提高實時操作系統(tǒng)的實時性能和可靠性策略

對很多嵌入式系統(tǒng)來說，一個設(shè)計良好的實時操作系統(tǒng)(RTOS)可以讓開發(fā)工程師掌握系統(tǒng)執(zhí)行任何任務(wù)或響應(yīng)任何關(guān)鍵事件的時間，滿足系統(tǒng)實時性要求。為了理解RTOS如何通過系統(tǒng)調(diào)度策略實現(xiàn)實時性要求，本文介紹了搶占式調(diào)度、可搶占的內(nèi)核、優(yōu)先級繼承和中斷處理等概念。

在設(shè)計工業(yè)控制系統(tǒng)或醫(yī)療設(shè)備時，大部分工程師和系統(tǒng)設(shè)計工程師會認為采用RTOS是必需的。然而，網(wǎng)際路由器、車載娛樂系統(tǒng)和多媒體設(shè)備等普通應(yīng)用還需要采用RTOS嗎？像Linux或Windows這樣的通用操作系統(tǒng)是否就能勝任呢？通常，這些產(chǎn)品需要采用RTOS，但是這個問題常常直到設(shè)計階段的后期才能意識到。

RTOS對于很多嵌入式系統(tǒng)來說不但是有益的，而且也是必要的，認識到這一點很重要。例如，一個播放如MPEG格式電影的設(shè)備，如果依靠軟件來實現(xiàn)其整個內(nèi)容傳輸，可能會出現(xiàn)用戶難以接受的高丟幀率。然而，通過使用RTOS，系統(tǒng)設(shè)計工程師能夠準確地控制軟件過程的執(zhí)行順序，從而保證按照給定的媒體速率進行播放。上述大部分情況適用于用戶希望對輸入做出立即響應(yīng)的系統(tǒng)。通過RTOS，開發(fā)人員能夠保證由用戶的操作總能得到及時的響應(yīng)，除非一個更重要的操作(如一項有助于保障用戶安全的操作)必須首先執(zhí)行。

總之,一個好的RTOS支持開發(fā)人員控制系統(tǒng)執(zhí)行任何任務(wù)或?qū)θ魏沃匾�事件做出反�?yīng)的時間，并且能夠以一種可以預(yù)測并且完全一致的形式滿足任務(wù)執(zhí)行的最終期限要求。但是，如果RTOS崩潰，這些最終期限就不能被滿足。因此，RTOS必須提供高度的可靠性。特別是它必須提供在不需要重啟的情況下，從軟件故障中快速并智能恢復(fù)的機制。

搶占式調(diào)度

在像Linux這樣的通用操作系統(tǒng)中，在對線程和進程的CPU占用上采用了“公平”調(diào)度策略。這樣的策略能夠提供良好的整體表現(xiàn)，但是不能保證高優(yōu)先級、對時間要求嚴格的線程將優(yōu)先于低優(yōu)先級的線程執(zhí)行。事實上，操作系統(tǒng)有時甚至會中斷高優(yōu)先級的線程來為低優(yōu)先級線程提供CPU時間。其結(jié)果可能造成對時間要求嚴格的線程很容易地錯過它們的最終期限，甚至在一個高速的高端處理器上運行時也會出現(xiàn)這種情況。

而在RTOS中，線程按照其優(yōu)先級順序執(zhí)行。如果一個高優(yōu)先級的線程準備運行時，它將在一個短的、有限時間間隔內(nèi)從任何可能正在運行的低優(yōu)先級進程接管CPU。另外，高優(yōu)先級的線程能夠不被中斷地運行，直到它已經(jīng)完成了需要做的事情－當然是在不被更高優(yōu)先級進程搶占的前提下。這種方法就是搶占式調(diào)度，保證了高優(yōu)先級線程始終滿足其最終期限，而不管有多少其它線程正在競爭CPU時間。

通過合理地控制線程優(yōu)先級，開發(fā)者能顯著地提高很多對用戶非常重要的應(yīng)用響應(yīng)速度。然而，控制優(yōu)先級可能是一把雙刃劍，當使用不當時它可能會潛在地導致低優(yōu)先級的進程不能得到CPU時間。保證高優(yōu)先級的進程和線程的同時確保不會使其它進程處于“饑餓”狀態(tài)的關(guān)鍵是要對它們的執(zhí)行進行限制，通過對執(zhí)行進行調(diào)整或在響應(yīng)加載的過程中進行控制，開發(fā)人員能夠限制這些活動消耗的CPU時間比例，并支持低優(yōu)先級進程獲得對CPU的共享。

優(yōu)先級控制能夠使很多應(yīng)用受益，包括像前面提到的媒體播放器(MP3、WAV、MPEG2等格式)。媒體播放器需要實現(xiàn)正常播放所要求的速率(例如44kHz的音頻、30fps的視頻)。在這種限制之下，一個讀線程和一個顯示線程可以被設(shè)計成依靠一個可編程的定時器來喚醒，緩沖或顯示一幀后進入睡眠狀態(tài)，直到下一個定時觸發(fā)。這提供了一種調(diào)整機制，支持高于正常用戶活動而又低于關(guān)鍵系統(tǒng)功能的優(yōu)先級設(shè)置。換句話說，如果沒有更重要的任務(wù)準備運行，媒體播放將始終以給定的媒體速率執(zhí)行。

最壞情形

搶占式調(diào)度僅在高優(yōu)先級的線程在一個短的、有限時間段內(nèi)搶占低優(yōu)先級線程的情況下有效。否則，系統(tǒng)將不可能預(yù)測要花費多長時間來執(zhí)行一個給定的操作。因此，任何銷售進程模式的RTOS的供應(yīng)商都必須提供針對下面兩種時間間隔提供最壞情形：線程切換時間，即當兩個線程處于同一進程的情況下，從執(zhí)行一個線程的最后一條指令到執(zhí)行下一個被調(diào)度線程的第一條指令所經(jīng)過的時間；前后關(guān)系切換(context switch)時間，其定義同上，但僅針對兩個線程處于不同進程的情況。

可以將線程看作是最小的“執(zhí)行單元”，而將進程看作是一個或多個線程的“容器”，進程定義了線程將要在其中執(zhí)行的地址空間。顯然，最壞情形的前后關(guān)系切換時間將比最壞情形的線程切換時間要慢，盡管在一個好的RTOS設(shè)計中差別可能是微不足道的。

將所有的線程放在幾個大的進程中將是錯誤的，因為線程提供的切換速度更快。雖然線程能實現(xiàn)并行處理優(yōu)勢因而適合于某些設(shè)計，但將一個應(yīng)用分成多個內(nèi)存保護的進程使得代碼更容易調(diào)試，提供了更好的錯誤隔離和恢復(fù)能力，并允許系統(tǒng)進行新功能的動態(tài)升級。

可搶占的內(nèi)核

在大部分通用操作系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)的內(nèi)核是不可搶占的。其結(jié)果是，一個高優(yōu)先級的進程不可能搶占一個內(nèi)核調(diào)用，而是必須等待整個調(diào)用完成，即使這個調(diào)用是由系統(tǒng)中的低優(yōu)先級進程發(fā)起的。另外，當經(jīng)常在內(nèi)核調(diào)用中執(zhí)行的驅(qū)動程序或其它系統(tǒng)服務(wù)代表一個客戶線程執(zhí)行的時候，所有的優(yōu)先級信息常常會丟失，這導致了不可預(yù)測的延遲并阻止了關(guān)鍵活動的準時完成。

而在RTOS中,內(nèi)核操作是可搶占的。盡管仍然會存在一些時間窗口，在這些時間窗口中可能沒有搶占，但是這些時間間隔應(yīng)該是相當短暫的，通常在幾百納秒。另外，必須有一個關(guān)于搶占被推遲或中斷被禁止的時間上限，這樣開發(fā)者可以確定最壞情形下的等待時間。

為了實現(xiàn)這個目標，操作系統(tǒng)內(nèi)核必須盡可能簡潔，只有具有較短執(zhí)行路徑的服務(wù)才被包含在內(nèi)核中，任何需要大量工作(如進程加載)的操作必須被安排到外部進程或線程。這種方法有助于通過內(nèi)核確保最長的不可搶占代碼路徑具有一個時間上限。

優(yōu)先級繼承

然而，為一個進程設(shè)定一個高優(yōu)先級并不總能保證該進程能夠搶占低優(yōu)先級的進程。有時候，系統(tǒng)會出現(xiàn)一種稱為優(yōu)先級倒置(priority inversion)的狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，低優(yōu)先級的進程將在“無意中”阻止較高優(yōu)先級進程占用CPU。優(yōu)先級倒置可能會表現(xiàn)為幾種形式，為了防止發(fā)生這種情況，RTOS必須提供一種稱為優(yōu)先級繼承的功能。