嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的定義
實(shí)時(shí)系統(tǒng)（Real-time operating system,RTOS）的正確性不僅依耐系統(tǒng)計(jì)算的邏輯結(jié)果，還依賴于產(chǎn)生這個(gè)結(jié)果的時(shí)間。實(shí)時(shí)系統(tǒng)能夠在指定或者確定的時(shí)間內(nèi)完成系統(tǒng)功能和外部或內(nèi)部、同步或異步時(shí)間做出響應(yīng)的系統(tǒng)。因此實(shí)時(shí)系統(tǒng)應(yīng)該在事先先定義的時(shí)間范圍內(nèi)識(shí)別和處理離散事件的能力；系統(tǒng)能夠處理和儲(chǔ)存控制系統(tǒng)所需要的大量數(shù)據(jù)。
什么是RTOS
1.RTOS是一個(gè)內(nèi)核
典型的單片機(jī)程序在程序指針復(fù)位后，首先進(jìn)行堆棧、中斷、中斷向量、定時(shí)器、串行口等接口設(shè)置、初始化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)和顯示內(nèi)容，然后就來到了一個(gè)監(jiān)測、等待或空循環(huán)，在這個(gè)循環(huán)中，CPU可以監(jiān)視外設(shè)、響應(yīng)中斷或用戶輸入。
這段主程序可以看作是一個(gè)內(nèi)核，內(nèi)核負(fù)責(zé)系統(tǒng)的初始化和開放、調(diào)度其它任務(wù)，相當(dāng)于C語言中的主函數(shù)。
RTOS就是這樣的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核，包括了各種片上外設(shè)初始化和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的格式化，不必、也不推薦用戶再對硬件設(shè)備和資源進(jìn)行直接操作，所有的硬件設(shè)置和資源訪問都要通過RTOS核心。硬件這樣屏蔽起來以后，用戶不必清楚硬件系統(tǒng)的每一個(gè)細(xì)節(jié)就可以進(jìn)行開發(fā)，這樣就減少了開發(fā)前的學(xué)習(xí)量。
一般來說，對硬件的直接訪問越少，系統(tǒng)的可靠性越高。RTOS是一個(gè)經(jīng)過測試的內(nèi)核，與一般用戶自行編寫的主程序內(nèi)核相比，更規(guī)范，效率和可靠性更高。對于一個(gè)精通單片機(jī)硬件系統(tǒng)和編程的“老手”而言，通過RTOS對系統(tǒng)進(jìn)行管理可能不如直接訪問更直觀、自由度大，但是通過RTOS管理能夠排除人為疏忽因素，提高軟件可靠性。
另外，高效率地進(jìn)行多任務(wù)支持是RTOS設(shè)計(jì)從始至終的一條主線，采用RTOS管理系統(tǒng)可以統(tǒng)一協(xié)調(diào)各個(gè)任務(wù)，優(yōu)化CPU時(shí)間和系統(tǒng)資源的分配，使之不空閑、不擁塞。針對某種具體應(yīng)用，精細(xì)推敲的應(yīng)用程序不采用RTOS可能比采用RTOS能達(dá)到更高的效率；但是對于大多數(shù)一般用戶和新手而言，采用RTOS是可以提高資源利用率的，尤其是在片上資源不斷增長、產(chǎn)品可靠性和進(jìn)入市場時(shí)間更重要的今天。
2.RTOS是一個(gè)平臺(tái)
RTOS建立在單片機(jī)硬件系統(tǒng)之上，用戶的一切開發(fā)工作都進(jìn)行于其上，因此它可以稱作是一個(gè)平臺(tái)。采用RTOS的用戶不必花大量時(shí)間學(xué)習(xí)硬件，和直接開發(fā)相比起點(diǎn)更高。
RTOS還是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的平臺(tái)，它定義了每個(gè)應(yīng)用任務(wù)和內(nèi)核的接口，也促進(jìn)了應(yīng)用程序的標(biāo)準(zhǔn)化。應(yīng)用程序標(biāo)準(zhǔn)化后便于軟件的存檔、交流、修改和擴(kuò)展，為嵌入式軟件開發(fā)的工程化創(chuàng)造了條件、減少開發(fā)管理工作量。嵌入式軟件標(biāo)準(zhǔn)化推廣到社會(huì)后，可以促進(jìn)軟件開發(fā)的分工，減少重復(fù)勞動(dòng)，近來出現(xiàn)的建立于RTOS上的文件和通信協(xié)議庫函數(shù)產(chǎn)品等就是實(shí)例。
RTOS對于開發(fā)單位和開發(fā)者個(gè)人來說也是一種提高。引入RTOS的開發(fā)單位，相當(dāng)于引入了一套行業(yè)中廣泛采用的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，使開發(fā)管理更簡易、有效?；赗TOS和C語言的開發(fā)，具有良好的可繼承性，在應(yīng)用程序、處理器升級(jí)以及更換處理器類型時(shí)，現(xiàn)存的軟件大部分可以不經(jīng)修改地移植過來。
對于開發(fā)人員來說，則相當(dāng)于在程序設(shè)計(jì)中采用一種標(biāo)準(zhǔn)化的思維方式，提高知識(shí)創(chuàng)造的效率；同時(shí)因?yàn)榫哂蓄愃频乃悸?，可以更快地理解同行其它人員的創(chuàng)造成果
嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特點(diǎn)
一、時(shí)間約束性
實(shí)時(shí)系統(tǒng)的任務(wù)具有一定的時(shí)間約束（截止時(shí)間）。根據(jù)截止時(shí)間，實(shí)時(shí)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性分為“硬實(shí)時(shí)”和“軟實(shí)時(shí)”。硬實(shí)時(shí)是指應(yīng)用的時(shí)間需求能夠得到完全滿足，否則就造成重大安全事故，甚至造成重大的生命財(cái)產(chǎn)損失和生態(tài)破壞，如在航空航天、軍事、核工業(yè)等一些關(guān)鍵領(lǐng)域中的應(yīng)用。軟實(shí)時(shí)是指某些應(yīng)用雖然提出時(shí)間需求，但實(shí)時(shí)任務(wù)偶爾違反這種需求對系統(tǒng)運(yùn)行及環(huán)境不會(huì)造成嚴(yán)重影響，如監(jiān)控系統(tǒng)等和信息采集系統(tǒng)等。
二、可預(yù)測性
可預(yù)測性是指系統(tǒng)能夠?qū)?shí)時(shí)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行判斷，確定是否能夠滿足任務(wù)的時(shí)限要求。由于實(shí)時(shí)系統(tǒng)對時(shí)間約束要求的嚴(yán)格性，使可預(yù)測性稱為實(shí)時(shí)系統(tǒng)的一項(xiàng)重要性能要求。除了要求硬件延遲的可預(yù)測性以外，還要求軟件系統(tǒng)的可預(yù)測性，包括應(yīng)用程序的響應(yīng)時(shí)間是可預(yù)測的，即在有限的時(shí)間內(nèi)完成必須的工作；以及操作系統(tǒng)的可預(yù)測性，即實(shí)時(shí)原語、調(diào)度函數(shù)等運(yùn)行開銷應(yīng)是有界的，以保證應(yīng)用程序執(zhí)行時(shí)間的有界性。
三、可靠性
大多數(shù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)要求有較高的可靠性。在一些重要的實(shí)時(shí)應(yīng)用中，任何不可靠因素和計(jì)算機(jī)的一個(gè)微小故障，或某些特定強(qiáng)實(shí)時(shí)任務(wù)（又叫關(guān)鍵任務(wù)）超過時(shí)限，都可能引起難以預(yù)測的嚴(yán)重后果。為此，系統(tǒng)需要采用靜態(tài)分析和保留資源的方法及冗余配置，使系統(tǒng)在最壞情況下都能正常工作或避免損失?？煽啃砸殉蔀楹饬繉?shí)時(shí)系統(tǒng)性能不可缺少的重要指標(biāo)。
四、與外部環(huán)境的交互作用性
實(shí)時(shí)系統(tǒng)通常運(yùn)行在一定的環(huán)境下，外部環(huán)境是實(shí)時(shí)系統(tǒng)不可缺少的一個(gè)組成部分。計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)一般是控制系統(tǒng)，它必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)對外部請求做出反應(yīng)。外部物理環(huán)境往往是被控子系統(tǒng)，兩者互相作用構(gòu)成完整的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。大多數(shù)控制子系統(tǒng)必須連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)以保證子系統(tǒng)的正常工作或準(zhǔn)備對任何異常行為采取行動(dòng)。
早期的實(shí)時(shí)系統(tǒng)功能簡單，包括單板機(jī)、單片機(jī)，以及簡單的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)等，其調(diào)度過程相對簡單。隨著實(shí)時(shí)系統(tǒng)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，系統(tǒng)復(fù)雜性不斷提高，實(shí)時(shí)系統(tǒng)具有以下新特點(diǎn)。
1、多任務(wù)類型
在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，不但包括周期任務(wù)、偶發(fā)任務(wù)、非周期任務(wù)，還包括非實(shí)時(shí)任務(wù)。實(shí)時(shí)任務(wù)要求要滿足時(shí)限，而非實(shí)時(shí)任務(wù)要求要使其響應(yīng)時(shí)間盡可能的短。多種類型任務(wù)的混合，使系統(tǒng)的可調(diào)度性分析更加困難。
2、約束的復(fù)雜性
任務(wù)的約束包括時(shí)間約束、資源約束、執(zhí)行順序約束和性能約束。時(shí)間約束是任何實(shí)時(shí)系統(tǒng)都固有的約束。資源約束是指多個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)共享有限的資源時(shí)，必須按照一定的資源訪問控制協(xié)議進(jìn)行同步，以避免死鎖和高優(yōu)先級(jí)任務(wù)被低優(yōu)先級(jí)任務(wù)堵塞的時(shí)間（即優(yōu)先級(jí)倒置時(shí)間）不可預(yù)測。執(zhí)行順序約束是指各任務(wù)的啟動(dòng)和執(zhí)行必須滿足一定的時(shí)間和順序約束。例如，在分布式端到端（end-to-end）實(shí)時(shí)系統(tǒng)很重，同一任務(wù)的各子任務(wù)之間存在前驅(qū)/后驅(qū)約束關(guān)系，需要執(zhí)行同步協(xié)議來管理子任務(wù)的啟動(dòng)和控制子任務(wù)的執(zhí)行，使它們滿足時(shí)間約束和系統(tǒng)可調(diào)度要求。性能約束是指必須滿足如可靠性、可用性、可預(yù)測性、服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service,QoS）等性能指標(biāo)。
3、具有短暫超載的特點(diǎn)
在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，即使一個(gè)功能設(shè)計(jì)合理、資源充足的系統(tǒng)也可能由于一下原因超載：
1）系統(tǒng)元件出現(xiàn)老化，外圍設(shè)備錯(cuò)誤或系統(tǒng)發(fā)生故障。隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的增長，系統(tǒng)元件出現(xiàn)老化，系統(tǒng)部件可能發(fā)生故障，導(dǎo)致系統(tǒng)可用資源降低，不能滿足實(shí)時(shí)任務(wù)的時(shí)間約束要求。
2）環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化。由于不能對未來的環(huán)境、系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行正確有效地預(yù)測，因此不能從整體角度上對任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，可能導(dǎo)致系統(tǒng)超載。
3）應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大。原先滿足實(shí)時(shí)任務(wù)時(shí)限要求的系統(tǒng)，隨著應(yīng)用規(guī)模的增大，可能出現(xiàn)不能滿足任務(wù)時(shí)限要求的情況，而重新設(shè)計(jì)、重建系統(tǒng)在時(shí)間和經(jīng)濟(jì)上又不允許。
嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的分類
實(shí)時(shí)系統(tǒng)主要分為以下兩類。
強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)（Hard Real-Time）：在航空航天、軍事、核工業(yè)等一些關(guān)鍵領(lǐng)域中，應(yīng)用時(shí)間需求應(yīng)能夠得到完全滿足，否則就造成如飛機(jī)失事等重大地安全事故，造成重大地生命財(cái)產(chǎn)損失和生態(tài)破壞。因此，在這類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程中，應(yīng)采用各種分析、模擬及形式化驗(yàn)證方法對系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)，以保證在各種情況下應(yīng)用的時(shí)間需求和功能需求都能夠得到滿足。
弱實(shí)時(shí)系統(tǒng)（Soft Real-Time）：某些應(yīng)用雖然提出了時(shí)間需求，但實(shí)時(shí)任務(wù)偶爾違反這種需求對系統(tǒng)的運(yùn)行以及環(huán)境不會(huì)造成嚴(yán)重影響，如視頻點(diǎn)播（Video-On-Demand，VOD）系統(tǒng)、信息采集與檢索系統(tǒng)就是典型的弱實(shí)時(shí)系統(tǒng)。在VOD系統(tǒng)中，系統(tǒng)只需保證絕大多數(shù)情況下視頻數(shù)據(jù)能夠及時(shí)傳輸給用戶即可，偶爾的數(shù)據(jù)傳輸延遲對用戶不會(huì)造成很大影響，也不會(huì)造成像飛機(jī)失事一樣嚴(yán)重的后果。
嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的調(diào)度
為了精確管理“時(shí)間”資源，已達(dá)到實(shí)時(shí)性和與預(yù)測性要求，并能夠滿足是實(shí)時(shí)系統(tǒng)的新要求，需用實(shí)時(shí)調(diào)度理論對任務(wù)進(jìn)行調(diào)度和可調(diào)度性分析。任務(wù)調(diào)度技術(shù)包括調(diào)度策略和可調(diào)度性分析方法，兩者是緊密結(jié)合的。任務(wù)調(diào)度技術(shù)研究的范圍包括任務(wù)使用系統(tǒng)資源（包括處理機(jī)、內(nèi)存、I/O、網(wǎng)絡(luò)等資源）的策略和機(jī)制，以及提供判斷系統(tǒng)性能是否可預(yù)測的方法和手段。例如，什么時(shí)候調(diào)度任務(wù)運(yùn)行、在哪運(yùn)行（當(dāng)系統(tǒng)為多處理機(jī)系統(tǒng)或分布式系統(tǒng)時(shí)）、運(yùn)行多長時(shí)間等等；以及判斷分析用一定參數(shù)描述的實(shí)時(shí)任務(wù)能否被系統(tǒng)正確調(diào)度。
給定一組實(shí)時(shí)任務(wù)和系統(tǒng)資源，確定每個(gè)任務(wù)何時(shí)何地執(zhí)行的整個(gè)過程就是調(diào)度。在非實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，調(diào)度的主要目的是縮短系統(tǒng)平均響應(yīng)時(shí)間，提高系統(tǒng)資源利用率，或優(yōu)化某一項(xiàng)指標(biāo)；而實(shí)時(shí)系統(tǒng)中調(diào)度的目的則是要盡可能地保證每個(gè)任務(wù)滿足他們的時(shí)間約束，及時(shí)對外部請求做出響應(yīng)。實(shí)時(shí)調(diào)度技術(shù)通常有多種劃分方法，常用以下兩種。
搶占式調(diào)度和非搶占式調(diào)度
1）搶占式調(diào)度通常是優(yōu)先級(jí)驅(qū)動(dòng)的調(diào)度。每個(gè)任務(wù)都有優(yōu)先級(jí)，任何時(shí)候具有最高優(yōu)先級(jí)且已啟動(dòng)的任務(wù)先執(zhí)行。一個(gè)正在執(zhí)行的任務(wù)放棄處理器的條件為：自愿放棄處理器（等待資源或執(zhí)行完畢）；有高優(yōu)先級(jí)任務(wù)啟動(dòng)，該高優(yōu)先級(jí)任務(wù)將搶占其執(zhí)行。除了共享資源的臨界段之外，高優(yōu)先級(jí)任務(wù)一旦準(zhǔn)備就緒，可在任何時(shí)候搶占低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的執(zhí)行。搶占式調(diào)度的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性好、反應(yīng)快，調(diào)度算法相對簡單，可優(yōu)先保證高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的時(shí)間約束，其缺點(diǎn)是上下文切換多。而非搶占式調(diào)度是指不允許任務(wù)在執(zhí)行期間被中斷，任務(wù)一旦占用處理器就必須執(zhí)行完畢或自愿放棄。其優(yōu)點(diǎn)是上下文切換少；缺點(diǎn)是在一般情況下，處理器有效資源利用率低，可調(diào)度性不好。
靜態(tài)表驅(qū)動(dòng)策略和優(yōu)先級(jí)驅(qū)動(dòng)策略
2）靜態(tài)表驅(qū)動(dòng)策略（Static Table-Driven Scheduling）是一中離線調(diào)度策略，指在系統(tǒng)運(yùn)行前根據(jù)各任務(wù)的時(shí)間約束及關(guān)聯(lián)關(guān)系，采用某種 搜索策略生成一張運(yùn)行時(shí)刻表。這張運(yùn)行時(shí)刻表與列車運(yùn)行時(shí)刻表類似，指明了各任務(wù)的起始運(yùn)行時(shí)刻及運(yùn)行時(shí)間。運(yùn)行時(shí)刻表一旦生成就不再發(fā)生變化了。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，調(diào)度器只需根據(jù)這張時(shí)刻表啟動(dòng)相應(yīng)的任務(wù)即可。由于所有調(diào)度策略在離線情況下指定，因此調(diào)度器的功能被弱化，只具有分派器（Dispatcher）的功能。
優(yōu)先級(jí)驅(qū)動(dòng)策略指按照任務(wù)優(yōu)先級(jí)的高低確定任務(wù)的高低確定任務(wù)的執(zhí)行順序。優(yōu)先級(jí)驅(qū)動(dòng)策略又分為靜態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度策略。靜態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度是指任務(wù)的優(yōu)先級(jí)分配好之后，在任務(wù)的運(yùn)行過程中，優(yōu)先級(jí)不會(huì)發(fā)生改變。靜態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度又稱為固態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度。動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度是指任務(wù)的優(yōu)先級(jí)可以隨著時(shí)間或系統(tǒng)狀態(tài)的變化而發(fā)生變化。
嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的產(chǎn)生并得到迅速發(fā)展的原因
單片機(jī)處理器能力的提高和應(yīng)用程序功能的復(fù)雜化、精確化，迫使應(yīng)用程序劃分為多個(gè)重要性不同的任務(wù)，在各任務(wù)間優(yōu)化地分配CPU時(shí)間和系統(tǒng)資源，同時(shí)還要保證實(shí)時(shí)性?？坑脩糇约壕帉懸粋€(gè)實(shí)現(xiàn)上述功能的內(nèi)核一般是不現(xiàn)實(shí)的，而這種需求又是普遍的。在這種形勢之下，由專業(yè)人員編寫的、滿足大多數(shù)用戶需要的高性能RTOS內(nèi)核就是一種必然結(jié)果了。
對程序?qū)崟r(shí)性和可靠性要求的提高也是RTOS發(fā)展的一個(gè)原因。此外，單片機(jī)系統(tǒng)軟件開發(fā)日趨工程化，產(chǎn)品進(jìn)入市場時(shí)間不斷縮短，也迫使管理人員尋找一種有利于程序繼承性、標(biāo)準(zhǔn)化、多人并行開發(fā)的管理方式。從長遠(yuǎn)的意義上來講，RTOS的推廣能夠帶來嵌入式軟件工業(yè)更有效、更專業(yè)化的分工，減少社會(huì)重復(fù)勞動(dòng)、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。
