當(dāng)今嵌入式系統(tǒng)中最重要的組件之一是“RTOS”或“實(shí)時操作系統(tǒng)”，它負(fù)責(zé)從調(diào)度任務(wù)到啟用C和Python等高級語言的所有內(nèi)容。

那么，是什么讓RTOS運(yùn)轉(zhuǎn)起來，為什么嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員應(yīng)該關(guān)心它？

實(shí)時操作系統(tǒng)與全球通用操作系統(tǒng)

要了解RTOS，讓我們退后一步，看看什么是“通用操作系統(tǒng)”（GPOS）。您可能已經(jīng)熟悉 GPOS，因?yàn)樗鼈兛梢栽谀刻焓褂玫脑O(shè)備上找到，例如智能手機(jī)和工作電腦（例如 Android、Windows 等）。

通用操作系統(tǒng)中的“通用”意味著操作系統(tǒng)必須滿足許多目標(biāo)，例如提供良好的最終用戶體驗(yàn)、支持不同類型的程序和硬件以及提供自定義選項(xiàng)等功能。

GPOS傾向于與處理器協(xié)同工作，其中每個內(nèi)核一次運(yùn)行一個執(zhí)行線程。在這里，操作系統(tǒng)的調(diào)度程序決定運(yùn)行哪個程序以及何時運(yùn)行，在每個程序之間快速切換。這導(dǎo)致了同時執(zhí)行的錯覺，并希望提供良好的整體用戶體驗(yàn)。除此之外，GPOS可以提供額外的功能，例如復(fù)雜的圖形用戶界面，復(fù)雜的文件I / O系統(tǒng)等。

另一方面，RTOS旨在提供可預(yù)測的執(zhí)行模式，當(dāng)處理必須符合有時限系統(tǒng)的時間限制（即，處理以特定頻率完成或整個系統(tǒng)將失敗）時，采用RTOS。因此，與GPOS相比，RTOS通常重量輕，體積小，并且通常僅提供在特定硬件上運(yùn)行某些類型的應(yīng)用程序所需的功能。在某些情況下，開發(fā)人員可以修改現(xiàn)有的RTOS，將其縮減為僅其特定應(yīng)用程序所需的功能，和/或自定義其功能或性能特征。

實(shí)時操作系統(tǒng)可分為：

軟：RTOS通常可以滿足有時間限制的最后期限;搶占期通常在幾毫秒內(nèi)。

固定：RTOS有一定的時間限制，這些限制并不嚴(yán)格，可能會導(dǎo)致不希望但可接受的效果。

困難：RTOS 可以確定性地滿足時序截止日期。硬RTOS通常更適合涉及關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用的用例，例如機(jī)器人和無人機(jī)中的應(yīng)用。硬RTOS的搶占期通常小于幾微秒。

與 GPOS 一樣，RTOS 提供您期望從操作系統(tǒng)獲得的部分或全部基本功能，例如線程同步、跨界通信（例如命名管道）、計(jì)時器、內(nèi)存管理等。但是，RTOS 努力以符合底層系統(tǒng)和目標(biāo)應(yīng)用程序的時間限制要求的方式提供此功能。

在允許RTOS滿足這些時間限制的眾多因素中，任務(wù)調(diào)度和中斷值得特別提及。

使用 GPOS，調(diào)度的處理方式通常可實(shí)現(xiàn)高吞吐量（即單位時間內(nèi)完成執(zhí)行的進(jìn)程總數(shù)）。但是，這可能意味著高優(yōu)先級進(jìn)程的執(zhí)行將被延遲，以便完成多個低優(yōu)先級任務(wù)。另一方面，衡量RTOS的價值取決于它的響應(yīng)速度或可預(yù)測性，而不是它在給定時間段內(nèi)可以執(zhí)行的工作量。

在實(shí)時操作系統(tǒng)中，調(diào)度通常是基于優(yōu)先級的。大多數(shù)RTOS使用基于優(yōu)先級的搶占式任務(wù)調(diào)度方法。在這里，高優(yōu)先級進(jìn)程將執(zhí)行在低優(yōu)先級進(jìn)程之上。使用 GPOS，延遲可能會隨著需要調(diào)度更多線程而累積。RTOS 沒有此類問題，因?yàn)樗羞M(jìn)程和線程的延遲都是有時間限制的。RTOS 還為您提供了一種確保共享系統(tǒng)資源免受并發(fā)訪問的方法。

RTOS 的內(nèi)核是可搶占的，而 GPOS 內(nèi)核不可搶占，這在首先為高優(yōu)先級進(jìn)程和線程提供服務(wù)時很重要。如果沒有搶占式內(nèi)核，來自內(nèi)核中的請求（例如來自驅(qū)動程序或系統(tǒng)服務(wù)的請求）將覆蓋所有其他進(jìn)程和線程。使用 RTOS，只有非常重要的服務(wù)請求保留在內(nèi)核調(diào)用中，所有其他服務(wù)請求被視為外部進(jìn)程和線程。基于內(nèi)核的服務(wù)請求與 RTOS 的有限延遲相關(guān)聯(lián)，以保持快速和可預(yù)測的響應(yīng)。

實(shí)時操作系統(tǒng)的今天

開發(fā)人員可以在他們的項(xiàng)目中使用幾種RTOS，包括商業(yè)（例如VxWorks，Red Hat Linux等）和開源產(chǎn)品（例如FreeRTOS，RTEMS等）。一些組織還擁有專門為其硬件產(chǎn)品開發(fā)的專有RTOS。

其中一個例子是Qualcomm Technologies的QuRT? RTOS，它用于Qualcomm? Snapdragon? 8系列移動平臺上的高通? Hexagon? DSP［1］，由于其豐富的功能集，可以作為討論RTOS的一個很好的例子。

例如，QuRT 提供多線程、互斥鎖、信號量、計(jì)時器、中斷處理、內(nèi)存管理等，并允許程序和線程在單獨(dú)的受保護(hù)地址空間中執(zhí)行，以提高系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。開發(fā)人員可以使用Hexagon DSP SDK編寫旨在利用C / C++和/或匯編中的QuRT的用戶程序，并使用QuRT API訪問RTOS服務(wù)。每個用戶程序都可以訪問全局堆，并包含一個主線程調(diào)用堆棧、數(shù)據(jù)和文本部分，以及分配其他堆和線程的能力。由于 QuRT 將用戶軟件線程映射到處理器的硬件線程上，因此程序員無需關(guān)注底層線程模型。QuRT 可以全局調(diào)度優(yōu)先級最高的可運(yùn)行軟件線程，并始終將中斷定向到優(yōu)先級最低的硬件線程。

QuRT 還管理軟件和硬件看門狗定時器，以檢測和重置系統(tǒng)故障。

有關(guān)更多信息，請參閱高通開發(fā)者網(wǎng)絡(luò) （QDN） 上的Hexagon DSP SDK 概述頁面。

結(jié)論

RTOS 是確保在嵌入式設(shè)備（如物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人和移動設(shè)備中使用的設(shè)備）上可預(yù)測和及時執(zhí)行的關(guān)鍵組件。因此，其目標(biāo)是為必須在特定時間范圍內(nèi)執(zhí)行的時間受限的應(yīng)用程序提供工具，同時最大限度地減少延遲，例如中斷和切換線程引起的延遲。

正如我們所看到的，有商業(yè)、開源和專有的RTOS可用于嵌入式系統(tǒng)。它們提供各種選項(xiàng)和功能，例如可定制性、跨平臺或?qū)I(yè)支持以及豐富的 SDK 支持。

審核編輯：郭婷