摘要為了理解RTOS如何通過系統(tǒng)調(diào)度策略實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性要求，本文介紹了搶占式調(diào)度、可搶占的內(nèi)核等概念。

關(guān)鍵詞操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能策略

中圖分類號(hào):TP3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

一個(gè)好的RTOS支持開發(fā)人員控制系統(tǒng)執(zhí)行任何任務(wù)或?qū)θ魏沃匾录龀龇磻?yīng)的時(shí)間，并且能夠以一種可以預(yù)測(cè)并且完全一致的形式滿足任務(wù)執(zhí)行的最終期限要求。但是，如果RTOS崩潰，這些最終期限就不能被滿足。因此，RTOS必須提供高度的可靠性。特別是它必須提供在不需要重啟的情況下，從軟件故障中快速并智能恢復(fù)的機(jī)制。

1 搶占式調(diào)度

在像Linux這樣的通用操作系統(tǒng)中，在對(duì)線程和進(jìn)程的CPU占用上采用了“公平”調(diào)度策略。這樣的策略能夠提供良好的整體表現(xiàn)，但是不能保證高優(yōu)先級(jí)、對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格的線程將優(yōu)先于低優(yōu)先級(jí)的線程執(zhí)行。事實(shí)上，操作系統(tǒng)有時(shí)甚至?xí)袛喔邇?yōu)先級(jí)的線程來為低優(yōu)先級(jí)線程提供CPU時(shí)間。其結(jié)果可能造成對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格的線程很容易地錯(cuò)過它們的最終期限，甚至在一個(gè)高速的高端處理器上運(yùn)行時(shí)也會(huì)出現(xiàn)這種情況。優(yōu)先級(jí)控制能夠使很多應(yīng)用受益，包括像前面提到的媒體播放器(MP3、WAV、MPEG2等格式)。媒體播放器需要實(shí)現(xiàn)正常播放所要求的速率(例如44kHz的音頻、30fps的視頻)。在這種限制之下，一個(gè)讀線程和一個(gè)顯示線程可以被設(shè)計(jì)成依靠一個(gè)可編程的定時(shí)器來喚醒，緩沖或顯示一幀后進(jìn)入睡眠狀態(tài)，直到下一個(gè)定時(shí)觸發(fā)。這提供了一種調(diào)整機(jī)制，支持高于正常用戶活動(dòng)而又低于關(guān)鍵系統(tǒng)功能的優(yōu)先級(jí)設(shè)置。換句話說，如果沒有更重要的任務(wù)準(zhǔn)備運(yùn)行，媒體播放將始終以給定的媒體速率執(zhí)行。

2 最壞情形

搶占式調(diào)度僅在高優(yōu)先級(jí)的線程在一個(gè)短的、有限時(shí)間段內(nèi)搶占低優(yōu)先級(jí)線程的情況下有效。否則，系統(tǒng)將不可能預(yù)測(cè)要花費(fèi)多長(zhǎng)時(shí)間來執(zhí)行一個(gè)給定的操作。因此，任何銷售進(jìn)程模式的RTOS的供應(yīng)商都必須提供針對(duì)下面兩種時(shí)間間隔提供最壞情形:線程切換時(shí)間，即當(dāng)兩個(gè)線程處于同一進(jìn)程的情況下，從執(zhí)行一個(gè)線程的最后一條指令到執(zhí)行下一個(gè)被調(diào)度線程的第一條指令所經(jīng)過的時(shí)間;前后關(guān)系切換(contextswitch)時(shí)間，其定義同上，但僅針對(duì)兩個(gè)線程處于不同進(jìn)程的情況。將所有的線程放在幾個(gè)大的進(jìn)程中將是錯(cuò)誤的，因?yàn)榫€程提供的切換速度更快。雖然線程能實(shí)現(xiàn)并行處理優(yōu)勢(shì)因而適合于某些設(shè)計(jì)，但將一個(gè)應(yīng)用分成多個(gè)內(nèi)存保護(hù)的進(jìn)程使得代碼更容易調(diào)試，提供

了更好的錯(cuò)誤隔離和恢復(fù)能力，并允許系統(tǒng)進(jìn)行新功能的動(dòng)態(tài)升級(jí)。

3 可搶占的內(nèi)核

在大部分通用操作系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)的內(nèi)核是不可搶占的。其結(jié)果是，一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程不可能搶占一個(gè)內(nèi)核調(diào)用，而是必須等待整個(gè)調(diào)用完成，即使這個(gè)調(diào)用是由系統(tǒng)中的低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程發(fā)起的。另外，當(dāng)經(jīng)常在內(nèi)核調(diào)用中執(zhí)行的驅(qū)動(dòng)程序或其它系統(tǒng)服務(wù)代表一個(gè)客戶線程執(zhí)行的時(shí)候，所有的優(yōu)先級(jí)信息常常會(huì)丟失，這導(dǎo)致了不可預(yù)測(cè)的延遲并阻止了關(guān)鍵活動(dòng)的準(zhǔn)時(shí)完成。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，操作系統(tǒng)內(nèi)核必須盡可能簡(jiǎn)潔，只有具有較短執(zhí)行路徑的服務(wù)才被包含在內(nèi)核中，任何需要大量工作(如進(jìn)程加載)的操作必須被安排到外部進(jìn)程或線程。這種方法有助于通過內(nèi)核確保最長(zhǎng)的不可搶占代碼路徑具有一個(gè)時(shí)間上限。

4 如何提高可靠性

我們已經(jīng)明白怎樣使RTOS具有可以預(yù)測(cè)性，但是如何實(shí)現(xiàn)其可靠性呢?答案在很大程度上取決于RTOS的架構(gòu)。采用微內(nèi)核(mricokernel)架構(gòu)來提供更精確的故障隔離，像QNXNeutrino這樣的操作系統(tǒng)都基于微內(nèi)核架構(gòu)。微內(nèi)核有兩個(gè)明確的特征:(1)在操作系統(tǒng)內(nèi)核中只實(shí)現(xiàn)了一個(gè)包含了基本OS服務(wù)的小內(nèi)核(如信號(hào)量、定時(shí)器、任務(wù)調(diào)度等)。包括驅(qū)動(dòng)程序、文件系統(tǒng)、協(xié)議棧和用戶應(yīng)用程序在內(nèi)的所有其它的組件在內(nèi)核外部分離的、保護(hù)內(nèi)存的進(jìn)程中運(yùn)行。有問題的系統(tǒng)服務(wù)不再作為孤立的故障點(diǎn)，而是在它破壞其它服務(wù)或操作系統(tǒng)內(nèi)核之前被終止并重啟。(2)所有的組件能夠通過消息傳遞進(jìn)行通信，一個(gè)定義良好的通信機(jī)制保障了程序在保持彼此安全隔離的前提下進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。適當(dāng)實(shí)現(xiàn)的消息傳遞也可以作為一個(gè)虛擬的“軟件總線”，允許幾乎任何的軟件組件，甚至是一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序被動(dòng)態(tài)地加入或替換，對(duì)于必須提供連續(xù)服務(wù)的系統(tǒng)而言這是一項(xiàng)關(guān)鍵要求。

和傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)架構(gòu)相比，微內(nèi)核支持嵌入式設(shè)備贏得明顯更快的平均修復(fù)時(shí)間(MTTR)。例如，如果一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序失敗將可能出現(xiàn)以下情況:操作系統(tǒng)可以終止該驅(qū)動(dòng)程序，回收其正在使用的資源，并對(duì)其進(jìn)行重新啟動(dòng)，這個(gè)過程通常這只需要幾個(gè)毫秒時(shí)間。盡管和傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)相比，基于消息傳遞的微內(nèi)核RTOS通常提供了更好的容錯(cuò)性和動(dòng)態(tài)升級(jí)能力，也有一些觀點(diǎn)認(rèn)為消息傳遞增加了開銷。在實(shí)際應(yīng)用中，如果實(shí)現(xiàn)正確，消息傳遞的性能可以接近底層硬件的內(nèi)存帶寬。例如，一個(gè)微內(nèi)核RTOS可以采用多段式(multipart)消息和線程到線程的消息數(shù)據(jù)直接拷貝等各種技術(shù)，來確保系統(tǒng)性能可以達(dá)到傳統(tǒng)的進(jìn)程間通信(IPC)方法的水平。由一些組織如DedicatedSystems等進(jìn)行的獨(dú)立測(cè)試證實(shí)，和傳統(tǒng)的RTOS相比，微內(nèi)核RTOS在一系列的實(shí)時(shí)指標(biāo)方面表現(xiàn)良好，在很多情況下甚至有更好的表現(xiàn)。