RTOS系统与Linux系统的区别

上一篇 / 下一篇  2020-08-14 10:26:51

  RTOS是实时操作系统
  Linux是时分系统,不过可以通过配置内核改成实时系统
  实时操作系统
  英文称Real Time Operating System,简称RTOS。
  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
  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。
  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
  以下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。

TAG: Linux 操作系统

 

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