實時操作系統

實時操作系統(RTOS)是指具有實時性能的操作系統。不可預測的外部事件或數據產生后，能在可預測的時間內被接受，并以足夠快的速度進行處理，處理結果能在規定時間內控制生產過程或快速響應處理系統，并能調度一切可用資源完成實時任務。與一般的操作系統相比，實時操作系統更加“實時”，即當一個任務需要執行時，實時操作系統會在很短的時間內執行，不會有很長的延遲，保證了每個任務都會及時執行。

實時操作系統的研究可以追溯到20世紀60年代，經歷了早期實時操作系統、專用實時操作系統和通用實時操作系統三個階段。21世紀，實時操作系統已經廣泛應用于軍事、冶煉、發電、化工、機械等自動控制領域。

實時操作系統模型可以分為單片模型、層次模型和微內核模型。它具有實時性、交互性、安全性、可靠性和復用性的特點，可以實現任務管理、定時器管理、內存管理、資源管理、事件管理、消息管理和隊列管理等功能。

任務：實時操作系統中任務的概念類似于分時操作系統中進程的概念，是指占用系統資源的可獨立執行的程序。在調度時，任務可以分為各種“狀態”，這些狀態可以分為四種類型:

任務優先級：優先級是指操作系統分配給任務的優先級，決定了任務在使用資源時的優先級。在實時系統中，任務優先級反映了任務的重要性和緊迫性。任務的初始優先級是在創建任務時定義的，任務的優先級可以更改。

任務調度：調度是指當系統只有一個CPU時，在單個CPU的情況下，多個線程按照一定的順序執行。在操作系統中，每個任務每時每刻都處于某種“狀態”，任務調度負責管理和調度系統中運行的任務。實時調度的主要關注點是確保任務滿足截止日期。此外，它還應該為周期性、非周期性和偶然性任務提供調度和管理機制。

暫停：中斷由外部設備產生，為中斷提供服務的例程稱為中斷服務例程(ISR)。在實時系統中，用硬性截止日期中斷任務可能會導致任務錯過截止日期。同時，在實時系統中不允許長時間中斷禁用，所以ISR一般都很短很快。常見的方法是將ISR視為實時操作系統調度的另一個高優先級任務。

存儲器分配：實時操作系統需要有效地管理內存。常見的內存管理方法包括堆分區、固定分區和簡單分區。堆分區提供靈活的內存分配，但分配和釋放時間不確定；固定分區提供了一定的分配和釋放時間，但可能會浪費內存；簡單分區適用于只需要一次分配，但不支持內存釋放的場景。

按字段

根據應用領域的不同，實時操作系統可以分為實時控制系統和實時信息系統。實時控制系統:實時控制系統的主要特點是響應速度快，可靠性高。主要應用于工業控制、軍事控制等領域。例如，火箭飛行控制系統要求飛行數據的采集時間和燃油噴射時間要非常精確，通常時間精度要控制在微秒以下.實時信息系統:由于在實時信息處理系統中會有多個終端用戶同時請求服務，因此實時信息系統還具有分時操作系統的復用性、交互性和排他性的特點。主要應用于銀行聯網存取款、民航機票預訂、信息檢索、網絡視頻服務等領域。在這類“事務處理”應用中，計算機要對用戶的服務請求做出快速響應，并能及時修改和處理系統中的數據。

根據實時性能

實時操作系統通常分為軟實時操作系統和硬實時操作系統。硬實時操作系統:在硬實時任務中，系統必須滿足任務的截止期要求，否則可能會出現不可預知的結果，比如導彈防御系統，如果反應慢就會造成嚴重的損失。硬實時操作系統包括RTEMS、VxWorks、ThreadXNucleus、QNX、OSE、LynxOS、RTLinux、RTAI等。軟實時操作系統:也和一個期限有關，但不嚴格。如果偶爾錯過一個任務的截止日期，對系統的影響不會太大。比如流水線就算癱瘓了，也只會賠錢。軟實時操作系統包括WinCE和Linux2.6x。

根據系統結構

集中式實時操作系統:集中式實時操作系統的基本運行環境是一臺計算機的實時操作系統。它具有實時操作系統最基本的實時多任務調度功能和I/O管理功能，并提供了一個應用開發環境，因此該系統應用廣泛。典型的集中式實時多任務操作系統是iRMX。

基于網絡的實時操作系統:基于網絡的實時操作系統在集中式系統的實時性和可靠性的基礎上，增加了網絡驅動和通信、負載均衡調整和容錯能力，使系統不僅功能更強大，而且可靠性更高。典型的基于網絡的實時多任務操作系統是Ouantum。

嵌入式實時操作系統:嵌入式實時操作系統是指將操作系統固化在內存中，將包含操作系統的芯片安裝在專用設備中，支持應用程序的運行，從而形成智能設備。因為嵌入式操作系統固化后通常是只讀程序，所以運行起來非常可靠。

實時操作系統具有實時性、交互性、安全性、可靠性和復用性的特點。

及時：實時系統產生的結果對時間有嚴格的要求，只有滿足時間約束的結果才是正確的。對于實時信息系統，響應時間由操作員可接受的等待時間決定，通常是秒。對于實時控制系統，其對時間的響應是由被控對象可接受的延遲決定的，延遲可能是秒量級，也可能短至毫秒和微秒。

交互性：根據應用對象和應用需求的不同，對實時操作系統交互操作的方便性和權威性有特殊的要求。實時操作系統多為專用系統，賦予用戶不同的權限。例如，實時控制系統在某些情況下不允許用戶干預，而實時信息系統只允許用戶在其授權范圍內訪問相關的計算機資源。

安全性和可靠性：在實時操作系統中，一方面，可靠性是指系統的正確性，即系統產生的結果不僅在數值上是正確的，在時間上也是正確的；另一方面是指系統的健壯性，即雖然系統存在錯誤或外部環境不符合定義，但系統仍能處于可預測的狀態，仍能運行而不出現致命錯誤。

多樣性：實時系統的多通道性表現在采集許多不同的現場信息，控制許多對象和許多執行器。實時控制系統往往具有現場多路采集、處理和操作機構控制的功能；實時信息系統允許多個終端用戶(或遠程終端用戶)向系統請求服務，每個用戶將得到獨立的服務和響應。

可預測性：實時系統的實際行為必須在一定的限度內，這可以從系統的定義中得到。這意味著系統對外部輸入的響應必須是完全可預測的，即使在最壞的情況下，系統也必須嚴格遵守時間限制。因此，當出現過載時，系統必須能夠以可預測的方式確保其實時性能。

整體結構：單片結構也叫無序模塊組合結構，即操作系統是一個單片結構，由一系列功能模塊組成，任何功能模塊都可以隨意調用，不分層次，形成網絡調用模式。最早開始于60年代初，比如DOS操作系統和IBM早期的操作系統，在硬件之上定義了很多硬件抽象模塊。應用系統調用用于實現操作系統的功能，如進程管理、文件系統和存儲管理等。這些功能由運行在核心狀態的多個模塊完成。這也使得整個系統緊湊且高效。

然而，具有整體結構的操作系統不封裝和隱藏任何數據。功能模塊之間的關系很復雜。修改任何一個功能模塊都會引起其他所有功能模塊的修改，從而導致操作系統的設計和開發出現困難。因為所有的模塊都運行在同一個內核空間，一個小小的錯誤就會讓整個系統崩潰。

分級結構：層次結構是將操作系統中的所有功能模塊按照功能流程圖的調用順序劃分為不同的層次。低級功能為下一級功能提供服務，而高級功能為上一級功能提供服務。各層之間存在單向依賴，無法形成循環。這種結構層次清晰，易于調試和修改。這種操作系統始于60年代末70年代初。第一個分層操作系統是由E.WDijkstra教授和他的學生在1968年開發的。分級操作系統通常可以分為用戶程序、I/O管理、進程通信、存儲管理等層。一次一層結構程序無權修改其他層的數據，這也增加了系統的可靠性。

微核結構：隨著技術的發展，操作系統通常會添加一些新的功能，例如支持新的硬件設備，支持新的網絡通信能力或新興的軟件技術，并將其應用于分布式處理計算環境。為了實現這一目標，保證操作系統代碼的完整性，卡內基梅隆大學開發的Mach系統中采用了一種獨特的方法來解決這一問題，即微內核結構。微內核操作系統一般由兩部分組成:一部分是運行在內核態的內核，通常采用層次結構，構成基本操作系統；第二層是在用戶模式下運行，在客戶機/服務器模式下活動的流程層。即把操作系統除內核以外的其他部分分成幾個相對獨立的進程，每個進程完成一組服務，稱為服務器進程。

微內核是操作系統的小核心，提煉出各種操作系統需要的核心功能，形成微內核的基本功能。其基本功能包括進程調度、進程間通信和中斷處理，其他服務和功能放在內核之外。這種結構使操作系統具有可擴展性、可移植性和高可靠性的優點。

實時操作系統可以分為三個基本組成部分。

激活組件:負責接收任務激活指令，管理處于就緒狀態的任務集。任務激活可以是時間驅動的(基于實時時鐘)，也可以是事件驅動的(比如中斷)。為了實現這個功能，這個組件需要使用所有任務的激活時間點和激活事件信息。

調度器:評估當前處于就緒狀態的任務，并制定調度策略，以優先考慮每個任務的運行順序。

調度程序:管理所有任務所需的資源。一旦所需的資源得到滿足，具有最高優先級的任務將運行。

最早的截止日期優先：最早截止期優先(EDF)，該算法的任務優先級由任務截止期決定，并根據任務截止期動態分配。截止時間越早，優先級越高。當檢測到一個事件時，相應的處理進程被添加到就緒進程表中，該表按截止時間排序，調度器總是使表中截止時間最早的進程運行。即使處理最緊急事件的進程優先于處理器。

根據搶占方式的不同，最早截斷時間優先調度算法可以分為非搶占式最早截斷時間優先調度算法和搶占式最早截斷時間優先調度算法。前者主要用于處理非周期性的實時任務，響應時間可達數百毫秒至數秒；后者用于處理周期性的實時任務，響應時間可以達到幾毫秒到100毫秒，甚至更低的調度延遲。

最小松弛優先級：最小松弛度優先(LLF)調度算法根據任務的緊急程度(或松弛度)來確定任務的優先級。任務的緊急程度越高，給予它的優先級就越高，這樣它就可以先被執行。要計算每個進程的松弛時間，如果一個進程需要運行200毫秒，并且必須在250毫秒內結束，那么它的松弛時間就是50毫秒。該算法選擇具有最小凈空的進程來占用處理器，換句話說，該算法優先考慮處理最小延遲事件的進程。

速率單調算法：單調速率算法是一種靜態優先級調度算法，它假設系統中任務序列的截止期、執行時間、執行周期等參數已知。在該算法中，任務周期決定了任務優先級。所有周期性任務按照周期的長短排序，即周期最短的任務優先級最高，周期最短的任務優先級次高，以此類推。如果把任務周期看作是任務執行率的倒數，那么優先級就是關于任務執行率的單調遞增函數。例如，每20毫秒運行一次的進程的優先級為50，每100毫秒運行一次的進程的優先級為10。運行時調度程序總是以最高優先級運行就緒進程。如有必要，奪取當前運行進程的處理器。

實時操作系統

固定優先級調度：固定優先級調度是指任務的優先級被分配后，在任務運行過程中優先級不會改變。它可以根據處于可運行狀態的線程的相對優先級來實現調度。創建線程時，它會繼承原始線程的優先級。必要時可以修改優先級。在任何時候，如果有多個線程等待運行，系統會選擇具有最高優先級的可運行線程來運行。只有當低優先級線程停止、自動放棄或由于某種原因而變得不活動時，它才能運行。如果兩個線程具有相同的優先級，它們將交替運行。

循環調度：循環調度，也稱為循環調度，將處理時間平均分配給所有就緒的進程。同時在循環調度中定義了一個很小的時間單位，稱為時間量或時間片，時間片通常為10-100ms。就緒隊列被視為循環隊列，CPU調度程序循環就緒隊列，并為每個進程分配不超過一個時間片間隔的CPU。循環調度支持幾乎所有的作業，被認為是最公平的算法。

先到先服務服務調度：先來先服務(FCFS)當一個進程進入就緒隊列時，它的進程控制塊(PCB)被鏈接到隊列的尾部。當CPU空閑時，它被分配給隊列頭的進程。然后，從隊列中刪除正在運行的進程。FCFS策略的平均等待時間相當長，算法是非搶占式的。

多級隊列調度：多級隊列調度算法的基本思想是引入多個就緒隊列，通過區別對待每個隊列來實現綜合調度目標。在多級隊列調度中，根據進程的性質或類型，將就緒隊列分成若干子隊列，每個進程屬于一個就緒隊列，不同的隊列可以使用不同的調度算法。

多級反饋隊列調度：多級反饋隊列調度是循環調度算法和優先級調度算法的結合，可以通過動態調整優先級和時間片大小來兼顧各種系統目標。其主要思想是根據不同CPU間隔的特點來區分進程。如果一個進程使用了太多的CPU時間，它可能會被轉移到一個較低優先級的隊列中。該方案將I/O約束和交互進程留在更高優先級的隊列中。此外，在較低優先級隊列中等待時間過長的進程將被轉移到較高優先級隊列中。

優先級反轉：優先級反轉是指在采用基于優先級的調度策略時，由于多個線程共享資源，低優先級的線程會先于高優先級的線程執行的情況。優先級反轉可能會使實時性要求高的線程錯過關鍵截止期，從而導致系統崩潰。為了避免優先級反轉的問題，需要讓低優先級線程盡快釋放關鍵資源，可以采用兩種方法:優先級繼承和優先級上限。

智能家居：在智能家居中，不同的設備之間可以相互通信，通過智能感應、交通控制、語音識別可以實現多個設備的聯動。智能家居幫助用戶以更便捷的方式管理家庭設備，提供高效舒適的生活和工作環境。

交通管理和汽車：在交通管理上，可以將物聯網技術與實時操作系統相結合，實現智能交通管理，可以進行實時分析，傳輸高校內城市道路交通狀況，合理規劃路線，緩解城市交通擁堵。例如，ADAS可以通過提供實時增強的可視化和與周圍環境的交互來改善駕駛員對車輛的控制。此外，實時操作系統可以實現對車輛的全面管理，特別是在電動汽車的電源管理方面，可以節省汽車的能耗，延長電池的使用壽命。

工業控制：在工業控制中，許多智能工業機器人的出現是實時操作系統相結合的結果。工業控制的要求往往很高，需要復雜的設備接口，在顯示屏上實時顯示這些設備和傳感器的狀態等信息。在一些環境惡劣、地面條件復雜的地區，可以通過內置實時操作系統的智能機器人實現無人值守監控。

軍事：在高科技戰爭中，實時操作系統的應用越來越重要。它可以將衛星定位、無線通信、圖像捕獲和傳輸等功能集成到特定的作戰環境中，如各種軍用電子設備、軍用雷達對抗通信設備、各種野戰指揮作戰專用設備等，都裝有實時操作系統。