提高实时操作系统的实时性能和可靠性策略

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1、提高实时操作系统的实时性能和可靠性策略对很多嵌入式系统来说，一个设计良好的实时操作系统(RTOS)可以让开发工程师掌握系统执行任何任务或响应任何关键事件的时间，满足系统实时性要求。为了理解RTOS如何通过系统调度策略实现实时性要求，本文介绍了抢占式调度、可抢占的内核、优先级继承和中断处理等概念。在设计工业控制系统或医疗设备时，大部分工程师和系统设计工程师会认为采用RTOS是必需的。然而，网际路由器、车载娱乐系统和多媒体设备等普通应用还需要采用RTOS吗？像Linux或P3、PEG2等格式)。媒体播放器需要实现正常播放所要求的速率(例如4

2、4kHz的音频、30fps的视频)。在这种限制之下，一个读线程和一个显示线程可以被设计成依靠一个可编程的定时器来唤醒，缓冲或显示一帧后进入睡眠状态，直到下一个定时触发。这提供了一种调整机制，支持高于正常用户活动而又低于关键系统功能的优先级设置。换句话说，如果没有更重要的任务准备运行，媒体播放将始终以给定的媒体速率执行。最坏情形抢占式调度仅在高优先级的线程在一个短的、有限时间段内抢占低优先级线程的情况下有效。否则，系统将不可能预测要花费多长时间来执行一个给定的操作。因此，任何销售进程模式的RTOS的供应商都必须提供针对下面两种时间间隔提供

3、最坏情形：线程切换时间，即当两个线程处于同一进程的情况下，从执行一个线程的最后一条指令到执行下一个被调度线程的第一条指令所经过的时间；前后关系切换(contextswitch)时间，其定义同上，但仅针对两个线程处于不同进程的情况。可以将线程看作是最小的“执行单元”，而将进程看作是一个或多个线程的“容器”，进程定义了线程将要在其中执行的地址空间。显然，最坏情形的前后关系切换时间将比最坏情形的线程切换时间要慢，尽管在一个好的RTOS设计中差别可能是微不足道的。将所有的线程放在几个大的进程中将是错误的，因为线程提供的切换速度更快。虽然线程能实

4、现并行处理优势因而适合于某些设计，但将一个应用分成多个内存保护的进程使得代码更容易调试，提供了更好的错误隔离和恢复能力，并允许系统进行新功能的动态升级。可抢占的内核在大部分通用操作系统中，操作系统的内核是不可抢占的。其结果是，一个高优先级的进程不可能抢占一个内核调用，而是必须等待整个调用完成，即使这个调用是由系统中的低优先级进程发起的。另外，当经常在内核调用中执行的驱动程序或其它系统服务代表一个客户线程执行的时候，所有的优先级信息常常会丢失，这导致了不可预测的延迟并阻止了关键活动的准时完成。而在RTOS中,内核操作是可抢占的。尽管仍然会

5、存在一些时间窗口，在这些时间窗口中可能没有抢占，但是这些时间间隔应该是相当短暂的，通常在几百纳秒。另外，必须有一个关于抢占被推迟或中断被禁止的时间上限，这样开发者可以确定最坏情形下的等待时间。为了实现这个目标，操作系统内核必须尽可能简洁，只有具有较短执行路径的服务才被包含在内核中，任何需要大量工作(如进程加载)的操作必须被安排到外部进程或线程。这种方法有助于通过内核确保最长的不可抢占代码路径具有一个时间上限。优先级继承然而，为一个进程设定一个高优先级并不总能保证该进程能够抢占低优先级的进程。有时候，系统会出现一种称为优先级倒置(prio

6、rityinversion)的状态，在这种状态下，低优先级的进程将在“无意中”阻止较高优先级进程占用CPU。优先级倒置可能会表现为几种形式，为了防止发生这种情况，RTOS必须提供一种称为优先级继承的功能。假定系统有三个进程：A(低优先级)，B(中等优先级)，Z(高优先级)。这里Z是一个为A和B提供服务的“服务器”进程。参见图1。现在假定A已经请求Z来执行一个计算，而在这期间，突然B需要Z的服务。因为B拥有比A更高的优先级，一般会认为Z将立即挂起A的请求并将转向为B服务。但是实际情况并非如此，因为Z比B具有更高的优先级。其结果是，B不能阻

7、止Z完成它当前的工作，即对A做出响应。从效果上看，低优先级的进程A占用了更高优先级进程B的CPU时间，这是引入优先级继承的原因。通过使用RTOS提供的优先级继承机制，系统可以在A发出请求的情况下，让Z继承A的低优先级。通过这种方式，B能够在任何时候抢占A的请求。如果一个应用程序分布于几个通过网络连接的处理器，那么RTOS也应该支持分布式优先级继承，这样可以按照优先级的顺序处理来自多个处理器的请求。如果没有优先级继承，一个多处理器系统可能会落入无限的优先级倒置和死锁中。中断处理为了获得对外部事件的及时响应，最小化硬件中断发生到执行该中断的

8、第一条代码的时间很重要。这个时间间隔称为中断延迟，为了保证中断延迟尽可能小，一个好的RTOS应该在几乎所有时间内都支持产生中断。正如在关于内核抢占部分提到的那样，一些重要的代码段的确需要暂时屏蔽中断。这种最