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設(shè)計(jì)理念

通常，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)分為兩大類:

事件驅(qū)動(dòng)型。當(dāng)一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)需要執(zhí)行時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換到這個(gè)任務(wù)。這種根據(jù)優(yōu)先級(jí)調(diào)度任務(wù)的方式稱為搶占式任務(wù)處理。

時(shí)間觸發(fā)型。每個(gè)任務(wù)在各自設(shè)定好的的時(shí)間間隔內(nèi)重復(fù)、輪流調(diào)度。

時(shí)間觸發(fā)型設(shè)計(jì)往往比較嚴(yán)格地調(diào)度任務(wù)，具有更好的多任務(wù)處理能力。多個(gè)任務(wù)被不停地輪流調(diào)度，在宏觀上，就相當(dāng)于一個(gè)CPU同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)。

在過(guò)去，CPU在切換任務(wù)時(shí)往往需要多個(gè)機(jī)器周期，在這段時(shí)間內(nèi)，CPU不能處理其他任何任務(wù)。例如，一個(gè)20 MHz的摩托羅拉68000處理器（1980年代后期），在切換任務(wù)時(shí)需要花費(fèi)20微秒。（相比之下，一個(gè)100 MHz的ARM架構(gòu)的處理器（2008年之后的）只需要3微秒。） 因此，早期的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)通過(guò)減少任務(wù)切換次數(shù)來(lái)避免消耗過(guò)多CPU時(shí)間。

任務(wù)調(diào)度

在典型的設(shè)計(jì)中，一個(gè)任務(wù)有以下三種狀態(tài)：

正在運(yùn)行（Running，正在CPU中執(zhí)行）

待命（Ready，等待執(zhí)行）

阻塞（Blocked，任務(wù)暫停，等待一個(gè)事件的發(fā)生，例如接收一組數(shù)據(jù)）

由于CPU在某個(gè)時(shí)間只能執(zhí)行一個(gè)任務(wù)，大部分任務(wù)，在大部分時(shí)間，處于阻塞或待命狀態(tài)?？赡軙?huì)有大量項(xiàng)目在待命列表里等待執(zhí)行，這取決于系統(tǒng)所需的任務(wù)數(shù)量以及調(diào)度器的類型。

通常情況下，對(duì)于簡(jiǎn)單的時(shí)間觸發(fā)式調(diào)度器來(lái)說(shuō)，待命任務(wù)列表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要盡可能縮短最壞情況下，程序在調(diào)度器關(guān)鍵部分的執(zhí)行時(shí)間，以防止其他任務(wù)一直在待命列表中，無(wú)法及時(shí)執(zhí)行。因此，在這種調(diào)度器中，應(yīng)盡可能避免搶占式任務(wù)，甚至應(yīng)該關(guān)閉調(diào)度器之外的所有中斷。當(dāng)然，待命任務(wù)列表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也應(yīng)根據(jù)這個(gè)系統(tǒng)需要的最大任務(wù)數(shù)量做進(jìn)一步的優(yōu)化。

如果待命任務(wù)列表中的任務(wù)較多，雙向鏈表是一個(gè)比較好的選擇。如果待命任務(wù)列表通常包含少量任務(wù)，但偶爾會(huì)出現(xiàn)較多任務(wù)，任務(wù)應(yīng)該根據(jù)優(yōu)先級(jí)排序。這樣一來(lái)，要尋找最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，就不必要在整個(gè)列表中一個(gè)一個(gè)地尋找。而插入任務(wù)需要從列表中的第一個(gè)任務(wù)開始，向后尋找，直到找到比要插入的任務(wù)優(yōu)先級(jí)低的任務(wù)，然后插入到該任務(wù)之前；如果沒(méi)有找到優(yōu)先級(jí)更低的任務(wù)，就插入到任務(wù)列表末尾。

在尋找任務(wù)列表，準(zhǔn)備插入任務(wù)的過(guò)程中，應(yīng)該注意避免搶占。長(zhǎng)的關(guān)鍵部分應(yīng)分為多個(gè)小的部分分別執(zhí)行。如果在尋找任務(wù)列表，要插入低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的時(shí)候，一個(gè)中斷發(fā)生使高優(yōu)先級(jí)任務(wù)進(jìn)入待命狀態(tài)，高優(yōu)先級(jí)任務(wù)應(yīng)該在低優(yōu)先級(jí)任務(wù)被插入之前立馬被插入列表和執(zhí)行。

在更先進(jìn)的系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)任務(wù)和許多非實(shí)時(shí)任務(wù)共享運(yùn)算資源，這時(shí)候待命任務(wù)列表會(huì)變得很長(zhǎng)。在這種系統(tǒng)中，待命任務(wù)列表可能不適合用鏈表的結(jié)構(gòu)。

調(diào)度算法

一些實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中常用的算法：

合作式調(diào)度

搶占式調(diào)度

Earliest Deadline First approach

Stochastic digraphs with multi-threaded graph traversal

RTOS舉例

WinCE、VxWorks、μC/OS-Ⅱ等運(yùn)用較廣。Linux是作為通用操作系統(tǒng)開發(fā)的，其內(nèi)核在實(shí)時(shí)處理能力上先天不足，部分網(wǎng)絡(luò)開發(fā)社區(qū)將其經(jīng)過(guò)改造能在一定程度上成為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

開放源代碼&免費(fèi)

Raw-OS[1]

CoOS[2]

開放源代碼

RT-Thread[3]

eCos

Fiasco (L4 clone)[4]

FreeRTOS

Phoenix-RTOS

Nut/OS[5]

Prex

RTAI

RTEMS

RTLinux

SHaRK[6]

TRON Project

Xenomai[7]

CoOS[8]

非開放源代碼

Ardence RTX

BeOS

ChorusOS

DNIX

DMERT

e-Tkernel

HOPEN OS

embOS (Segger)

INTEGRITY

ITRON

LynxOS

MERT

MicroC/OS-II

MQX RTOS[9]

Nucleus

OS-9

OSE

OSEK/VDX

OSEKtime

PDOS

Phar Lap ETS

PikeOS

Portos

pSOS

QNX

RMX

RSX-11

RT-11

RTOS-UH

RTXC

Salvo RTOS[10]

SIAN III

Symbian OS

ThreadX

VRTX

VxWorks

Windows CE

μnOS

UNIX-RTR

REX

HP-1000/RTE[11]

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