摘要為了理解RTOS如何通過系統(tǒng)調(diào)度策略實現(xiàn)實時性要求，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)實時性能策略

中圖分類號:TP3文獻標(biāo)識碼:A

一個好的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)的時間，并且能夠以一種可以預(yù)測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)的機制。

1 搶占式調(diào)度

在像Linux這樣的通用操作系統(tǒng)中，在對線程和進程的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、對時間要求嚴(yán)格的線程將優(yōu)先于低優(yōu)先級的線程執(zhí)行。事實上，操作系統(tǒng)有時甚至?xí)袛喔邇?yōu)先級的線程來為低優(yōu)先級線程提供CPU時間。其結(jié)果可能造成對時間要求嚴(yán)格的線程很容易地錯過它們的最終期限，甚至在一個高速的高端處理器上運行時也會出現(xiàn)這種情況。優(yōu)先級控制能夠使很多應(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，一個讀線程和一個顯示線程可以被設(shè)計成依靠一個可編程的定時器來喚醒，緩沖或顯示一幀后進入睡眠狀態(tài)，直到下一個定時觸發(fā)。這提供了一種調(diào)整機制，支持高于正常用戶活動而又低于關(guān)鍵系統(tǒng)功能的優(yōu)先級設(shè)置。換句話說，如果沒有更重要的任務(wù)準(zhǔn)備運行，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)先級的線程在一個短的、有限時間段內(nèi)搶占低優(yōu)先級線程的情況下有效。否則，系統(tǒng)將不可能預(yù)測要花費多長時間來執(zhí)行一個給定的操作。因此，任何銷售進程模式的RTOS的供應(yīng)商都必須提供針對下面兩種時間間隔提供最壞情形:線程切換時間，即當(dāng)兩個線程處于同一進程的情況下，從執(zhí)行一個線程的最后一條指令到執(zhí)行下一個被調(diào)度線程的第一條指令所經(jīng)過的時間;前后關(guān)系切換(contextswitch)時間，其定義同上，但僅針對兩個線程處于不同進程的情況。將所有的線程放在幾個大的進程中將是錯誤的，因為線程提供的切換速度更快。雖然線程能實現(xiàn)并行處理優(yōu)勢因而適合于某些設(shè)計，但將一個應(yīng)用分成多個內(nèi)存保護的進程使得代碼更容易調(diào)試，提供

了更好的錯誤隔離和恢復(fù)能力，并允許系統(tǒng)進行新功能的動態(tài)升級。

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，一個高優(yōu)先級的進程不可能搶占一個內(nèi)核調(diào)用，而是必須等待整個調(diào)用完成，即使這個調(diào)用是由系統(tǒng)中的低優(yōu)先級進程發(fā)起的。另外，當(dāng)經(jīng)常在內(nèi)核調(diào)用中執(zhí)行的驅(qū)動程序或其它系統(tǒng)服務(wù)代表一個客戶線程執(zhí)行的時候，所有的優(yōu)先級信息常常會丟失，這導(dǎo)致了不可預(yù)測的延遲并阻止了關(guān)鍵活動的準(zhǔn)時完成。為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，操作系統(tǒng)內(nèi)核必須盡可能簡潔，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(如進程加載)的操作必須被安排到外部進程或線程。這種方法有助于通過內(nèi)核確保最長的不可搶占代碼路徑具有一個時間上限。

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)測性，但是如何實現(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)核有兩個明確的特征:(1)在操作系統(tǒng)內(nèi)核中只實現(xiàn)了一個包含了基本OS服務(wù)的小內(nèi)核(如信號量、定時器、任務(wù)調(diào)度等)。包括驅(qū)動程序、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、保護內(nèi)存的進程中運行。有問題的系統(tǒng)服務(wù)不再作為孤立的故障點，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行通信，一個定義良好的通信機制保障了程序在保持彼此安全隔離的前提下進行數(shù)據(jù)交換。適當(dāng)實現(xiàn)的消息傳遞也可以作為一個虛擬的“軟件總線”，允許幾乎任何的軟件組件，甚至是一個設(shè)備驅(qū)動程序被動態(tài)地加入或替換，對于必須提供連續(xù)服務(wù)的系統(tǒng)而言這是一項關(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)時間(MTTR)。例如，如果一個設(shè)備驅(qū)動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)動程序，回收其正在使用的資源，并對其進行重新啟動，這個過程通常這只需要幾個毫秒時間。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性和動態(tài)升級能力，也有一些觀點認(rèn)為消息傳遞增加了開銷。在實際應(yīng)用中，如果實現(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)性能可以達到傳統(tǒng)的進程間通信(IPC)方法的水平。由一些組織如DedicatedSystems等進行的獨立測試證實，和傳統(tǒng)的RTOS相比，微內(nèi)核RTOS在一系列的實時指標(biāo)方面表現(xiàn)良好，在很多情況下甚至有更好的表現(xiàn)。