对计算机嵌入式实时操作系统的研究及分析
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摘要: 作为嵌入式系统能够稳定运行的基础,嵌入式实时操作系统性能的优劣将直接影响到嵌入式系统的功能,随着当今社会中嵌入式系统在各种领域的广泛应用,对嵌入式实时操作系统的研究工作也显得更加重要。本文对嵌入式实时操作系统的体系结构和评价指标做了分析,并且对当前较为常见的集中嵌入式实时操作系统做了简要的分析和评价。
2013 NO.01
China New Technologies and Products
对计算机嵌入式实时操作系统的研究及分析
（辽宁广播电视大学，辽宁沈阳110034）
摘要：作为嵌入式系统能够稳定运行的基础，嵌入式实时操作系统性能的优劣将直接影响到嵌入式系统的功能，随着当
今社会中嵌入式系统在各种领域的广泛应用，对嵌入式实时操作系统的研究工作也显得更加重要。本文对嵌入式实时操作
系统的体系结构和评价指标做了分析，并且对当前较为常见的集中嵌入式实时操作系统做了简要的分析和评价。
关键词：计算机技术；嵌入式；操作系统；嵌入式实时操作系统
中图分类号：U665.261
文献标识码：A
在当下，信息产业已经逐渐成为了
社会中新的经济增长中心，通过和通信
产业、计算机技术的结合，信息产业已
经逐渐发展成了庞大的学科领域。在这
一学科中，计算机嵌入式实时操作系统
是重要的课题之一，必须得到深入的分
析和研究。
1嵌入式实时操作系统简介
随着信息技术的飞速发展，嵌入式
系统已经在生活中得到了广泛的应用，
在学术界、军事领域和人们的日常生活
中发挥着巨大的作用。所谓的嵌入式系
统，指的是为了实现制定的功能，把硬
件和软件结合在一超的计算机系统。目
前嵌入式系统的开发已经成为技术开发
的热点，其硬件处理能力和对数据库的
要求也越来越高。
嵌入式实时操作系统是作为一种嵌
入式操作系统，能够及时地对外部事件
给予相应。实时嵌入式操作系统对外部
的响应分为外部事件的识别、处理和结
果的输出三个步骤，实时系统能够分为
软实时系统和硬实时系统两种，软实时
系统的宗旨是任务运行的速度越快越好，
其对响应时间因素的界定有着一定的灵
活性，而硬实时系统要求任务应该做到
无误和准时，任务不能在规定的时间之
内完成的话，就可能导致严重的后果。
2嵌入式实时操作系统性能的重要指
评价嵌入式实时操作系统性能的指
标主要有系统的成熟度、稳定性、可靠性、
安全性、开放性和实时性等。
系统的成熟度是对一个操作系统的
可靠性、稳定性等性能做出综合评价的
重要指标，操作系统从开始研发到能够
可靠和稳定的运行，其中需要一个较长
的开发、评测、升级维护的过程，只有
经过广泛的实际应用，才能逐步走向成
熟。稳定性指的是实时嵌入式操作系统
能否在长时间的运行中保持稳定，不会
出现异常的状况的性能，是保证系统能
够稳定工作的重要指标。可靠性反映的
是嵌入式实时操作系统在外界因素影响
下保证正常运行的能力，对系统玎靠性
的衡量一般是以系统连续且稳定运行的
时间长短为标准。安全性指的是嵌入式
实时操作系统对外部攻击和软件自身权
限的抵御能力。开放性反映的是操作系
统是否符合国际的设计标准、能否得到
各种功能软件、开发工具、驱动程序等
第三方软件的支持的能力。系统的实时
性是反映系统对外部事件进行响应的能
力，其衡量因素包括了系统的调用时间、
中断和延迟的时间、任务切换的时间、
数据包的吞吐率等等。
3嵌入式实时操作系统的体系结构
在操作系统的体系结构中最基本的
是层次结构和模块结构，其中模块结构
是最简单常见的结构化设计。嵌入式实
时操作系统的模块结构能够分为处理器
管理模块、存储器管理模块、设备管理
模块和文件管理模块等，分别对应着计
算机硬件系统的CPU、内存、计算机中
各种需要驱动程序来管理的硬件和不同
容量的存储设备。其中只有文件管理模
块是建立在存储器设备之上的模块，因
此可以说嵌入式实时操作系统就是计算
机硬件的直接逻辑映射，是将计算机硬
件组合模型用软件来表达的方式。层次
结构是建立在系统的模块分类之上的、
以模块的集合作为层的结构。按照模块
间的调用方式的不同，操作系统还能够
分为微核和单内核两类。
4常用的嵌入式实时操作系统介绍
4.lVxWorks
VxWorks足目前市场占有率较高、
应用最为广泛的嵌入式实时操作系统。
VxWorks系统是由400多个短小而相对独
立的目标模块组成的，用户在使用的时
候能够根据自己的需要来进行模块的选
择和搭配，配置出适合自己需要的系统。
VxWorks系统能够提供基于优先级的任
务调度、中断处理、任务间的同步与通
信、内存管理、定时器等多种功能的服
务，并且内建了多处理器控制程序和符
合POSIX规范的内存管理程序，其用户
接口具有简明易懂的特点。
4.2 LL Clinux
作为嵌入式Linux的版本之一，
¨Clinux同标准的Linux比起来具有更小
的内核。但是¨Clinux仍然具备了Linux
操作系统的优点，比如良好的移植性和
稳定性、出色的网络功能、强大的文件
系统、丰富标准的API以及对TCP/IP协
议的支持等。然而由于缺少MMU内存管
理单元，因此¨Clinux中多任务的运行
需要一定的技巧才能实现。
4.3 LL C/OS-II
斗cios-n是基于斗C-OS系统而发
展起来的，是以C语言为基础来编写的
多任务实时操作系统内核。¨cios-n能
够同时对64个任务进行管理，并且能够
提供任务的管理调度、内存管理、任务
间通倍与同步、中断服务、时间管理等
功能。具有着结构小巧、执行效率很高、
实时性能较为优良、占用空间小、可扩
展性较强的优点。
eCos是一种可移植、可配置、面向
深度的嵌入式应用的，源代码开放的实
时操作系统。其特点是采用模块化的设
计，配置非常灵活，核心部件由内核、
底层运行包、C语言库等小组件来组成。
eCos的每个组件都能够提供大量配置选
项，因此使用eCos本身提供的配置工具
能够很方便地进行系统的配置，通过不
同方案的配置能够使eCos满足不同的应
目前，嵌入式实时操作系统的应用
范围为已经越来越广，对嵌入式实时操
作系统的开发将成为操作系统发展的主
要方向。嵌入式实时操作系统的进步，
能够带来巨大的社会效益，对于信息交
流的加强和社会的进步有着重要的作用。
同时，嵌入式系统也在潜移默化中影响
着人们的生活。
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术，2012(20)
中国新技术新产品
-15】优领域
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海淀分局备案编号四种实时操作系统的分析比较
字体：[ ] 类型：转载 时间：
&&& 本文对四种实时操作系统(RTOS)特性进行分析和比较。它们是：Lynx实时系统公司的LynxOS、QNX软件系统有限公司的QNX以及两种具有代表性的实时Linux--新墨西哥工学院的RT－Linux和堪萨斯大学的KURT－Linux。 　　近年来，实时操作系统在多媒体通信、在线事务处理、生产过程控制、交通控制等各个领域得到广泛的应用，因而越来越引起人们的重视。 　　1、基本特征概述 　　QNX是一个分布式、嵌入式、可规模扩展的实时操作系统。它遵循POSIX.1、(程序接口)和POSIX.2(Shell和工具)、部分遵循POSIX.1b(实时扩展)。它最早开发于1980年，到现在已相当成熟。 　　LynxOS是一个分布式、嵌入式、可规模扩展的实时操作系统，它遵循POSIX.1a、POSIX.1b和POSIX.1c标准。它最早开发于1988年。 　　RT－Linux是一个嵌入式硬实时操作系统，它部分支持POSIX.1b标准。 　　KURT－Linux不是为嵌入式应用设计的，不同于硬(hard)实时／软(soft)实时应用，他们提出"严格(firm)"实时应用的概念，如一些多媒体应用和ATM网络应用，KURT是为这样一些应用设计的"严格的"实时系统。 　　2、体系结构异同 　　实时系统的实现多为微内核体系结构，这使得核心小巧而可靠，易于ROM固化，并可模块化扩展。微内核结构系统中，OS服务模块在独立的地址空间运行，所以，不同模块的内存错误便被隔离开来。但它也有弱点，进程间通信和上下文切换的开销大大增加。相对于大型集成化内核系统来说，它必须靠更多地进行系统调用来完成相同的任务。 　　QNX是一个微内核实时操作系统，其核心仅提供4种服务：进程调度、进程间通信、底层网络通信和中断处理，其进程在独立的地址空间运行。所有其它OS服务，都实现为协作的用户进程，因此QNX核心非常小巧(QNX4.x大约为12Kb)而且运行速度极快。 　　LynxOS目前还不是一个微内核结构的操作系统，但它计划使用所谓的"Galaxy"技术将其从大型集成化内核改造成微内核，这一技术将在LynxOS 3.0中引入。新的28Kb微内核提供以下服务：核心启动和停止、底层内存管理、出错处理、中断处理、多任务、底层同步和互斥支持。 　　RT－Linux实现了一个小的实时核心，仅支持底层任务创建、中断服务例程的装入、底层任务通信队列、中断服务例程(ISR)和Linux进程。原来的非实时Linux核心作为一个可抢先的任务运行于这个小核心之上，所有的任务都在核心地址空间运行。它不同于微内核和大型内核，属于实时EXE(realtime executive)体系结构。其可靠性和可维护性对电信服务系统来说都不够理想。 　　KURT－Linux核心包括两个部分：内核和实时模块。内核负责实时事件的调度，实时模块为用户进程提供特定的实时服务。它不属于微内核结构。 　　3、调度策略分析　　任务调度策略是直接影响实时性能的因素。尽管调度算法多种多样，但大多由单调率算法(RM)和最早期限优先算法(EDF)变化而来。前者主要用于静态周期任务的调度，后者主要用于动态调度，在不同的系统状态下两种算法各有优劣。在商业产品中采用的实际策略常常是各种因素的折中。 　　QNX 提供POSIX.1b标准进程调度： 　　32个进程优先级； 　　抢占式的、基于优先级的正文切换； 　　可选调度策略：FIFO、轮转策略、适应性策略。 　　LynxOS 其调度策略为： 　　LynxOS支持线程概念，提供256个全局用户线程优先级； 　　硬实时优先级调度：在每个优先级上实现了轮转调度、定量调度和FIFO调度策略； 　　快速正文切换和阻塞时间短； 　　抢占式的RTOS核心。 　　RT－Linux 　　在操作系统之下实现了一个简单的实时核心，Linux本身作为一个可抢占的任务在核内运行，优先级最低，随时会被高优先级任务抢占。 　　用户可自行编写调度程序，它们可实现为可加载的核心模块； 　　已实现的调度程序有：基于优先级的抢占式调度和EDF调度； 　　基于优先级的调度使用"单调率算法"，它直接支持周期任务。 　　KURT－Linux 　　可运行在两种状态之下：通常状态和实时状态。在通常状态下，所有进程都可以运行，但某些核心服务将带来中断屏蔽的不可预期性。实时模式只允许实时进程运行。　　支持FIFO调度策略、轮转调度策略和UNIX分时调度策略； 　　增加了SCHED－KURT调度策略，这是一种静态调度策略，使用一个特殊的调度文件记录预先定义好的待调度进程的参数。 　　从以上简略描述可以看出，前三种调度策略实现较规范，特别是两种商业RTOS，遵循或部分遵循POSIX.1b实时调度标准。 　4、操作系统服务比较 　　4.1 QNX的系统服务： 　　多种资源管理器，包括各种文件系统和设备管理，支持多个文件系统同时运行，包括提供完全POSIX.1及UNIX语法的POSIX文件系统，支持多种闪存设备的嵌入式文件系统，支持对多种文件服务器(如Windows NT/95、LAN Manager等)的透明访问的SMB文件系统、DOS文件系统、CDROM文件系统等。 　　设备管理。在进程和终端设备间提供大吞吐量、低开销接口服务。 　　图形／窗口支持。包括QNX Windows、X Window System for QNX、对MS Windows NT/95和X Window系统的远程图形连接。 　　TCP/IP for QNX。 　　高性能、容错型QNX网络--FLEET，使得所有连入网络的计算机变成一个逻辑上的超级计算机。 　　透明的分布式处理。FLEET网络处理与消息传递和进程管理原语的集成，将本地和网络IPC统一起来，使得网络对IPC而言是透明的。 　　4.2 LynxOS的系统服务： 　　网络和通信。由于使用UNIX/POSIX API，Lynx很适合于数据通信和Internet应用。又由于系统的开放性，网络软件很容易移植到Lynx上。同样，Lynx亦提供关键的电话通信协议，使之适用于电信系统的基础架构、操作和多媒体应用。 　　TCP/IP协议栈。Lynx自带优化的TCP/IP协议栈，提供高性能服务，如TCP头预测、高级路由算法、IP级多址广播和链路级高速缓冲。 　　Internet工具。包括，Telnet、Ftp、tftp、PPP、SLIP、实时调度的嵌入式Java虚拟机、嵌入式HTTP server、bootp、ARP/RARP、DNS域名服务、电子邮件、Perl、电话通信协议等。 　　SVR3流。LynxOS流机制为开发和移植基于流的驱动程序和应用提供了核心支持。 　　文件系统。实时的类UNIX层次结构文件系统：连续结构文件、带缓冲／不带缓冲、原始分区和原始设备访问。 　　基于Motif的图形用户接口。 　　分布式计算资源。SCMP与VME总线上的多处理结合，PCI桥服务、CompactPCI Hot－swap Services、Lynx/HA－DDS分布式数据系统。　　4.3 Linux的系统服务：　　近来，很多基于Linux的实时应用被开发出来，它具有成熟和丰富的资源。 　　UNIX用户的开发工具和应用软件都被移植到Linux上。 　　TCP/IP网络协议。 　　各种Internet客户/服务端软件。 　　X Window。 　　C/C＋＋、Java等语言编译器。 　　上述系统的共同点是都提供了图形界面、各种网络支持等必要工具。QNX是一个更加符合传统"分布式"概念的操作系统，目标是把整个局域网变成一个大的超级计算机，使得网络的存在对用户透明，文件系统提供的服务也很丰富。但是，分布式的程度越高也意味着系统开销的增大。LynxOS则着意于提供丰富的网络服务，而Linux的最大优势则是经济，还可以通过新闻组或mailing 　　5、系统开放性对比 　　对于很多大、中型系统来说，大多数软件都是为UNIX平台编写的，因此RTOS是否提供POSIX/UNIX API就显得很重要。 　　5.1 QNX的开放性　　QNX的POSIX兼容性和其提供的UNIX特色的编译器、调试器、X Window和TCP/IP都是UNIX程序员所熟悉的。 　　支持多种CPU：AMD ElanSC300/310/400/410、Am386 DE/SE、Cyrix MediaGX、x86处理器(386以上)、Pentium系列、STMicroelectronics 的STPC。 　　多种总线：CompactPCI、EISA、ISA 、MPE (RadiSys)、STD、STD 32、PC/104、PC/104－Plus、PCI、PCMCIA、VESA、VME。 　　各种外设：多种SCSI设备、IDE/EIDE驱动器、10M/100M以太网卡、Token Ring网卡、FDDI接口卡、多种PCMCIA设备、闪存、声卡等等。　　5.2 LynxOS的开放性　　POSIX.1a、1b、1c及BSD4.4等兼容性，使得遵循POSIX 1003或用于UNIX的程序很容易移植到LynxOS上。 　　支持多种CPU主板：包括CompactPCI(6U/3U)和标准PCI、VME/Eurobus、PC/104和PC/AT硬件等。 　　各种外设适配器：10/100BaseT Ethernet、SCSI接口、单／多通道串行控制器、单／双工并行口、时钟、计时器、IDE接口、高分辨率显示适配器等。　　5.3 Linux的开放性　　用户可得到UNIX的全部开发工具。 　　可使用市场上便宜又常见的硬件。 　　通过分析，可以看到以上系统各有优势，因此，在平台搭造过程中，用户应根据自己的实际需要并结合性能价格比进行选择。
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