标签：
http://www.cnblogs.com/xiawen/p/3317302.html
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 【词语】：分时操作系统
【注音】：fēn shí cāo zuò xì tǒng
【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。
适合办公自动化、教学及事务处理等要求人机会话的场合。
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
linux是分时系统，不过可以改成实时的如：UCOS就是linux修改而来的实时系统，至于他们的区别，下以引用百度中的类似回答，个人感觉简单明了：“分时系统是 一个系统可以同时为两个或两个以上的账户服务！
实时系统 是能立即对指令做出反应的操作系统！微软的常见系统不能吧！而且还死机！战斗机中的操作系统就是实时的系统，想想如果别人打仗时战斗机中的电脑反应的是飞行员上一条指令或死机了，谁还敢开这架飞机呢？”
嵌入式实时系统中采用的操作系统我们称为嵌入式实时操作系统，它既是嵌入式操作系统，又是实时操作系统。作为一种嵌入式操作系统，它具有嵌入式软件共有的 可裁剪、低资源占用、低功耗等特点；而作为一种实时操作系统（本文对实时操作系统特性的讨论仅限于强实时操作系统，下面提到的实时操作系统也均指强实时操 作系统），它与通用操作系统（如Windows、Unix、Linux等）相比有很大的差别，下面我们将通过比较这两种操作系统之间的差别来逐步描述实时 操作系统的主要特点。
我们在日常工作学习环境中接触最多的是通用操作系统，通用操作系统是由分时操作系统发展而来，大部分都支持多用户和多进程，负责管理众多的进程并为它们分
配系统资源。分时操作系统的基本设计原则是：尽量缩短系统的平均响应时间并提高系统的吞吐率，在单位时间内为尽可能多的用户请求提供服务。由此可以看出，
分时操作系统注重平均表现性能，不注重个体表现性能。如对于整个系统来说，注重所有任务的平均响应时间而不关心单个任务的响应时间，对于某个单个任务来
说，注重每次执行的平均响应时间而不关心某次特定执行的响应时间。通用操作系统中采用的很多策略和技巧都体现出了这种设计原则，如虚存管理机制中由于采用
了LRU等页替换算法，使得大部分的访存需求能够快速地通过物理内存完成，只有很小一部分的访存需求需要通过调页完成，但从总体上来看，平均访存时间与不
采用虚存技术相比没有很大的提高，同时又获得了虚空间可以远大于物理内存容量等好处，因此虚存技术在通用操作系统中得到了十分广泛的应用。类似的例子还有
很多，如Unix文件系统中文件存放位置的间接索引查询机制等，甚至硬件设计中的Cache技术以及CPU的动态分支预测技术等也都体现出了这种设计原
则。由此可见，这种注重平均表现，即统计型表现特性的设计原则的影响是十分深远的。
而对于实时操作系统，前面我们已经提到，它除了要满足应用的功能需求以外，更重要的是还要满足应用提出的实时性要求，而组成一个应用的众多实时任务对于实
时性的要求是各不相同的，此外实时任务之间可能还会有一些复杂的关联和同步关系，如执行顺序限制、共享资源的互斥访问要求等，这就为系统实时性的保证带来
了很大的困难。因此，实时操作系统所遵循的最重要的设计原则是：采用各种算法和策略，始终保证系统行为的可预测性(predictability)。可预
测性是指在系统运行的任何时刻，在任何情况下，实时操作系统的资源调配策略都能为争夺资源(包括CPU、内存、网络带宽等)的多个实时任务合理地分配资
源，使每个实时任务的实时性要求都能得到满足。与通用操作系统不同，实时操作系统注重的不是系统的平均表现，而是要求每个实时任务在最坏情况下都要满足其
实时性要求，也就是说，实时操作系统注重的是个体表现，更准确地讲是个体最坏情况表现。举例来说，如果实时操作系统采用标准的虚存技术，则一个实时任务执
行的最坏情况是每次访存都需要调页，如此累计起来的该任务在最坏情况下的运行时间是不可预测的，因此该任务的实时性无法得到保证。从而可以看出在通用操作
系统中广泛采用的虚存技术在实时操作系统中不宜直接采用。
由于实时操作系统与通用操作系统的基本设计原则差别很大，因此在很多资源调度策略的选择上以及操作系统实现的方法上两者都具有较大的差异，这些差异主要体现在以下几点：
(1) 任务调度策略：
通用操作系统中的任务调度策略一般采用基于优先级的抢先式调度策略，对于优先级相同的进程则采用时间片轮转调度方式，用户进程可以通过系统调用动态地调整自己的优先级，操作系统也可根据情况调整某些进程的优先级。
实时操作系统中的任务调度策略目前使用最广泛的主要可分为两种，一种是静态表驱动方式，另一种是固定优先级抢先式调度方式。
静态表驱动方式是指在系统运行前工程师根据各任务的实时要求用手工的方式或在辅助工具的帮助下生成一张任务的运行时间表，这张时间表与列车的运行时刻表类
似，指明了各任务的起始运行时间以及运行长度，运行时间表一旦生成就不再变化了，在运行时调度器只需根据这张表在指定的时刻启动相应的任务即可。静态表驱
动方式的主要优点是：
? 运行时间表是在系统运行前生成的，因此可以采用较复杂的搜索算法找到较优的调度方案；
? 运行时调度器开销较小；
? 系统具有非常好的可预测性，实时性验证也比较方便；
这种方式主要缺点是不灵活，需求一旦发生变化，就要重新生成整个运行时间表。
由于具有非常好的可预测性，这种方式主要用于航空航天、军事等对系统的实时性要求十分严格的领域。
固定优先级抢先式调度方式则与通用操作系统中采用的基于优先级的调度方式基本类似，但在固定优先级抢先式调度方式中，进程的优先级是固定不变的，并且该优
先级是在运行前通过某种优先级分配策略（如Rate-Monotonic、Deadline-Monotonic等）来指定的。这种方式的优缺点与静态表
驱动方式的优缺点正好完全相反，它主要应用于一些较简单、较独立的嵌入式系统，但随着调度理论的不断成熟和完善，这种方式也会逐渐在一些对实时性要求十分
严格的领域中得到应用。目前市场上大部分的实时操作系统采用的都是这种调度方式。
(2) 内存管理：
关于虚存管理机制我们在上面已经进行了一些讨论。为解决虚存给系统带来的不可预测性，实时操作系统一般采用如下两种方式：
? 在原有虚存管理机制的基础上增加页面锁功能，用户可将关键页面锁定在内存中，从而不会被swap程序将该页面交换出内存。这种方式的
优点是既得到了虚存管理机制为软件开发带来的好处，又提高了系统的可预测性。缺点是由于TLB等机制的设计也是按照注重平均表现的原则进行的，因此系统的
可预测性并不能完全得到保障；
? 采用静态内存划分的方式，为每个实时任务划分固定的内存区域。这种方式的优点是系统具有较好的可预测性，缺点是灵活性不够好，任务对存储器的需求一旦有变化就需要重新对内存进行划分，此外虚存管理机制所带来的好处也丧失了。
目前市场上的实时操作系统一般都采用第一种管理方式。
(3) 中断处理：
在通用操作系统中，大部分外部中断都是开启的，中断处理一般由设备驱动程序来完成。由于通用操作系统中的用户进程一般都没有实时性要求，而中断处理程序直接跟硬件设备交互，可能有实时性要求，因此中断处理程序的优先级被设定为高于任何用户进程。
但对于实时操作系统采用上述的中断处理机制是不合适的。首先，外部中断是环境向实时操作系统进行的输入，它的频度是与环境变化的速率相关的，而与实时操作
系统无关。如果外部中断产生的频度不可预测，则一个实时任务在运行时被中断处理程序阻塞的时间开销也是不可预测的，从而使任务的实时性得不到保证；如果外
部中断产生的频度是可预测的，一旦某外部中断产生的频度超出其预测值（如硬件故障产生的虚假中断信号或预测值本身有误）就可能会破坏整个系统的可预测性。
其次，实时操作系统中的各用户进程一般都有实时性要求，因此中断处理程序优先级高于所有用户进程的优先级分配方式是不合适的。
一种较适合实时操作系统的中断处理方式为：除时钟中断外，屏蔽所有其它中断，中断处理程序变为周期性的轮询操作，这些操作由核心态的设备驱动程序或由用户
态的设备支持库来完成。采用这种方式的主要好处是充分保证了系统的可预测性，主要缺点是对环境变化的响应可能不如上述中断处理方式快，另外轮询操作在一定
程度上降低了CPU的有效利用率。另一种可行的方式是：对于采用轮询方式无法满足需求的外部事件，采用中断方式，其它时间仍然采用轮询方式。但此时中断处
理程序与所以其它任务一样拥有优先级，调度器根据优先级对处于就绪态的任务和中断处理程序统一进行处理器调度。这种方式使外部事件的响应速度加快，并避免
了上述中断方式带来第二个问题，但第一个问题仍然存在。
此外为提高时钟中断响应时间的可预测性，实时操作系统应尽可能少地屏蔽中断。
(4) 共享资源的互斥访问：
通用操作系统一般采用信号量机制来解决共享资源的互斥访问问题。
对于实时操作系统，如果任务调度采用静态表驱动方式，共享资源的互斥访问问题在生成运行时间表时已经考虑到了，在运行时无需再考虑。如果任务调度采用基于
优先级的方式，则传统的信号量机制在系统运行时很容易造成优先级倒置问题（Priority Inversion），即当一个高优先级任务通过信号量机制
访问共享资源时，该信号量已被一低优先级任务占有，而这个低优先级任务在访问共享资源时可能又被其它一些中等优先级的任务抢先，因此造成高优先级任务被许
多具有较低优先级的任务阻塞，实时性难以得到保证。因此在实时操作系统中，往往对传统的信号量机制进行了一些扩展，引入了如优先级继承协议
(Priority Inheritance Protocol)、优先级顶置协议(Priority Ceiling Protocol)以及
Stack Resource Policy等机制，较好地解决了优先级倒置的问题。
(5) 系统调用以及系统内部操作的时间开销：
进程通过系统调用得到操作系统提供的服务，操作系统通过内部操作（如上下文切换等）来完成一些内部管理工作。为保证系统的可预测性，实时操作系统中的所有
系统调用以及系统内部操作的时间开销都应是有界的，并且该界限是一个具体的量化数值。而在通用操作系统中对这些时间开销则未做如此限制。
(6) 系统的可重入性：
在通用操作系统中，核心态系统调用往往是不可重入的，当一低优先级任务调用核心态系统调用时，在该时间段内到达的高优先级任务必须等到低优先级的系统调用完成才能获得CPU，这就降低了系统的可预测性。因此，实时操作系统中的核心态系统调用往往设计为可重入的。
标签：
原文地址：http://www.cnblogs.com/jingzhishen/p/4345369.html
