嵌入式RTOS到底“實(shí)時(shí)”在哪？

嵌入式專欄

關(guān)注+星標(biāo)公眾號(hào)，不錯(cuò)過精彩內(nèi)容作者 | 付斌來源 | 電子工程世界古人云：“天時(shí)、地利、人和，缺一不可”。嵌入式RTOS（Real Time Operating System，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)）便借風(fēng)起勢(shì)，在最近幾年大放異彩。嵌入式MCU，早已脫離主頻只有8MHz的時(shí)代，當(dāng)下嵌入式主控芯片里面，主頻已經(jīng)可以高達(dá)600MHz，而普通MCU也可以輕松運(yùn)行在64MHz。不止主頻有質(zhì)的飛躍，而且Arm Cortex-M系列的MCU，其在內(nèi)核設(shè)計(jì)初期亦添加了支持RTOS的原生內(nèi)核指令。不過，雖然說RTOS叫“實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)”，真的實(shí)時(shí)（Real-time）嗎？這里的實(shí)時(shí)又指代什么？最近，EEWorld論壇的工程師圍繞RTOS這一話題，進(jìn)行了一次討論，話題包括RTOS能做什么，實(shí)時(shí)性指的是是什么，根據(jù)實(shí)時(shí)性RTOS分為幾種，自己對(duì)于RTOS的理解是什么。（原帖地址：https://www.eeworld.com.cn/a0a54CC）
搞清裸機(jī)、RTOS、GPOS


想要搞清楚RTOS的“實(shí)時(shí)”，先要明白目前嵌入式領(lǐng)域三種開發(fā)形式——裸機(jī)開發(fā)（Bare Metal）、RTOS、GPOS（General-Purpose Operating System，通用操作系統(tǒng)），其主要特點(diǎn)如下：裸機(jī)：裸機(jī)系統(tǒng)不使用操作系統(tǒng)。相反，應(yīng)用程序代碼直接在硬件上運(yùn)行，無需操作系統(tǒng)支持，代碼可以直接與硬件交互并訪問硬件。裸機(jī)開發(fā)在資源受限的場(chǎng)景效果非常好，比如8位、16位MCU，或者只有32KB閃存、2KB RAM時(shí)。當(dāng)然，資源很豐富時(shí)候也可以采用裸機(jī)開發(fā)，就比如系統(tǒng)擁有高度的實(shí)時(shí)要求。目前，EEWorld論壇便擁有許多青睞于在裸機(jī)上開發(fā)的工程師。RTOS：顧名思義，旨在為實(shí)時(shí)應(yīng)用程序提供服務(wù)，這些應(yīng)用程序提供可預(yù)測(cè)的執(zhí)行時(shí)間和時(shí)間敏感型應(yīng)用程序，其的關(guān)鍵特征在于響應(yīng)性和確定性。相比裸機(jī)，RTOS更方便。要使用RTOS，系統(tǒng)應(yīng)至少擁有 64 KB閃存、4 KB RAM和80 MHz或更高的處理器時(shí)鐘。RTOS通常用于比裸機(jī)更復(fù)雜時(shí)序要求的系統(tǒng)，通常需處理TCP/IP、MQTT、USB、Wi-Fi 等通信堆棧時(shí)管理實(shí)時(shí)需求。雖然裸機(jī)也能開發(fā)這種系統(tǒng)，但RTOS可以簡化設(shè)計(jì)，加快上市時(shí)間，并使軟件維護(hù)更容易。RTOS的另外關(guān)鍵點(diǎn)在于軟件開發(fā)添加的功能，如務(wù)管理、任務(wù)同步、調(diào)度和任務(wù)間通信。RTOS允許考慮相互搶占的任務(wù)，從而允許更復(fù)雜的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。GPOS：主要包括Linux、Windows等，旨在運(yùn)行各種軟件應(yīng)用程序。這些操作系統(tǒng)專為用戶交互而設(shè)計(jì)，提供某種界面，無論是命令行界面 （CLI） 還是圖形用戶界面 （GUI），旨在運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用程序（通常具有多線程），并提供其他優(yōu)勢(shì)，例如資源/文件管理和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。用戶交互通常是 GPOS 設(shè)計(jì)的主要關(guān)注點(diǎn)，因此一些延遲是可以接受的。同時(shí)，硬件也通常是32位以上處理器，主頻達(dá)到200MHz以上，閃存達(dá)到數(shù)兆。因?yàn)長inux本身比較復(fù)雜，所以也誕生了介于RTOS和Linux之間的實(shí)時(shí)Linux（如Ubuntu的實(shí)時(shí)Linux）。實(shí)時(shí)Linux的核心概念是“搶占”，也就是中斷當(dāng)前執(zhí)行線程，立即處理優(yōu)先級(jí)較高的事件。RTOS和實(shí)時(shí)Linux之間的選擇取決于系統(tǒng)特定延遲要求，以及對(duì)開銷和資源效率的需求。雖然實(shí)時(shí)Linux為許多場(chǎng)景提供了強(qiáng)大的解決方案，但在某些關(guān)鍵的嵌入式系統(tǒng)中，專用 RTOS可能仍然更可取。如果項(xiàng)目需要在實(shí)時(shí)需求和運(yùn)行各種應(yīng)用程序的靈活性之間取得平衡，那么實(shí)時(shí)Linux將提供更通用的解決方案。



RTOS不能做什么

從裸機(jī)到RTOS，實(shí)際上工程師會(huì)存在許多困惑，EEWorld論壇中，工程師jorya_txj就曾用自己過去的經(jīng)歷，訴說自己對(duì)于RTOS的理解：他表示，目前接觸了幾位從裸機(jī)轉(zhuǎn)向RTOS的人士，接觸了一些項(xiàng)目，有一些感想，對(duì)于不了解RTOS的人，可能感覺這個(gè)東西很神秘，能解決任何裸奔解決不了的事情，可事情往往不是這樣的。裸奔只做一件事情是最有效率的，如果干一件事情裸奔都很吃力，rtos解決不了硬件負(fù)債的事情，相反使用rtos會(huì)更差。舉例說明，假設(shè)系統(tǒng)有一個(gè)20us頻率的中斷在cortex-m3 上面，中斷內(nèi)最大耗時(shí)10us。那中斷內(nèi)留給rtos的只有10us了，這10us內(nèi)還需要調(diào)用rtos的隊(duì)列發(fā)送api。雖然有的系統(tǒng)能響應(yīng)20us中斷，但是保證不了10us內(nèi)能完成api的調(diào)用以及出中斷處理。即使能保證，外面任務(wù)的執(zhí)行效率將會(huì)很差很差。絕大部分的RTOS做不了1us以內(nèi)的中斷響應(yīng)。也就是說中斷發(fā)生了之后，需要1us就能處理用戶的中斷函數(shù)。上面兩個(gè)例子只能從硬件設(shè)計(jì)上去著手，從根本上去解決這個(gè)問題。比如第一個(gè)問題可以采用專用的芯片或者控制器去降低中斷的頻率。第二個(gè)問題可以采用FPGA去完成精確地定時(shí)等等。RTOS更像一個(gè)軍隊(duì)管理決策者，而不是一個(gè)沖鋒在前面的勇士。一個(gè)系統(tǒng)越趨向復(fù)雜RTOS的優(yōu)勢(shì)越大，一個(gè)系統(tǒng)越趨向簡單，ROTS越無用武之地。RTOS很多時(shí)候不是救命稻草,硬件設(shè)計(jì)的問題還是需要硬件設(shè)計(jì)去解決，不能僥幸?guī)У杰浖�這邊去解決，即使軟件僥幸能解決這一次，下一次可能又解決不了了，不具備通用性。

關(guān)于實(shí)時(shí)，工程師的疑問


EEWorld論壇上，資深工程師辛昕曾發(fā)帖專門討論過這樣的問題——“實(shí)時(shí)”到底是什么。當(dāng)有人問他，“實(shí)時(shí)”到底是啥時(shí)，他一股腦地回答道：“就是反應(yīng)快唄，比如打開網(wǎng)頁，最好是1ms都不要等......”但得來的回應(yīng)是連實(shí)時(shí)是啥都不懂。實(shí)際上，實(shí)時(shí)性是指在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)響應(yīng)，而不是說什么越快越好。根據(jù)響應(yīng)時(shí)間在微秒、毫秒和秒級(jí)的不同，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性響應(yīng)分為三種，RTOS屬于硬實(shí)時(shí)：

第一種是硬實(shí)時(shí)（Hard real-time），是對(duì)即時(shí)的事件作出反應(yīng)，絕對(duì)不能錯(cuò)過事件處理時(shí)限，任何錯(cuò)過的最后期限視為系統(tǒng)故障。就是接近我們平素談到的RTOS的及時(shí)響應(yīng)，它不是強(qiáng)調(diào)反映有多快，而是要在規(guī)定的死限時(shí)間之前完成就可以了。

第二種是軟實(shí)時(shí)（Soft real-time），是允許經(jīng)常錯(cuò)過最后期限，只要任務(wù)及時(shí)執(zhí)行，它們的結(jié)果就會(huì)繼續(xù)有價(jià)值。接近WINDOWS、Linux桌面版這類常用系統(tǒng)，軟實(shí)時(shí)是指統(tǒng)計(jì)意義上的實(shí)時(shí)，一般整體吞吐量大或整體響應(yīng)速度快，但不能保證特定的任務(wù)在指定的時(shí)間內(nèi)完成。

第三種是準(zhǔn)實(shí)時(shí)（Firm real-time），即使系統(tǒng)未能滿足最后期限，可能不止一次（即對(duì)于多個(gè)請(qǐng)求），系統(tǒng)也不會(huì)被視為失敗。此外，一旦特定請(qǐng)求的截止日期已過，對(duì)請(qǐng)求的響應(yīng)（對(duì)查詢的答復(fù)、任務(wù)的結(jié)果等）將毫無價(jià)值（在截止日期之后結(jié)果的有用性為零）。
其他工程師則對(duì)實(shí)時(shí)也有自己理解。他們認(rèn)為，實(shí)時(shí)就是系統(tǒng)對(duì)事件的響應(yīng)時(shí)間能滿足需求，這樣就可以看作是實(shí)時(shí)，因?yàn)槭录�總是能夠在限定的時(shí)間內(nèi)得到響應(yīng)處理。具體的說，每一個(gè)事件的響應(yīng)時(shí)間，跟現(xiàn)實(shí)時(shí)間是確定關(guān)系。在正常工作環(huán)境中，不會(huì)出現(xiàn)不確定，這樣的系統(tǒng)就叫做實(shí)時(shí)系統(tǒng)。所以，可以說，所謂的實(shí)時(shí)，并非真的實(shí)時(shí)。知名嵌入式工程師StrongerHuang也同樣寫過：嚴(yán)格來說，RTOS也不是實(shí)時(shí)響應(yīng)并處理緊急的事情，只是在很短時(shí)間（一般ms級(jí)別）就做出了響應(yīng)，給人感覺就是實(shí)時(shí)在響應(yīng)。比如說，RTOS實(shí)時(shí)響應(yīng)的重要配置系統(tǒng)滴答（SysTick），按理來說，系統(tǒng)滴答值（節(jié)拍）越大響應(yīng)越快，但系統(tǒng)調(diào)度也需要占用時(shí)間，所以，滴答值也不是越大越好。再比如，用中斷就能做到實(shí)時(shí)響應(yīng)，但硬件中斷只能做出一個(gè)“緊急通知”，不能做出（耗時(shí)的）執(zhí)行動(dòng)作。另據(jù)其他工程師分享，RTOS的實(shí)時(shí)是指時(shí)間可控，能在某個(gè)需求時(shí)間窗口內(nèi)執(zhí)行完成。而不是指立刻執(zhí)行，所以RTOS是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。硬件中斷退出后立即執(zhí)行高優(yōu)先級(jí)任務(wù)，所以優(yōu)先級(jí)配置合理的話，能在us甚至ns級(jí)響應(yīng)。其實(shí)寫得好得裸機(jī)響應(yīng)跟RTOS差不多，但RTOS最大的優(yōu)勢(shì)在于任務(wù)調(diào)度，當(dāng)功能復(fù)雜時(shí)可以通過操作系統(tǒng)調(diào)度而不用擔(dān)心任務(wù)沖突。
RTOS的四種分類


實(shí)際上，RTOS本身也會(huì)按響應(yīng)級(jí)別分為四種類型，它們用于不同類型的嵌入式系統(tǒng)：1.硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（Hard RTOS）：硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)廣泛用于負(fù)責(zé)處理關(guān)鍵任務(wù)和要求精確時(shí)間限制的嵌入式解決方案。這意味著某些事件必須在預(yù)定的時(shí)刻執(zhí)行，而不是早或晚一秒執(zhí)行，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重問題甚至對(duì)系統(tǒng)造成物理損壞。案例包括汽車巡航控制和鐵路信號(hào)系統(tǒng)。2. 軟實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（Soft RTOS）：軟實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)適用于嵌入式系統(tǒng)，其中缺少預(yù)定義的時(shí)間限制不會(huì)嚴(yán)重影響相關(guān)流程和整體系統(tǒng)運(yùn)行。它允許設(shè)置執(zhí)行特定任務(wù)的時(shí)間截止日期，但錯(cuò)過這些截止日期不會(huì)停止系統(tǒng)運(yùn)行。例如機(jī)上娛樂和語音聊天應(yīng)用程序。3. 準(zhǔn)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（Firm RTOS）：準(zhǔn)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是硬RTOS和軟RTOS的中間地帶，其工作原理如下：使用準(zhǔn)RTOS時(shí)，系統(tǒng)任務(wù)可能會(huì)錯(cuò)過最后期限，而不會(huì)對(duì)流程和系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生影響。然而，可以錯(cuò)過的任務(wù)數(shù)量是有限的，如果它們超過允許的數(shù)量，將導(dǎo)致嚴(yán)重的系統(tǒng)錯(cuò)誤和延遲。例子包括機(jī)器人裝配線和電信網(wǎng)絡(luò)。4. 確定性實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（Deterministic RTOS）：確定性實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與時(shí)序必須始終精確的嵌入式系統(tǒng)完美匹配。這種類型的實(shí)時(shí)嵌入式編程允許預(yù)測(cè)執(zhí)行不同優(yōu)先級(jí)和復(fù)雜性的任務(wù)所需的時(shí)間。確定性調(diào)度將使我們能夠設(shè)置準(zhǔn)確執(zhí)行關(guān)鍵任務(wù)的時(shí)間框架。它使嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行可預(yù)測(cè)、穩(wěn)定可靠。



參考文獻(xiàn)
[1]https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1300391-1-1.html[2]https://bbs.eeworld.com.cn/thread-473427-1-1.html[3]https://bbs.eeworld.com.cn/thread-428154-1-1.html[4]https://www.digikey.com/en/maker/projects/what-is-a-realtime-operating-system-rtos/28d8087f53844decafa5000d89608016[5]https://www.beningo.com/how-to-choose-between-bare-metal-rtos-and-gpos/[6]https://mp.weixin.qq.com/s/PUwee79SWTj7diXS02knIw[7]https://lembergsolutions.com/blog/choosing-right-rtos-your-embedded-system
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