进程协同操作的方式。这样系统内核非常小（大约7KB左右）而且非常快的。

QNX兼容POSIX 1003.1标准（编程接口）和POSIX 1003.2标准（外壳和应用程序）。对于熟悉UNIX的开发者来说，是非常方便的。QNX提供标准的UNIX部件：编译器，调试器，X-Windows，和TCP/IP。

微内核的设计比起传统的单块结构的设计有很多优势。调试用户程序比起调试内核模块更为简单。假如用户进程运行在单独的地址空间（像QNX那样），内存管理错误在不同模块是相互隔离的。驱动程序可以更获得多线程的好处。另外有良好的裁剪性。比如，QNX可以减少到100KB以下以适合ROM的大小，或者扩展到全功能的多机开发环境。移植和维护微内核的系统也更简单。缺点是微内核比起单块结构的内核来说不那么紧凑。

对于实时处理的微内核它提供了轻量级进程，快的上下文切换，和IPC。一个实时的用户进程可以中断设备驱动程序，在单块结构的内核是不可能的。由于微内核操作系统是非常小的，可以方便的计算最坏情况下的计时参数，比如中断延迟时间。

大多数的微内核操作系统的弱点是它的性能要差。微内核结构的操作系统在进程间通信和上下文交换有比较重的系统开销。微内核操作系统只提供简单的系统服务。因此，与单块结构的操作系统相比，完成相同的任务微内核操作系统要进行更多的系统调用。虽然一些研究者认为上下文切换，消息传递等可以高效地实现[2]，就性能而言，单块结构的操作系统仍然更成功。

一个单块结构的操作系统的例子是VxWorks[27]。VxWorks是专有的实时操作系统，采用主机/目标机方式。一个UNIX主机用来软件的开发和运行程序的非实时部分。一个叫wind的VxWorks内核在目标机上运行实时任务。机器间的通信使用TCP/IP网络连接。

虽然VxWorks不兼容UNIX系统，它提供了一些符合POSIX接口规范的函数，特别是POSIX.1b实时扩展部分。大多数的VxWorks API是专有的。

在VxWorks中，内核和任务运行在同一个地址空间。这样，任务间的切换非常快，和省去了必要的系统调用开销。一个实时连接器允许动态的装载任务和系统模块。这些特性使系统具有好的伸缩性。一个交互式的类似C语法的shell用来检查和改变参数值，计算表达式，调用函数，和进行简单的调试。这个特性使得开发更为简单方便。内核和任务运行在同一个地址空间也使得系统更脆弱，一个模块的错误更容易影响到别的模块。

REAL/IX操作系统也是单块结构。这是一个有完全UNIX特性的操作系统，原自于UNIX System V，改造使它拥有实时处理能力。它的内核是完全可占先的。它通过内核信号量来实现，提供互斥方式访问系统资源，比起传统的sleep/wakeup函数和关中断来说，这种方式更优秀。使用信号量代替关中断降低了中断延迟时间，也使的移植到多处理器系统更为容易。

REAL/IX是POSIX.1003兼容的操作系统。这个特性使得移植UNIX应用程序更为容易。除实时调度以外，实时能力还包括预先分配内存和文件空间，同步与非同步I/O，增强的IPC和计时器，可连接的中断。最后的特性允许用户进程处理中断。

现在有一个趋向于使用Windows NT来支持实时处理。只要原因是兼容先前的Windows，因此，可以使用先前的应用程序。也是指望用一个操作系统来做任何事情：办公应用，服务，和实时控制。用一个操作系统可以减少人员培训的开销。程序员可以用到广泛的Win32 API。Microsoft对市场的垄断也是一个原因。

像文献[25]指出的那样，Windows NT的内核并不适合硬实时的处理：Win32 API不是设计用来实时应用的，中断处理的方式可能引起一个不确定的延迟，而且对于嵌入式系统来说，Windows NT对内存的要求也是一个问题。

Microsoft为了处理上面提到的一些问题。开发了Windows CE嵌入式实时操作系统，Windows CE内核支持按优先级抢占的方式调度多任务。Windows CE可以固化到ROM中，从ROM起动，使用时对内存RAM要求不高。Windows CE将中断分为两个步骤：第一步是执行中断服务子程序ISR(interrupt service routine)；第二步为中断服务线程IST(interrupt service thread)。内核使中断处理程序执行尽可能短，大部分处理放在IST中，可以把最高优先级安排给中断服务线程，以保证IST尽快运行而不会被占先。其与Win32 API兼容的编程接口方便熟悉Windows的程序员开发和移植Windows应用。