实时操作系统

　　1.英文简称

　　英文称Real Time Operating System，简称RTOS。

　　2.定义

　　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。

　　3.特征

　　1）高精度计时系统

　　计时精度是影响实时性的一个重要因素。在实时应用系统中，经常需要精确确定实时地操作某个设备或执行某个任务，或精确的计算一个时间函数。这些不仅依赖于一些硬件提供的时钟精度，也依赖于实时操作系统实现的高精度计时功能。

　　2）多级中断机制

　　一个实时应用系统通常需要处理多种外部信息或事件，但处理的紧迫程度有轻重缓急之分。有的必须立即作出反应，有的则可以延后处理。因此，需要建立多级中断嵌套处理机制，以确保对紧迫程度较高的实时事件进行及时响应和处理。

　　3）实时调度机制

　　实时操作系统不仅要及时响应实时事件中断，同时也要及时调度运行实时任务。但是，处理机调度并不能随心所欲的进行，因为涉及到两个进程之间的切换，只能在确保“安全切换”的时间点上进行，实时调度机制包括两个方面，一是在调度策略和算法上保证优先调度实时任务；二是建立更多“安全切换”时间点，保证及时调度实时任务。

　　4.相关概念基本概念

　　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和可剥夺型内核；

　　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；

　　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。

　　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。

　　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。

　　实时操作系统的特点

　　IEEE 的实时UNIX分委会认为实时操作系统应具备以下的几点:

　　●异步的事件响应

　　●切换时间和中断延迟时间确定

　　●优先级中断和调度

　　●抢占式调度

　　而在这有限的空间内不仅要装载实时操作系统，还要装载用户程序。因此，在RTOS的设计中，其占用内存大小是一个很重要的指标，这是RTOS设计与其它操作系统设计的明显区别之一。

　　4. 最大中断禁止时间：

　　当RTOS运行在核态或执行某些系统调用的时候，是不会因为外部中断的到来而中断执行的。只有当RTOS重新回到用户态时才响应外部中断请求，这一过程所需的最大时间就是最大中断禁止时间。

　　5. 任务切换时间：

　　当由于某种原因使一个任务退出运行时，RTOS保存它的运行现场信息、插入相应队列、并依据一定的调度算法重新选择一个任务使之投入运行，这一过程所需时间称为任务切换时间。

　　上述几项中, 最大中断禁止时间和任务切换时间是评价一个RTOS实时性最重要的两个技术指标。