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�(shí)�(shí)操作系統(tǒng)
閱讀�20704�(shí)間:2011-03-20 22:36:50

  �(shí)�(shí)操作系統(tǒng),即RTOS,全稱Real-time operating system,適用于嵌入式設(shè)備和有實(shí)�(shí)性要求的系統(tǒng)中。實(shí)�(shí)系統(tǒng)能夠在指定或者確定的�(shí)間內(nèi)完成系統(tǒng)功能和外部或�(nèi)�、同步或異步�(shí)間做出響�(yīng)的系�(tǒng)。實(shí)�(shí)系統(tǒng)�(yīng)該在事先先定義的�(shí)間范圍內(nèi)�(shí)別和處理離散事件的能�;系�(tǒng)能夠處理和儲(chǔ)存控制系�(tǒng)所需要的大量�(shù)�(jù)�

概述

  �(shí)�(shí)操作系統(tǒng)是一段在嵌入式系�(tǒng)啟動(dòng)后首先執(zhí)行的背景程序,用戶的�(yīng)用程序是�(yùn)行于RTOS之上的各�(gè)任務(wù),RTOS根據(jù)各�(gè)任務(wù)的要求,�(jìn)行資�(包括存儲(chǔ)�、外�(shè)�)管理、消息管�、任�(wù)�(diào)�、異常處理等工作。在RTOS支持的系�(tǒng)�� 每�(gè)任務(wù)均有一�(gè)�(yōu)先級(jí),RTOS根據(jù)各�(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí),動(dòng)�(tài)地切換各�(gè)任務(wù),保證對(duì)�(shí)�(shí)性的要求�

  �(shí)�(shí)多任�(wù)操作系統(tǒng),以分時(shí)方式�(yùn)行多�(gè)任務(wù),看上去好象是多�(gè)任務(wù)“同�(shí)”運(yùn)行。任�(wù)之間的切換應(yīng)�(dāng)以優(yōu)先級(jí)為根�(jù),只有優(yōu)先服�(wù)方式的RTOS才是真正的實(shí)�(shí)操作系統(tǒng),時(shí)間分片方式和�(xié)作方式的RTOS并不是真正的“實(shí)�(shí)�。美�(guó)CMX公司的RTOS采用全優(yōu)先服�(wù)方式的任�(wù)�(diào)�,可以使中斷潛伏�(shí)間減到最�。其RTOS的主要功能模塊有�(diào)度和中斷處理(為了優(yōu)化用匯編編寫�,任�(wù)管理,事件管�,定�(shí)器管�,報(bào)文管�,循�(huán)�(duì)列管理,資源管理,固定存�(chǔ)塊管�,規(guī)范的UART管理,自�(dòng)掉電管理。這些也是�(biāo)�(zhǔn)的RTOS所�(yīng)具有的基本功�。RTOS也體�(xiàn)了一種新的系�(tǒng)�(shè)�(jì)思想和一�(gè)開放的軟件框�,工程師可以在不大量變動(dòng)系統(tǒng)其它任務(wù)的情況下增加或去掉一�(gè)任務(wù);一�(gè)�(xiàng)目開�(fā)的過程中,可以有多�(gè)工程師同�(shí)�(jìn)行系�(tǒng)的軟件開�(fā),各�(gè)人之間只要制訂好�(guī)程和�(xié)議即可,既縮短了開發(fā)�(shí)�,又降低了最終軟件產(chǎn)品對(duì)于具體某�(gè)開發(fā)者�(gè)人的依賴�。為RTOS�(shè)�(jì)的成熟和通用的任�(wù)可以以庫(kù)函數(shù)的形式供其它人繼�(xù)利用,和C�(yǔ)言的設(shè)�(jì)思想一致。因此可以說RTOS 是嵌入式軟件的編寫從“小生產(chǎn)方式”�(jìn)入“大 生產(chǎn)方式”的必然�(chǎn)��

  在RTOS基礎(chǔ)上可以很容易地實(shí)�(xiàn)各種通信�(xié)議庫(kù)函數(shù),CMX針對(duì)目前單片�(jī)�(wǎng)�(luò)系統(tǒng)中廣泛使用的CAN總線�(xié)議,開發(fā)了CAN總線�(xié)議接口庫(kù)函數(shù)。這些函數(shù)包括消息 接收,消息發(fā)�,初始化CAN控制器芯�,管理CAN控制器中斷,管理節(jié)�(diǎn)地址和CAN�(biāo)�(shí),管理用于CAN信息包的緩沖存儲(chǔ)區(qū),通知一�(gè)任務(wù)消息已經(jīng)收到等等�

  �(shí)�(shí)多任�(wù)操作系統(tǒng)一般以源代碼形式供�(yīng)用戶,作為Project源程序的一部分參加編譯和匯編,最終在用戶代碼中占有一部分。例如CMX的RTOS�80C51XA系統(tǒng)中采用大 模式編譯增加代碼�3310字節(jié),中斷潛伏時(shí)間在30M�(shí)鐘下�2.9微秒�

特點(diǎn)

  IEEE 的實(shí)�(shí)UNIX分委�(huì)�(rèn)為實(shí)�(shí)操作系統(tǒng)�(yīng)具備以下的幾�(diǎn):

  ●異步的事件響應(yīng)

  ●切換時(shí)間和中斷延遲�(shí)間確�

  ●優(yōu)先級(jí)中斷和調(diào)�

  ●搶占式�(diào)�

  ●內(nèi)存鎖�

  ●連續(xù)文件

  ●同�

種類及特�(diǎn)

  總的來說�(shí)�(shí)操作系統(tǒng)是事件驅(qū)�(dòng)�,能�(duì)來自外界的作用和信號(hào)在限定的�(shí)間范圍內(nèi)作出響應(yīng)。它�(qiáng)�(diào)的是�(shí)�(shí)�、可靠性和靈活�, 與實(shí)�(shí)�(yīng)用軟件相�(jié)合成為有�(jī)的整體起著核心作�, 由它來管理和�(xié)�(diào)各項(xiàng)工作,為應(yīng)用軟件提供良好的�(yùn)行軟件環(huán)境及開發(fā)�(huán)境�

  從實(shí)�(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用特�(diǎn)來看�(shí)�(shí)操作系統(tǒng)可以分為兩種:一般實(shí)�(shí)操作系統(tǒng)和嵌入式�(shí)�(shí)操作系統(tǒng)�

  1、一般實(shí)�(shí)操作系統(tǒng)�(yīng)用于�(shí)�(shí)處理系統(tǒng)的上位機(jī)和實(shí)�(shí)查詢系統(tǒng)等實(shí)�(shí)性較弱的�(shí)�(shí)系統(tǒng),并且提供了開發(fā)、調(diào)�、運(yùn)用一致的�(huán)��

  2、嵌入式�(shí)�(shí)操作系統(tǒng)�(yīng)用于�(shí)�(shí)性要求高的實(shí)�(shí)控制系統(tǒng),而且�(yīng)用程序的開發(fā)過程是通過交叉開發(fā)來完成的,即開發(fā)�(huán)境與�(yùn)行環(huán)境是不一��

  �(yōu)�(diǎn):嵌入式�(shí)�(shí)操作系統(tǒng)具有�(guī)模小(一般在幾K~幾十K �(nèi))、可固化使用�(shí)�(shí)性強(qiáng)(在毫秒或微秒�(shù)量級(jí)�)的特�(diǎn) 。在嵌入式實(shí)�(shí)操作系統(tǒng)�(huán)境下開發(fā)�(shí)�(shí)�(yīng)用程序使程序的設(shè)�(jì)和擴(kuò)展變得容�,不需要大的改�(dòng)就可以增加新的功�。通過將應(yīng)用程序分割成若干�(dú)立的任務(wù)模塊,使�(yīng)用程序的�(shè)�(jì)過程大為�(jiǎn)化;而且�(duì)�(shí)�(shí)性要求苛刻的事件都得到了快�、可靠的處理。通過有效的系�(tǒng)服務(wù),嵌入式�(shí)�(shí)操作系統(tǒng)使得系統(tǒng)資源得到更好的利用�

  缺點(diǎn):但�,使用嵌入式�(shí)�(shí)操作系統(tǒng)還需要額外的ROM/RAM開銷�2~5%的CPU額外�(fù)�,以及內(nèi)核的�(fèi)��

使用必要�

  嵌入式實(shí)�(shí)操作系統(tǒng)在目前的嵌入式應(yīng)用中用得越來越廣�,尤其在功能�(fù)雜、系�(tǒng)龐大的應(yīng)用中顯得愈來愈重�。在嵌入式應(yīng)用中,只有把CPU嵌入到系�(tǒng)中,同時(shí)又把操作系統(tǒng)嵌入�(jìn)�,才是真正的�(jì)算機(jī)嵌入式應(yīng)用。使用實(shí)�(shí)操作系統(tǒng)主要有以下幾�(gè)因素�

  ●嵌入式�(shí)�(shí)操作系統(tǒng)提高了系�(tǒng)的可靠��

  ●提高了開發(fā)效率,縮短了開發(fā)周期�

  ●嵌入式�(shí)�(shí)操作系統(tǒng)充分�(fā)揮了32位CPU的多任務(wù)潛力�

�(fā)展過�

  �(shí)�(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)的研究是從六十年代開始的。從系統(tǒng)�(jié)�(gòu)上看,RTOS到現(xiàn)在已�(jīng)歷了如下三�(gè)階段�

  1. 早期的實(shí)�(shí)操作系統(tǒng)

  早期的實(shí)�(shí)操作系統(tǒng),還不能稱為真正的RTOS,它只是小而簡(jiǎn)單的、帶有一定專� 性的軟件,功能較弱,可以�(rèn)為是一種實(shí)�(shí)�(jiān)控程�。它一般為用戶提供�(duì)系統(tǒng)的初始化管理以及�(jiǎn)單的�(shí)�(shí)�(shí)鐘管�,有的實(shí)�(shí)�(jiān)控程序也引入了任�(wù)�(diào)度及�(jiǎn)單的任務(wù)� �(xié)�(diào)等功�,屬于這類�(shí)�(shí)�(jiān)控程序的有RTMX�。這�(gè)�(shí)期,�(shí)�(shí)�(yīng)用較�(jiǎn)�,實(shí)�(shí)� 要求也不�。應(yīng)用程�、實(shí)�(shí)�(jiān)控程序和硬件�(yùn)行平�(tái)往往是緊密聯(lián)系在一起的�

  2. 專用�(shí)�(shí)操作系統(tǒng)

  隨著�(yīng)用的�(fā)�,早期的RTOS已越來越顯示出明顯的不足了。有些實(shí)�(shí)系統(tǒng)的開�(fā) 者為了滿足實(shí)�(shí)�(yīng)用的需�,自己研制與特定硬件相匹配的�(shí)�(shí)操作系統(tǒng)。這類專用�(shí)�(shí)操作系統(tǒng)在國(guó)外稱為Real-Time Operating System Developed in House。它是在早期 用戶為滿足自身開�(fā)需要而研制的,它一般只能適用于特定的硬件環(huán)�,且缺乏�(yán)格的�(píng)�(cè),移植性也不太�。屬于這類�(shí)�(shí)操作系統(tǒng)的有Intel公司的iMAX86��

  3. 通用�(shí)�(shí)操作系統(tǒng)

  在各種專用RTOS�,一些多任務(wù)的機(jī)制如基于�(yōu)先級(jí)的調(diào)�、實(shí)�(shí)�(shí)鐘管�、任�(wù)間的通信、同步互斥機(jī)�(gòu)等基本上是相同的,不同的只是面向各自的硬件環(huán)境與�(yīng)用目�(biāo) 。實(shí)際上,相同的多任�(wù)�(jī)制是能夠共享�,因而可以把這部分很好地組織起來,形成一 �(gè)通用的實(shí)�(shí)操作相同�(nèi)�。這類�(shí)�(shí)操作系統(tǒng)大多采用軟組件結(jié)�(gòu),以一�(gè)�(gè)軟件"�(biāo) �(zhǔn)組件"�(gòu)成通用的實(shí)�(shí)操作系統(tǒng),一方面,在RTOS�(nèi)核的層將不同的硬件特性屏蔽掉 ;另一方面,�(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境提供了�(biāo)�(zhǔn)的、可剪裁的系�(tǒng)服務(wù)軟組�。這使得用戶可 根據(jù)不同的實(shí)�(shí)�(yīng)用要求及硬件�(huán)境選擇不同的軟組�,也使得實(shí)�(shí)操作系統(tǒng)開發(fā)商在� �(fā)過程中減少了重復(fù)性工作�

  這類通用�(shí)�(shí)操作系統(tǒng),有Integrated System公司的Psos+、Intel公司的iRMX386� Ready System公司(后與Microtec Research合并)的VRTX32�。它們一般都提供了實(shí)�(shí) 性較好的�(nèi)核、多種任�(wù)通信�(jī)�、基于TCP/IP的網(wǎng)�(luò)組件、文件管理及I/O服務(wù), 提供 了集編輯、編譯、調(diào)�、仿真為一體的集成開發(fā)�(huán)�,支持用戶使用C、C++�(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)�

  �(shí)�(shí)操作系統(tǒng)�(jīng)過多年的�(fā)�,先后從實(shí)模式�(jìn)化到保護(hù)模式,從微�(nèi)核技�(shù)�(jìn)化到到超微內(nèi)核技�(shù),在系�(tǒng)�(guī)模上也從單處理器的RTOS�(fā)展到支持多處理器的RTOS和網(wǎng)�(luò)RTOS,在操作系�(tǒng)研究�(lǐng)域中形成了一�(gè)重要分支�

�(píng)�(jià)指標(biāo)

  RTOS是操作系�(tǒng)研究的一�(gè)重要分支,它與一般商用多任務(wù)OS如Unix、Windows、Multifinder等有共同的一�,也有不同的一靀對(duì)于商用多任務(wù)OS,其目的是方便用戶管理計(jì)算機(jī)資源,追求系�(tǒng)資源利用�;而RTOS追求的是�(shí)�(shí)性、可確定�、可靠性。評(píng)�(jià)一�(gè)�(shí)�(shí)操作系統(tǒng)一般可以從任務(wù)�(diào)�、內(nèi)存管�、任�(wù)通訊、內(nèi)存開�、任�(wù)切換�(shí)�、中斷禁止時(shí)間等幾�(gè)方面來衡量�

  1. 任務(wù)�(diào)度機(jī)�:

  RTOS的實(shí)�(shí)性和多任�(wù)能力在很大程度上取決于它的任�(wù)�(diào)度機(jī)�。從�(diào)度策略上來講,分優(yōu)先級(jí)�(diào)度策略和�(shí)間片輪轉(zhuǎn)�(diào)度策略;從調(diào)度方式上來講,分可搶占、不可搶�、選擇可搶占�(diào)度方�;從�(shí)間片來看,分固定與可變�(shí)間片輪轉(zhuǎn)�

  2. �(nèi)存管�: 分實(shí)模式與保�(hù)模式�

  3. 最小內(nèi)存開�:

  RTOS的設(shè)�(jì)過程�,最小內(nèi)存開銷是一�(gè)較重要的指標(biāo),這是�?yàn)樵诠I(yè)控制�(lǐng)域中的某些工控機(jī)(如上下位機(jī)控制系統(tǒng)中的下位�(jī)�,由于基于降低成本的考慮,其�(nèi)存的配置一般都不大,例如康�5000系列5185�,其基本�(nèi)存配置僅�256K SRAM�128K EPROM,而在這有限的空間�(nèi)不僅要裝載實(shí)�(shí)操作系統(tǒng),還要裝載用戶程�。因�,在RTOS的設(shè)�(jì)�,其占用�(nèi)存大小是一�(gè)很重要的指標(biāo),這是RTOS�(shè)�(jì)與其它操作系�(tǒng)�(shè)�(jì)的明顯區(qū)別之一�

  4. 中斷禁止�(shí)間:

  �(dāng)RTOS�(yùn)行在核態(tài)或執(zhí)行某些系�(tǒng)�(diào)用的�(shí)候,是不�(huì)�?yàn)橥獠恐袛嗟牡絹矶袛�?zhí)行的。只有當(dāng)RTOS重新回到用戶�(tài)�(shí)才響�(yīng)外部中斷�(qǐng)�,這一過程所需的時(shí)間就是中斷禁止時(shí)��

  5. 任務(wù)切換�(shí)間:

  �(dāng)由于某種原因使一�(gè)任務(wù)退出運(yùn)行時(shí),RTOS保存它的�(yùn)行現(xiàn)�(chǎng)信息、插入相�(yīng)�(duì)�、并依據(jù)一定的�(diào)度算法重新選擇一�(gè)任務(wù)使之投入�(yùn)�,這一過程所需�(shí)間稱為任�(wù)切換�(shí)��

  上述幾項(xiàng)�, 中斷禁止�(shí)間和任務(wù)切換�(shí)間是�(píng)�(jià)一�(gè)RTOS�(shí)�(shí)性最重要的兩�(gè)技�(shù)指標(biāo)�

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