RTOS系统与Linux系统的区别

╰半橙微兮° 2022-03-16 05:28 685阅读 0赞

RTOS是实时操作系统

Linux是时分系统，不过可以通过配置内核改成实时系统

实时操作系统  
　　英文称Real Time Operating System，简称RTOS。  
　　1.实时操作系统定义  
　 　实时操作系统（RTOS）是指当外界事件或数据产生时，能够接受并以足够快的速度予以处理，其处理的结果又能在规定的时间之内来控制生产过程或对处理系 统作出快速响应，并控制所有实时任务协调一致运行的操作系统。因而，提供及时响应和高可靠性是其主要特点。实时操作系统有硬实时和软实时之分，硬实时要求 在规定的时间内必须完成操作，这是在操作系统设计时保证的；软实时则只要按照任务的优先级，尽可能快地完成操作即可。我们通常使用的操作系统在经过一定改 变之后就可以变成实时操作系统。  
　　实时操作系统是保证在一定时间限制内完成特定功能的操作系统。例如，可以为确保生产线上的机器人能获取某个物 体而设计一个操作系统。在“硬”实时操作系统中，如果不能在允许时间内完成使物体可达的计算，操作系统将因错误结束。在“软”实时操作系统中，生产线仍然 能继续工作，但产品的输出会因产品不能在允许时间内到达而减慢，这使机器人有短暂的不生产现象。一些实时操作系统是为特定的应用设计的，另一些是通用的。 一些通用目的的操作系统称自己为实时操作系统。但某种程度上，大部分通用目的的操作系统，如微软的Windows NT或IBM的OS/390有实时系统的特征。这就是说，即使一个操作系统不是严格的实时系统，它们也能解决一部分实时应用问题。  
　　2.实时操作系统的特征  
　　1）多任务；  
　　2）有线程优先级  
　　3）多种中断级别  
　　小的嵌入式操作系统经常需要实时操作系统，内核要满足实时操作系统的要求。  
　　3.实时操作系统的相关概念  
　　（1）基本概念  
　　代码临界段：指处理时不可分割的代码。一旦这部分代码开始执行则不允许中断打入；  
　　资源：任何为任务所占用的实体；  
　　共享资源：可以被一个以上任务使用的资源；  
　　任务：也称作一个线程，是一个简单的程序。每个任务被赋予一定的优先级，有它自己的一套CPU寄存器和自己的栈空间。典型地，每个任务都是一个无限的循环，每个任务都处在以下五个状态下：休眠态，就绪态，运行态，挂起态，被中断态；  
　　任务切换：将正在运行任务的当前状态（CPU寄存器中的全部内容）保存在任务自己的栈区，然后把下一个将要运行的任务的当前状态从该任务的栈中重新装入CPU的寄存器，并开始下一个任务的运行；  
　　内核：负责管理各个任务，为每个任务分配CPU时间，并负责任务之间通讯。分为不可剥夺型内核于可剥夺型内核；  
　　调度：内核的主要职责之一，决定轮到哪个任务运行。一般基于优先级调度法；  
　　（2）关于优先级的问题  
　　任务优先级：分为优先级不可改变的静态优先级和优先级可改变的动态优先级；  
　　优先级反转：优先级反转问题是实时系统中出现最多的问题。共享资源的分配可导致优先级低的任务先运行，优先级高的任务后运行。解决的办法是使用“优先级继承”算法来临时改变任务优先级，以遏制优先级反转。  
　　（3）互斥  
　　虽然共享数据区简化了任务之间的信息交换，但是必须保证每个任务在处理共享共享数据时的排他性。使之满足互斥条件的一般方法有：关中断，使用测试并置位指令（TAS），禁止做任务切换，利用信号量。  
　　因为采用实时操作系统的意义就在于能够及时处理各种突发的事件，即处理各种中断，因而衡量嵌入式实时操作系统的最主要、最具有代表性的性能指标参数无疑应该是中断响应时间了。中断响应时间通常被定义为：  
　　中断响应时间=中断延迟时间+保存CPU状态的时间+该内核的ISR进入函数的执行时间\[2\]。  
　　中断延迟时间=MAX(关中断的最长时间，最长指令时间) + 开始执行ISR的第一条指令的时间\[2\]。

分时操作系统　　  
　　英文：Time-sharing Operating System  
　  释义：使一台计算机同时为几个、几十个甚至几百个用户服务的一种操作系统。把计算机与许多终端用户连接起来，分时操作系统将系统处理机时间与内存空 间按一定的时间间隔，轮流地切换给各终端用户的程序使用。由于时间间隔很短，每个用户的感觉就像他独占计算机一样。分时操作系统的特点是可有效增加资源的 使用率。例如UNIX系统就采用剥夺式动态优先的CPU调度，有力地支持分时操作。  
　　产生分时系统是为了满足用户需求所形成的一种新型 OS 。它与多道批处理系统之间，有着截然不同的性能差别。用户的需求具体表现在以下几个方面: 人—机交互 共享主机 便于用户上机  
　　分时系统的基本思想  
　　时间片 ：是把计算机的系统资源（尤其是 CPU时间）进行时间上的分割，每个时间段称为一个时间片，每个用户依次轮流使用时间片。  
　　分时技术：把处理机的运行时间分为很短的时间片，按时间片轮流把处理机分给各联机作业使用。  
　　分时操作系统：是一种联机的多用户交互式的操作系统。一般采用时间片轮转的方式使一台计算机为多个终端服务。对每个用户能保证足够快的响应时间，并提供交互会话能力。  
　　设计目标： 对用户的请求及时响应，并在可能条件下尽量提高系统资源的利用率。  
　　工作方式:  
　　一台主机连接了若干个终端；每个终端有一个用户在使用；交互式地向系统提出命令请求；系统接受每个用户的命令；采用时间片轮转方式处理服务请求；并通过交互方式在终端上向用户显示结果；用户根据上步结果发出下道命令  
　　分时系统实现中的关键问题：及时接收。及时处理。  
　　特征：  
　　交互性：用户与系统进行人机对话。  
　　多路性：多用户同时在各自终端上使用同一CPU。  
　　独立性：用户可彼此独立操作，互不干扰，互不混淆。  
　　及时性：用户在短时间内可得到系统的及时回答。  
　　影响响应时间的因素：终端数目多少、时间片的大小、信息交换量、信息交换速度。

例子：

分时—— 现在流行的PC，服务器都是采用这种运行模式，即把CPU的运行分成若干时间片分别处理不同的运算请求  
实时—— 一般用于单片机上，比如电梯的上下控制中，对于按键等动作要求进行实时处理

以下对四种实时操作系统(RTOS)特性进行分析和比较。它们是：Lynx实时系统公司的LynxOS、QNX软件系统有限公司的QNX以及两种具有代表性的实时Linux--新墨西哥工学院的RT－Linux和堪萨斯大学的KURT－Linux。

近年来，实时操作系统在多媒体通信、在线事务处理、生产过程控制、交通控制等各个领域得到广泛的应用，因而越来越引起人们的重视。

1、基本特征概述

QNX是一个分布式、嵌入式、可规模扩展的实时操作系统。它遵循POSIX.1、(程序接口)和POSIX.2(Shell和工具)、部分遵循POSIX.1b(实时扩展)。它最早开发于1980年，到现在已相当成熟。  
　　LynxOS是一个分布式、嵌入式、可规模扩展的实时操作系统，它遵循POSIX.1a、POSIX.1b和POSIX.1c标准。它最早开发于1988年。  
　　RT－Linux是一个嵌入式硬实时操作系统，它部分支持POSIX.1b标准。  
　　KURT－Linux不是为嵌入式应用设计的，不同于硬(hard)实时／软(soft)实时应用，他们提出"严格(firm)"实时应用的概念，如一些多媒体应用和ATM网络应用，KURT是为这样一些应用设计的"严格的"实时系统。

2、体系结构异同

实时系统的实现多为微内核体系结构，这使得核心小巧而可靠，易于ROM固化，并可模块化扩展。微内核结构系统中，OS服务模块在独立的地址空间 运行，所以，不同模块的内存错误便被隔离开来。但它也有弱点，进程间通信和上下文切换的开销大大增加。相对于大型集成化内核系统来说，它必须靠更多地进行 系统调用来完成相同的任务。

QNX是一个微内核实时操作系统，其核心仅提供4种服务：进程调度、进程间通信、底层网络通信和中断处理，其进程在独立的地址空间运行。所有其它OS服务，都实现为协作的用户进程，因此QNX核心非常小巧(QNX4.x大约为12Kb)而且运行速度极快。

LynxOS目前还不是一个微内核结构的操作系统，但它计划使用所谓的"Galaxy"技术将其从大型集成化内核改造成微内核，这一技术将在 LynxOS 3.0中引入。新的28Kb微内核提供以下服务：核心启动和停止、底层内存管理、出错处理、中断处理、多任务、底层同步和互斥支持。

RT－Linux实现了一个小的实时核心，仅支持底层任务创建、中断服务例程的装入、底层任务通信队列、中断服务例程(ISR)和Linux进 程。原来的非实时Linux核心作为一个可抢先的任务运行于这个小核心之上，所有的任务都在核心地址空间运行。它不同于微内核和大型内核，属于实时 EXE(realtime executive)体系结构。其可靠性和可维护性对电信服务系统来说都不够理想。

KURT－Linux核心包括两个部分：内核和实时模块。内核负责实时事件的调度，实时模块为用户进程提供特定的实时服务。它不属于微内核结构。

3、调度策略分析

任务调度策略是直接影响实时性能的因素。尽管调度算法多种多样，但大多由单调率算法(RM)和最早期限优先算法(EDF)变化而来。前者主要用 于静态周期任务的调度，后者主要用于动态调度，在不同的系统状态下两种算法各有优劣。在商业产品中采用的实际策略常常是各种因素的折中。

QNX 提供POSIX.1b标准进程调度：  
　　32个进程优先级；  
　　抢占式的、基于优先级的正文切换；  
　　可选调度策略：FIFO、轮转策略、适应性策略。  
　　LynxOS 其调度策略为：  
　　LynxOS支持线程概念，提供256个全局用户线程优先级；  
　　硬实时优先级调度：在每个优先级上实现了轮转调度、定量调度和FIFO调度策略；  
　　快速正文切换和阻塞时间短；  
　　抢占式的RTOS核心。

RT－Linux  
　　在操作系统之下实现了一个简单的实时核心，Linux本身作为一个可抢占的任务在核内运行，优先级最低，随时会被高优先级任务抢占。  
　　用户可自行编写调度程序，它们可实现为可加载的核心模块；  
　　已实现的调度程序有：基于优先级的抢占式调度和EDF调度；  
　　基于优先级的调度使用"单调率算法"，它直接支持周期任务。

KURT－Linux  
　　可运行在两种状态之下：通常状态和实时状态。在通常状态下，所有进程都可以运行，但某些核心服务将带来中断屏蔽的不可预期性。实时模式只允许实时进程运行。  
　　支持FIFO调度策略、轮转调度策略和UNIX分时调度策略；  
　　增加了SCHED－KURT调度策略，这是一种静态调度策略，使用一个特殊的调度文件记录预先定义好的待调度进程的参数。

从以上简略描述可以看出，前三种调度策略实现较规范，特别是两种商业RTOS，遵循或部分遵循POSIX.1b实时调度标准。

4、操作系统服务比较

4.1 QNX的系统服务：

多种资源管理器，包括各种文件系统和设备管理，支持多个文件系统同时运行，包括提供完全POSIX.1及UNIX语法的POSIX文件系统，支 持多种闪存设备的嵌入式文件系统，支持对多种文件服务器(如Windows NT/95、LAN Manager等)的透明访问的SMB文件系统、DOS文件系统、CDROM文件系统等。  
　　设备管理。在进程和终端设备间提供大吞吐量、低开销接口服务。  
　　图形／窗口支持。包括QNX Windows、X Window System for QNX、对MS Windows NT/95和X Window系统的远程图形连接。  
　　TCP/IP for QNX。  
　　高性能、容错型QNX网络--FLEET，使得所有连入网络的计算机变成一个逻辑上的超级计算机。  
　　透明的分布式处理。FLEET网络处理与消息传递和进程管理原语的集成，将本地和网络IPC统一起来，使得网络对IPC而言是透明的。

4.2 LynxOS的系统服务：

网络和通信。由于使用UNIX/POSIX API，Lynx很适合于数据通信和Internet应用。又由于系统的开放性，网络软件很容易移植到Lynx上。同样，Lynx亦提供关键的电话通信协议，使之适用于电信系统的基础架构、操作和多媒体应用。  
　　TCP/IP协议栈。Lynx自带优化的TCP/IP协议栈，提供高性能服务，如TCP头预测、高级路由算法、IP级多址广播和链路级高速缓冲。  
　　Internet工具。包括，Telnet、Ftp、tftp、PPP、SLIP、实时调度的嵌入式Java虚拟机、嵌入式HTTP server、bootp、ARP/RARP、DNS域名服务、电子邮件、Perl、电话通信协议等。  
　　SVR3流。LynxOS流机制为开发和移植基于流的驱动程序和应用提供了核心支持。  
　　文件系统。实时的类UNIX层次结构文件系统：连续结构文件、带缓冲／不带缓冲、原始分区和原始设备访问。  
　　基于Motif的图形用户接口。  
　　分布式计算资源。SCMP与VME总线上的多处理结合，PCI桥服务、CompactPCI Hot－swap Services、Lynx/HA－DDS分布式数据系统。

4.3 Linux的系统服务：

近来，很多基于Linux的实时应用被开发出来，它具有成熟和丰富的资源。

UNIX用户的开发工具和应用软件都被移植到Linux上。  
　　TCP/IP网络协议。  
　　各种Internet客户/服务端软件。  
　　X Window。  
　　C/C＋＋、Java等语言编译器。

上述系统的共同点是都提供了图形界面、各种网络支持等必要工具。QNX是一个更加符合传统"分布式"概念的操作系统，目标是把整个局域网变成一 个大的超级计算机，使得网络的存在对用户透明，文件系统提供的服务也很丰富。但是，分布式的程度越高也意味着系统开销的增大。LynxOS则着意于提供丰 富的网络服务，而Linux的最大优势则是经济，还可以通过新闻组或mailing

5、系统开放性对比

对于很多大、中型系统来说，大多数软件都是为UNIX平台编写的，因此RTOS是否提供POSIX/UNIX API就显得很重要。

5.1 QNX的开放性

QNX的POSIX兼容性和其提供的UNIX特色的编译器、调试器、X Window和TCP/IP都是UNIX程序员所熟悉的。  
　　支持多种CPU：AMD ElanSC300/310/400/410、Am386 DE/SE、Cyrix MediaGX、x86处理器(386以上)、Pentium系列、STMicroelectronics 的STPC。  
　　多种总线：CompactPCI、EISA、ISA 、MPE (RadiSys)、STD、STD 32、PC/104、PC/104－Plus、PCI、PCMCIA、VESA、VME。  
　　各种外设：多种SCSI设备、IDE/EIDE驱动器、10M/100M以太网卡、Token Ring网卡、FDDI接口卡、多种PCMCIA设备、闪存、声卡等等。

5.2 LynxOS的开放性

POSIX.1a、1b、1c及BSD4.4等兼容性，使得遵循POSIX 1003或用于UNIX的程序很容易移植到LynxOS上。  
　　支持多种CPU主板：包括CompactPCI(6U/3U)和标准PCI、VME/Eurobus、PC/104和PC/AT硬件等。  
　　各种外设适配器：10/100BaseT Ethernet、SCSI接口、单／多通道串行控制器、单／双工并行口、时钟、计时器、IDE接口、高分辨率显示适配器等。

5.3 Linux的开放性

用户可得到UNIX的全部开发工具。  
　　可使用市场上便宜又常见的硬件。