嵌入式開發(fā)，究竟何時需要用RTOS
發(fā)布時間：2023-12-18 14:36:36
如今，高性能處理器和通用操作系統(tǒng)實時升級的速度，似乎再次引發(fā)了嵌入式系統(tǒng)是否仍需要RTOS的討論。答案沒有改變：在相對低端的處理器上只有真正的RTOS能提供一些保障，也就意味著，這些OS可以留在嵌入式環(huán)境中。
■ 究竟何時需要實時操作系統(tǒng)？
大多數嵌入式項目是否仍需要實時操作系統(tǒng)？考慮到當今高性能處理器的速度以及適用于Linux，Windows和其他通用操作系統(tǒng)（GPOS）的實時補丁的可用性，這是一個很好的問題。
答案在于嵌入式設備的本質。這些設備通常以數千，甚至數百萬桃這種規(guī)模下生產，即使每套硬件成本降低1美元，也能為制造商節(jié)省一筆小財富。換言之，這些設備無法負擔數百萬赫茲處理器的成本（更不用說散熱了）。
例如，在汽車遠程信息處理市場，典型的32位處理器的運行頻率約為600兆赫，遠低于臺式機和服務器中常見的處理器。在這樣的環(huán)境中，設計用于從低端硬件中提取極其快速、可預測的響應時間的實時操作系統(tǒng)有巨大的經濟優(yōu)勢。
除了節(jié)省成本外，實時操作系統(tǒng)提供的服務使許多計算問題更容易解決，特別是當多個活動競爭一個系統(tǒng)的資源時。例如，考慮一個用戶期望（或需要）立即響應輸入的系統(tǒng)。使用實時操作系統(tǒng)，開發(fā)人員可以保證由用戶發(fā)起的操作將優(yōu)先于其他系統(tǒng)活動執(zhí)行，除非必須首先執(zhí)行更重要的活動（例如，有助于保護用戶安全的操作）。
還要考慮一個必須滿足服務質量（QoS）要求的系統(tǒng)，例如顯示實時視頻的設備。如果設備的內容交付的任何部分都依賴于軟件，那么它會以用戶認為不可接受的速度體驗掉幀，設備是不可靠的。然而，通過實時操作系統(tǒng)，開發(fā)人員可以精確地控制軟件進程的執(zhí)行順序，并確保以適當和一致的速率進行回放。
■ 實時操作系統(tǒng)不公平
在嵌入式行業(yè)中，對實時“硬”時間的需求仍然很普遍。問題是:實時操作系統(tǒng)有什么是GPOS沒有的?而且，對于某些GPOS來說，現(xiàn)在的實時擴展有多有用?他們能提供一個合理的實時操作系統(tǒng)性能嗎？
讓我們從任務調度開始。在GPOS中，調度程序通常使用“公平”策略將線程和進程分派到CPU。這樣的策略可以實現(xiàn)桌面和服務器應用程序所需的高整體吞吐量，但不能保證高優(yōu)先級、時間緊迫的線程優(yōu)先于低優(yōu)先級的線程執(zhí)行。
例如，GPOS可能會降低分配給高優(yōu)先級線程的優(yōu)先級，或者為了保證系統(tǒng)中其他線程的公平性而動態(tài)調整線程的優(yōu)先級。因此，高優(yōu)先級線程可能被低優(yōu)先級線程搶占。此外大多數GPOS具有無界的調度延遲:系統(tǒng)中的線程越多，GPOS調度一個執(zhí)行線程所需的時間就越長，這些因素中的任何一個都可能導致高優(yōu)先級線程錯過最后期限，即使是在高速CPU上。
此外，高優(yōu)先級線程可以不間斷地運行，直到它完成它需要做的事情，當然，除非它被一個更高優(yōu)先級的線程搶占。這種方法被稱為基于優(yōu)先級的搶占式調度，允許高優(yōu)先級線程滿足其最后期限，即使許多其他線程正在爭奪CPU時間。
■ 搶占式內核
在大多數GPOS中，os內核是不可搶占的。因此，高優(yōu)先級用戶線程永遠不能搶占內核調用，而是必須等待整個調用完成—即使調用是由系統(tǒng)中優(yōu)先級最低的進程調用的。此外，當驅動程序或其他系統(tǒng)服務（通常在內核調用中執(zhí)行）代表客戶端線程執(zhí)行exe剪切時，所有優(yōu)先級信息通常都會丟失。這種行為會導致不可預知的延遲，并阻止關鍵活動按時完成。
另一方面，在實時操作系統(tǒng)中，內核操作是可搶占的。與在GPOS中一樣，在時間窗口中可能不會發(fā)生搶占，在設計良好的實時操作系統(tǒng)中，這些窗口非常短，通常是數百納秒的順序。此外，實時操作系統(tǒng)對搶占延遲和中斷禁用的時間設置了一個上限；這個上限允許開發(fā)人員確定最壞情況下的延遲。
為了實現(xiàn)一致的可預測性和關鍵活動的及時完成這一目標，實時操作系統(tǒng)內核必須盡可能簡單優(yōu)雅。實現(xiàn)這種簡單性的最佳方法是設計一個內核，該內核只包含具有短執(zhí)行路徑的服務。通過從內核中排除工作密集型操作（例如進程加載）并將其分配給外部進程或線程，實時操作系統(tǒng)設計器可以幫助確保通過內核的最長不可搶占代碼路徑上存在上限。
在一些GPOS中，內核增加了一定程度的搶占性。然而，不可能發(fā)生搶占的時間間隔仍然比典型實時操作系統(tǒng)中的時間間隔長得多；任何此類搶占時間間隔的長度將取決于GPOS內核中任何模塊（例如，網絡）的最長關鍵部分。此外，一個可搶占的GPOS內核不會處理其他可能造成無限延遲的條件，例如，當客戶端調用驅動程序或其他系統(tǒng)服務時發(fā)生的優(yōu)先級信息丟失。
■ 避免優(yōu)先級反轉
在GPOS中，甚至在實時操作系統(tǒng)中，低優(yōu)先級線程可能無意中阻止高優(yōu)先級線程訪問cpu，這種情況稱為優(yōu)先級反轉。當發(fā)生無限優(yōu)先級反轉時，可能會錯過關鍵的最后期限，從而導致從異常系統(tǒng)行為到徹底失敗的結果。不幸的是，在系統(tǒng)設計過程中，優(yōu)先級反轉常常被忽略。優(yōu)先級反轉的例子很多，其中包括1997年7月火星探險者項目。
一般來說，當兩個不同優(yōu)先級的任務共享一個資源，而高優(yōu)先級的任務無法從低優(yōu)先級的任務獲得資源時，就會發(fā)生優(yōu)先級反轉。為了防止這種情況超過有限的時間間隔，實時操作系統(tǒng)可以提供GPOS中不可用的機制選擇，包括優(yōu)先級繼承和優(yōu)先級上限模擬。我們不可能公正地對待這兩種機制，所以讓我們關注一個優(yōu)先級繼承的例子。.
首先，我們必須考慮任務同步如何導致阻塞，以及阻塞如何反過來導致優(yōu)先級反轉。假設兩個任務正在運行，任務1和任務2，并且任務1具有更高的優(yōu)先級。如果任務1已準備好執(zhí)行，但必須等待任務2完成活動，則會阻塞。此阻塞可能是由于同步造成的；例如，任務1和任務2共享由鎖或信號量控制的資源，而任務1正在等待任務2解鎖該資源。或者，可能是因為任務1正在請求任務2當前使用的服務。
阻塞允許任務2運行，直到發(fā)生任務1正在等待的條件（例如，任務2解鎖兩個任務共享的資源）。此時，任務1開始執(zhí)行。任務1必須等待的總時間稱為阻塞因子。如果任務1要滿足其任何時間限制，則此阻塞因子不能隨任何參數（例如線程數或系統(tǒng)輸入）而變化。換句話說，阻塞因子必須是有界的。
現(xiàn)在讓我們介紹第三個任務，任務 3，它的優(yōu)先級高于任務 2，但低于任務 1（參見圖1）。如果任務3在任務2執(zhí)行時準備好運行，則它將搶占任務2，并且任務2將無法再次運行，直到任務3阻塞或完成。當然，這個新任務會增加任務1的阻塞因子；也就是說，它會進一步延遲任務1的執(zhí)行。搶占引入的總延遲是一個優(yōu)先級反轉。
圖2 任務2繼承任務1的較高優(yōu)先級，從而防止任務3搶占任務2。任務3不再延遲任務1的執(zhí)行。
■ 分區(qū)調度器
對于許多系統(tǒng)，保證資源可用性是至關重要的。如果一個關鍵的子系統(tǒng)被剝奪了，比如說，CPU周期，那么這個子系統(tǒng)提供的服務對于用戶來說就變得不可用了。例如，在拒絕服務(DoS)攻擊中，惡意用戶可以用需要高優(yōu)先級進程處理的請求轟炸系統(tǒng)。這個進程可能會使CPU超載，使其他進程的CPU周期中斷，從而使系統(tǒng)對用戶不可用。
安全漏洞并不是進程饑餓的唯一原因。在許多情況下，向系統(tǒng)添加軟件功能會將系統(tǒng)推向“崩潰的邊緣”，并使現(xiàn)有的應用程序占用大量CPU時間。及時運行的應用程序或服務不再按預期或要求作出響應。從歷史上看，解決這個問題的唯一辦法要么是改造硬件，要么是重新編碼(或重新設計)軟件——兩者都是不受歡迎的選擇。為了解決這些問題，系統(tǒng)設計人員需要一個分區(qū)方案，通過硬件或軟件強制執(zhí)行CPU運算，以防止進程或線程獨占其他進程或線程所需的CPU周期。由于實時操作系統(tǒng)已經提供了對CPU、內存和其他計算資源的集中訪問，所以實時操作系統(tǒng)是執(zhí)行CPU分區(qū)運算的最佳選擇。
有些實時操作系統(tǒng)提供一個固定的分區(qū)調度器。使用此調度器，系統(tǒng)設計人員可以將任務劃分為組或分區(qū)，并為每個分區(qū)分配一定百分比的CPU時間。使用這種方法，任何給定分區(qū)中的任務消耗的CPU時間都不會超過分區(qū)靜態(tài)定義的百分比。例如，假設一個分區(qū)分配了30%的CPU。如果該分區(qū)中的進程隨后成為拒絕服務攻擊的目標，那么它消耗的CPU時間將不超過30%。這個分配的限制允許其他分區(qū)保持其可用性;例如，它可以確保用戶界面(例如遠程終端)保持可訪問性。因此，操作員可以訪問系統(tǒng)并解決問題，而不必按下復位開關。
然而，這種方法有一個問題。因為調度算法是固定的，所以一個分區(qū)永遠不能使用分配給其他分區(qū)的CPU周期，即使這些分區(qū)沒有使用它們分配的周期。這種方法會浪費CPU周期，并阻止系統(tǒng)處理峰值需求。因此，系統(tǒng)設計者必須使用更昂貴的處理器，容忍更慢的系統(tǒng)，或者限制系統(tǒng)能夠支持的功能數量。
■ 自適應分區(qū)
