4种实时操作系统实时性的分析对比
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中断响应时间＝关中断的最长时间
资源与１个极限优先权相联系，这个极限优先权等于系统 此时最高优先权加 １。当这个任务退出临界区后，系统立 即把它的优先权恢复正常，从而保证系统不会出现优先
＋保护 ＣＰＵ 内部寄存器的时间 ＋进入中断服务函数的执行时间 ＋开始执行中断服务例程（ＩＳＲ）的第
权反转的情况。采用这种方案的另一个有利之处，是仅仅 通过改变某个临界资源的优先级就可以使多个任务共享 这个临界资源。
地。“时光宝盒”将于 ２０１８年，英特尔公司成立５０周年 之际被重新打开。
英特尔于 １９８５ 年进入中国，在中国（大陆）设有１３ 个代表处 ， 有员工 １８００ 多名。
在中国，英特尔设有世界一流的研究机构，即英特 尔中国实验室 ， 它由 ４ 个不同研究中心组成，包括英特 尔中国研究中心、英特尔中国软件实验室、英特尔无线 技术发展中心、英特尔互联网交换架构发展中心。在上 海，英特尔投资 ５ 亿美元建立了世界一流的芯片测试与 封装工厂，并于２００３年４月宣布向全球发运世界最先进 的微处理器产品。英特尔的战略投资事业部（ Ｉ ｎ ｔ ｅ ｌ Ｃａｐｉｔａｌ）自 １９９８ 年以来一直在中国进行积极的策略投 资，已向国内近３０家技术公司进行了策略风险投资，旨 在促进新兴技术和产业生态环境的发展，从而更有效地 推动中国互联网经济的发展。此外，英特尔还十分积极 地支持并启动了一系列教育创新活动。
的 ４ 种操作系统—— ＶｘＷｏｒｋｓ、µＣ／ＯＳ－ＩＩ、ＲＴ－Ｌｉｎｕｘ、 两个以上任务有同样优先级，通常用时间片轮转法进行
ＱＮＸ ，为系统选型提供一定参考。
调度。对硬实时系统而言，需要使用的算法就应该是调度
实时性能主要实现技术
方式简单，反应速度快的实时调度算法了。尽管调度算法 多种多样，但大多由单一比率调度算法（ＲＭＳ）和最早期
实时操作系统的实时性是第一要求，需要调度一切 限优先算法（ＥＤＦ）变化而来。前者主要用于静态周期任务
可利用的资源完成实时任务。根据响应时间在微秒、毫秒 和秒级的不同，可分为强实时、准实时和弱实时三种。强 表１ 系统所使用技术的异同
实时系统必须是对即时的事件作出反应，绝对不能错过
事件处理时限。例如测控领域就是要求强或接近强实时
使用了优先级继承技术，当优先级反转发生时，优先级较 低的任务被暂时地提高它的优先级，使得该任务能尽快 执行，释放出优先级较高的任务所需要的资源。但它也不 能完全避免优先级反转，只能称其减轻了优先级反转的 程度，减轻了优先级反转对实时任务完成的影响。
优先权极限是另一种解决方案，系统把每一个临界
务，使得内核可以跟踪中断的嵌套。占先式内核的中断响 应时间由下式给出：
表２列出了部分体现实时性能重要指标的典型值，它 们的测试平台和测试方法不完全相同，影响了数据的可
的时间约束在程序编译时是已知的。反之，应用程序执行 比性，但我们仍可作为参考。
过程中，任务的优先级是可变的，则称之为动态优先级。
另外，还有系统响应时间（系统发出处理要求到系统
● 时间的可确定性
给出应答信号的时间）、最长关中断时间、非屏蔽中断响
系统。在机顶盒、ＰＤＡ、信息家电等应用领域，系统负荷
较重的时候，允许发生错过时限的情况而且不会造成太
大的危害，准和弱实时系统就可满足应用。一个强实时的
操作系统通常使用以下技术：
ｗｗｗ．ｅｅｐｗ．ｃｏｍ．ｃｎ ２００３．８／上半月 61
ＩＣ 与元器件
IC & COMPONENTS IC & COMPONENTS
中实时操作系统起着决定性的作用。
制权，而 ＣＰＵ 的控制权是可知的。使用占先式内核使得
在复杂测控应用中，必须使用对实时性要求非常高 任务级响应时间得以最优化。
的实时操作系统。例如在工业控制、交通管理、机器人、
● 调度策略分析
航空航天、武器装备等领域，系统事件的响应如果不能准
任务调度策略是直接影响实时性能的因素。强实时
时或超时，就可能导致巨大的损失和灾难。因而，选择操 系统和准实时系统的实现区别主要在选择调度算法上。
作系统时，对实时性的仔细考虑至关重要。本文从实时性 选择基于优先级调度的算法足以满足准实时系统的要求，
的角度细致的分析对比了适用于此类有苛刻实时性要求 而且可以提供高速的响应和大的系统吞吐率。当两个或
２５０µｓ。
不同程度的提前或滞后，称之为任务执行时间的抖动。可
62 ２００３．８／上半月 ｗｗｗ．ｅｅｐｗ．ｃｏｍ．ｃｎ
IC & COMPONENTS IC & COMPONENTS
ＩＣ 与元器件
能的解决方案有： ａ． 增加微处理器的时钟频和时钟节拍的频率；ｂ． 重
的调度，后者主要用于动态调度，在不同的系统状态下两 表２ 系统实时性能重要指标的典型值
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。
● 任务优先级分配 每个任务都有其优先级。任务越重要，赋予的优先 级应越高。应用程序执行过程中诸任务优先级不变，则称 之为静态优先级。在静态优先级系统中，诸任务以及它们
新安排任务的优先级；ｃ． 避免使用浮点运算等。 强实时系统中，我们必须综合考虑，充分利用各种
手段，尽量减少任务执行时间的抖动。 ● 任务划分 程序在 ＣＰＵ 中是以任务的方式在运行，所以我们要
将系统的处理框图转化为多任务流程图，对处理进行任 务划分。任务划分存在这样一对矛盾：如果任务太多，必 然增加系统任务切换的开销；如果任务太少，系统的并行 度就降低了，实时性就比较差。在任务划分时要遵循 Ｈ．Ｇｏｍｍａ 原则：
如果这时有中等优先级的就绪任务，阻塞会进一步恶化。 它严重影响了实时任务的完成。
为防止发生优先级反转，一些商业内核（如ＶｘＷｏｒｋｓ）
切换所需要的时间取决于 Ｃ Ｐ Ｕ 有多少寄存器要入栈。 ＣＰＵ 的寄存器越多，额外负荷就越重。
● 中断响应时间（可屏蔽中断） 计算机接收到中断信号到操作系统作出响应，并完 成切换转入中断服务程序的时间。对于占先式内核，要先 调用一个特定的函数，该函数通知内核即将进行中断服
● 任务切换时间 当多任务内核决定运行另外的任务时，它把正在运 行任务的当前状态（即 ＣＰＵ 寄存器中的全部内容）保存到
● 优先级反转 这是实时系统中出现得最多的问题。优先级反转是 指一个任务等待比它优先级低的任务释放资源而被阻塞，
任务自己的栈区之中。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。这个过程就称为任务切换。做任务
ｗｗｗ．ｅｅｐｗ．ｃｏｍ．ｃｎ ２００３．８／上半月 63
一条指令时间
● 任务执行时间的抖动
中断响应时间是系统在最坏情况下响应中断的时间，
各种实时内核都有将任务延时若干个时钟节拍的功
某系统 １００ 次中有 ９９次在 ５０µｓ之内响应中断，只有一次 能。优先级的不同、延时请求发生的时间、发出延时请求
响应中断的时间是 ２ ５ ０ µｓ，只能认为中断响应时间是 的任务自身的运行延迟，都会造成被延时任务执行时间
关键词： 实时操作系统；ＶｘＷｏｒｋｓ；µＣ／ＯＳ－ＩＩ；ＲＴ－Ｌｉｎｕｘ；ＱＮＸ
引言
● 占先式内核
２０世纪７０年代以来嵌入式系统的硬件和软件技术的
当系统时间响应很重要时，要使用占先式内核。当
飞速进步，使得嵌入式应用得到了蓬勃发展，在这些应用 前最高优先级的任务一旦就绪，总能立即得到 ＣＰＵ 的控
强实时操作系统的函数调用与服务的执行时间应具 应时间等辅助的衡量指标。
有可确定性。系统服务的执行时间不依赖于应用程序任
务的多少。系统完成某个确定任务的时间是可预测的。
若干问题
实时性能重要指标
衡量实时操作系统实时性能的重要指标有：
虽然当今的实时操作系统已日臻完善，但仍有一 些问题存在并干扰着强实时的实现。我们应充分的重视， 并通过合理的安排程序减少它们的危害。
ａ． Ｉ／Ｏ原则：不同的外设执行不同任务； ｂ． 优先级原则：不同优先级处理不同的任务； ｃ． 大量运算：归为一个任务； ｄ． 功能耦合：归为一个任务； ｅ． 偶然耦合：归为一个任务； ｆ． 频率组合：对于周期时间，不同任务处理不同的 频率。
如果我们在具体分析一个系统的时候发生原则冲突 的话，则要为每一个原则针对具体的系统设定“权重”，必 要的时候可以通过计算“权重”来最终确定如何去划分任 务。
参考文献： １． 劭贝贝，‘ＵＣ／ＯＳ－ＩＩ源码公开的实时嵌入式操作 系统’， 北京：中国电力出版社， ２００１， ２９－６８ ２． 武强‘，选择嵌入式实时操作系统应注意的几个问 题’，航空计算技术，２００２，３２（３）：９０－９２
英特尔全球同庆公司成立 ３ ５ 周年
日前，英特尔公司宣布在全球启动“英特尔员工庆 祝周”，隆重庆祝公司成立 ３５周年，纪念公司在过去３５ 年的创新历程中创造出的各种微处理器产品对整个世界 产生的重要影响。
总结
ＶｘＷｏｒｋｓ、µＣ／ＯＳ－ＩＩ、ＲＴ－Ｌｉｎｕｘ、ＱＮＸ 都是优秀的 强实时操作系统，各有特色：ＶｘＷｏｒｋｓ 的衡量指标值最 好；µＣ／ＯＳ－ＩＩ 最短小精悍；ＲＴ－Ｌｉｎｕｘ支持调度策略的改 写；ＱＮＸ 支持分布式应用。当我们充分理解和掌握它们 实现技术、衡量指标的不同，注意所存在的问题，就能在 实时性应用中游刃有余。■
公司的两位创始人－现任英特尔名誉主席戈登·摩 尔、董事长安迪·格鲁夫以及首席执行官克瑞格 ．贝瑞 特、总裁兼首席运营官欧德宁一起出席了在圣塔克拉拉 总部举行的庆祝活动，他们还一起将一组由当前世界一 流的产品组成的一个“时光宝盒” （Ｔｉｍｅ Ｃａｐｓｕｌｅ）小心 地埋下。
“时光宝盒”包含的内容是从英特尔全球各地收集 上来的，其中包括从俄勒冈洲采集来的、世界领先的 ３００ 毫米硅晶圆、由中国上海的测试和封装厂提供的微 处理器封装产品以及一份来自哥斯达黎加的新闻稿等。 这一“时光宝盒”是用以色列橄榄树雕刻而成，上面刻 有金属鸽，象征着以色列对未来世界和平的向往。以色 列是英特尔迅驰移动计算技术的一个主要设计中心所在
IC & COMPONENTS IC & COMPONENTS
ＩＣ 与元器件
４ 种实时操作系统实时性的分析对比
Ｔｈｅ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ Ｆｏｕｒ Ｍａｉｎ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｆｏｒFra Baidu bibliotekＲＴＯＳ
合肥工业大学机汽学院 合肥荣事达电冰箱有限公司 王伟 蒋斌
摘 要： 本文分析了适用于测控领域的４种实时操作系统，并对比了它们实时性能的重要指标，归纳了实时性 设计和实现中的若干问题。
资源与１个极限优先权相联系，这个极限优先权等于系统 此时最高优先权加 １。当这个任务退出临界区后，系统立 即把它的优先权恢复正常，从而保证系统不会出现优先
＋保护 ＣＰＵ 内部寄存器的时间 ＋进入中断服务函数的执行时间 ＋开始执行中断服务例程（ＩＳＲ）的第
权反转的情况。采用这种方案的另一个有利之处，是仅仅 通过改变某个临界资源的优先级就可以使多个任务共享 这个临界资源。
地。“时光宝盒”将于 ２０１８年，英特尔公司成立５０周年 之际被重新打开。
英特尔于 １９８５ 年进入中国，在中国（大陆）设有１３ 个代表处 ， 有员工 １８００ 多名。
在中国，英特尔设有世界一流的研究机构，即英特 尔中国实验室 ， 它由 ４ 个不同研究中心组成，包括英特 尔中国研究中心、英特尔中国软件实验室、英特尔无线 技术发展中心、英特尔互联网交换架构发展中心。在上 海，英特尔投资 ５ 亿美元建立了世界一流的芯片测试与 封装工厂，并于２００３年４月宣布向全球发运世界最先进 的微处理器产品。英特尔的战略投资事业部（ Ｉ ｎ ｔ ｅ ｌ Ｃａｐｉｔａｌ）自 １９９８ 年以来一直在中国进行积极的策略投 资，已向国内近３０家技术公司进行了策略风险投资，旨 在促进新兴技术和产业生态环境的发展，从而更有效地 推动中国互联网经济的发展。此外，英特尔还十分积极 地支持并启动了一系列教育创新活动。
的 ４ 种操作系统—— ＶｘＷｏｒｋｓ、µＣ／ＯＳ－ＩＩ、ＲＴ－Ｌｉｎｕｘ、 两个以上任务有同样优先级，通常用时间片轮转法进行
ＱＮＸ ，为系统选型提供一定参考。
调度。对硬实时系统而言，需要使用的算法就应该是调度
实时性能主要实现技术
方式简单，反应速度快的实时调度算法了。尽管调度算法 多种多样，但大多由单一比率调度算法（ＲＭＳ）和最早期
实时操作系统的实时性是第一要求，需要调度一切 限优先算法（ＥＤＦ）变化而来。前者主要用于静态周期任务
可利用的资源完成实时任务。根据响应时间在微秒、毫秒 和秒级的不同，可分为强实时、准实时和弱实时三种。强 表１ 系统所使用技术的异同
实时系统必须是对即时的事件作出反应，绝对不能错过
事件处理时限。例如测控领域就是要求强或接近强实时
使用了优先级继承技术，当优先级反转发生时，优先级较 低的任务被暂时地提高它的优先级，使得该任务能尽快 执行，释放出优先级较高的任务所需要的资源。但它也不 能完全避免优先级反转，只能称其减轻了优先级反转的 程度，减轻了优先级反转对实时任务完成的影响。
优先权极限是另一种解决方案，系统把每一个临界
务，使得内核可以跟踪中断的嵌套。占先式内核的中断响 应时间由下式给出：
表２列出了部分体现实时性能重要指标的典型值，它 们的测试平台和测试方法不完全相同，影响了数据的可
的时间约束在程序编译时是已知的。反之，应用程序执行 比性，但我们仍可作为参考。
过程中，任务的优先级是可变的，则称之为动态优先级。
另外，还有系统响应时间（系统发出处理要求到系统
● 时间的可确定性
给出应答信号的时间）、最长关中断时间、非屏蔽中断响
系统。在机顶盒、ＰＤＡ、信息家电等应用领域，系统负荷
较重的时候，允许发生错过时限的情况而且不会造成太
大的危害，准和弱实时系统就可满足应用。一个强实时的
操作系统通常使用以下技术：
ｗｗｗ．ｅｅｐｗ．ｃｏｍ．ｃｎ ２００３．８／上半月 61
ＩＣ 与元器件
IC & COMPONENTS IC & COMPONENTS
中实时操作系统起着决定性的作用。
制权，而 ＣＰＵ 的控制权是可知的。使用占先式内核使得
在复杂测控应用中，必须使用对实时性要求非常高 任务级响应时间得以最优化。
的实时操作系统。例如在工业控制、交通管理、机器人、
● 调度策略分析
航空航天、武器装备等领域，系统事件的响应如果不能准
任务调度策略是直接影响实时性能的因素。强实时
时或超时，就可能导致巨大的损失和灾难。因而，选择操 系统和准实时系统的实现区别主要在选择调度算法上。
作系统时，对实时性的仔细考虑至关重要。本文从实时性 选择基于优先级调度的算法足以满足准实时系统的要求，
的角度细致的分析对比了适用于此类有苛刻实时性要求 而且可以提供高速的响应和大的系统吞吐率。当两个或
２５０µｓ。
不同程度的提前或滞后，称之为任务执行时间的抖动。可
62 ２００３．８／上半月 ｗｗｗ．ｅｅｐｗ．ｃｏｍ．ｃｎ
IC & COMPONENTS IC & COMPONENTS
ＩＣ 与元器件
能的解决方案有： ａ． 增加微处理器的时钟频和时钟节拍的频率；ｂ． 重
的调度，后者主要用于动态调度，在不同的系统状态下两 表２ 系统实时性能重要指标的典型值
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。
● 任务优先级分配 每个任务都有其优先级。任务越重要，赋予的优先 级应越高。应用程序执行过程中诸任务优先级不变，则称 之为静态优先级。在静态优先级系统中，诸任务以及它们
新安排任务的优先级；ｃ． 避免使用浮点运算等。 强实时系统中，我们必须综合考虑，充分利用各种
手段，尽量减少任务执行时间的抖动。 ● 任务划分 程序在 ＣＰＵ 中是以任务的方式在运行，所以我们要
将系统的处理框图转化为多任务流程图，对处理进行任 务划分。任务划分存在这样一对矛盾：如果任务太多，必 然增加系统任务切换的开销；如果任务太少，系统的并行 度就降低了，实时性就比较差。在任务划分时要遵循 Ｈ．Ｇｏｍｍａ 原则：
如果这时有中等优先级的就绪任务，阻塞会进一步恶化。 它严重影响了实时任务的完成。
为防止发生优先级反转，一些商业内核（如ＶｘＷｏｒｋｓ）
切换所需要的时间取决于 Ｃ Ｐ Ｕ 有多少寄存器要入栈。 ＣＰＵ 的寄存器越多，额外负荷就越重。
● 中断响应时间（可屏蔽中断） 计算机接收到中断信号到操作系统作出响应，并完 成切换转入中断服务程序的时间。对于占先式内核，要先 调用一个特定的函数，该函数通知内核即将进行中断服
● 任务切换时间 当多任务内核决定运行另外的任务时，它把正在运 行任务的当前状态（即 ＣＰＵ 寄存器中的全部内容）保存到
● 优先级反转 这是实时系统中出现得最多的问题。优先级反转是 指一个任务等待比它优先级低的任务释放资源而被阻塞，
任务自己的栈区之中。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。这个过程就称为任务切换。做任务
ｗｗｗ．ｅｅｐｗ．ｃｏｍ．ｃｎ ２００３．８／上半月 63
一条指令时间
● 任务执行时间的抖动
中断响应时间是系统在最坏情况下响应中断的时间，
各种实时内核都有将任务延时若干个时钟节拍的功
某系统 １００ 次中有 ９９次在 ５０µｓ之内响应中断，只有一次 能。优先级的不同、延时请求发生的时间、发出延时请求
响应中断的时间是 ２ ５ ０ µｓ，只能认为中断响应时间是 的任务自身的运行延迟，都会造成被延时任务执行时间
关键词： 实时操作系统；ＶｘＷｏｒｋｓ；µＣ／ＯＳ－ＩＩ；ＲＴ－Ｌｉｎｕｘ；ＱＮＸ
引言
● 占先式内核
２０世纪７０年代以来嵌入式系统的硬件和软件技术的
当系统时间响应很重要时，要使用占先式内核。当
飞速进步，使得嵌入式应用得到了蓬勃发展，在这些应用 前最高优先级的任务一旦就绪，总能立即得到 ＣＰＵ 的控
强实时操作系统的函数调用与服务的执行时间应具 应时间等辅助的衡量指标。
有可确定性。系统服务的执行时间不依赖于应用程序任
务的多少。系统完成某个确定任务的时间是可预测的。
若干问题
实时性能重要指标
衡量实时操作系统实时性能的重要指标有：
虽然当今的实时操作系统已日臻完善，但仍有一 些问题存在并干扰着强实时的实现。我们应充分的重视， 并通过合理的安排程序减少它们的危害。
ａ． Ｉ／Ｏ原则：不同的外设执行不同任务； ｂ． 优先级原则：不同优先级处理不同的任务； ｃ． 大量运算：归为一个任务； ｄ． 功能耦合：归为一个任务； ｅ． 偶然耦合：归为一个任务； ｆ． 频率组合：对于周期时间，不同任务处理不同的 频率。
如果我们在具体分析一个系统的时候发生原则冲突 的话，则要为每一个原则针对具体的系统设定“权重”，必 要的时候可以通过计算“权重”来最终确定如何去划分任 务。
参考文献： １． 劭贝贝，‘ＵＣ／ＯＳ－ＩＩ源码公开的实时嵌入式操作 系统’， 北京：中国电力出版社， ２００１， ２９－６８ ２． 武强‘，选择嵌入式实时操作系统应注意的几个问 题’，航空计算技术，２００２，３２（３）：９０－９２
英特尔全球同庆公司成立 ３ ５ 周年
日前，英特尔公司宣布在全球启动“英特尔员工庆 祝周”，隆重庆祝公司成立 ３５周年，纪念公司在过去３５ 年的创新历程中创造出的各种微处理器产品对整个世界 产生的重要影响。
总结
ＶｘＷｏｒｋｓ、µＣ／ＯＳ－ＩＩ、ＲＴ－Ｌｉｎｕｘ、ＱＮＸ 都是优秀的 强实时操作系统，各有特色：ＶｘＷｏｒｋｓ 的衡量指标值最 好；µＣ／ＯＳ－ＩＩ 最短小精悍；ＲＴ－Ｌｉｎｕｘ支持调度策略的改 写；ＱＮＸ 支持分布式应用。当我们充分理解和掌握它们 实现技术、衡量指标的不同，注意所存在的问题，就能在 实时性应用中游刃有余。■
公司的两位创始人－现任英特尔名誉主席戈登·摩 尔、董事长安迪·格鲁夫以及首席执行官克瑞格 ．贝瑞 特、总裁兼首席运营官欧德宁一起出席了在圣塔克拉拉 总部举行的庆祝活动，他们还一起将一组由当前世界一 流的产品组成的一个“时光宝盒” （Ｔｉｍｅ Ｃａｐｓｕｌｅ）小心 地埋下。
“时光宝盒”包含的内容是从英特尔全球各地收集 上来的，其中包括从俄勒冈洲采集来的、世界领先的 ３００ 毫米硅晶圆、由中国上海的测试和封装厂提供的微 处理器封装产品以及一份来自哥斯达黎加的新闻稿等。 这一“时光宝盒”是用以色列橄榄树雕刻而成，上面刻 有金属鸽，象征着以色列对未来世界和平的向往。以色 列是英特尔迅驰移动计算技术的一个主要设计中心所在
IC & COMPONENTS IC & COMPONENTS
ＩＣ 与元器件
４ 种实时操作系统实时性的分析对比
Ｔｈｅ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ Ｆｏｕｒ Ｍａｉｎ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｆｏｒFra Baidu bibliotekＲＴＯＳ
合肥工业大学机汽学院 合肥荣事达电冰箱有限公司 王伟 蒋斌
摘 要： 本文分析了适用于测控领域的４种实时操作系统，并对比了它们实时性能的重要指标，归纳了实时性 设计和实现中的若干问题。