RTOS提高嵌入式系統(tǒng)實時性和可靠性研究分析

1、RTOS提高嵌入式系統(tǒng)實時性和可靠性研究分析    很多使用嵌入式系統(tǒng)的電腦使用者來說，有一個良好的實時操作系統(tǒng)和非實時操作系統(tǒng)是很享受的一件事，然而市場上的嵌入式系統(tǒng)并不能夠滿足所有電腦愛好者的要求，怎么辦？這就要求我們自己動手來實現(xiàn)提高實時操作系統(tǒng)的實時性能和可靠性策略。對很多嵌入式系統(tǒng)來說，一個設(shè)計良好的實時操作系統(tǒng)(RTOS)可以讓開發(fā)工程師掌握系統(tǒng)執(zhí)行任何任務(wù)或響應(yīng)任何關(guān)鍵事件的時間，滿足系統(tǒng)實時性要求。為了理解RTOS如何通過系統(tǒng)調(diào)度策略實現(xiàn)實時性要求，本文介紹了搶占式調(diào)度、可搶占的內(nèi)核、優(yōu)先級繼承和中斷處理等概念。 在設(shè)計工業(yè)控制系統(tǒng)或醫(yī)療

2、設(shè)備時，大部分工程師和系統(tǒng)設(shè)計工程師會認(rèn)為采用RTOS是必需的。然而，網(wǎng)際路由器、車載娛樂系統(tǒng)和多媒體設(shè)備等普通應(yīng)用還需要采用RTOS嗎？像Linux或Windows這樣的通用操作系統(tǒng)是否就能勝任呢？通常，這些產(chǎn)品需要采用RTOS，但是這個問題常常直到設(shè)計階段的后期才能意識到。 RTOS對于很多嵌入式系統(tǒng)來說不但是有益的，而且也是必要的，認(rèn)識到這一點很重要。例如，一個播放如MPEG格式電影的設(shè)備，如果依靠軟件來實現(xiàn)其整個內(nèi)容傳輸，可能會出現(xiàn)用戶難以接受的高丟幀率。然而，通過使用RTOS，系統(tǒng)設(shè)計工程師能夠準(zhǔn)確地控制軟件過程的執(zhí)行順序，從而保證按照給定的媒體速率進(jìn)行播放。上述大部分情況適用于用戶

3、希望對輸入做出立即響應(yīng)的系統(tǒng)。通過RTOS，開發(fā)人員能夠保證由用戶的操作總能得到及時的響應(yīng)，除非一個更重要的操作(如一項有助于保障用戶安全的操作)必須首先執(zhí)行。 總之,一個好的RTOS支持開發(fā)人員控制系統(tǒng)執(zhí)行任何任務(wù)或?qū)θ魏沃匾录龀龇磻?yīng)的時間，并且能夠以一種可以預(yù)測并且完全一致的形式滿足任務(wù)執(zhí)行的最終期限要求。但是，如果RTOS崩潰，這些最終期限就不能被滿足。因此，RTOS必須提供高度的可靠性。特別是它必須提供在不需要重啟的情況下，從軟件故障中快速并智能恢復(fù)的機(jī)制。 搶占式調(diào)度 在像Linux這樣的通用操作系統(tǒng)中，在對線程和進(jìn)程的CPU占用上采用了“公平”調(diào)度策略。這樣的策略能夠提供良好的

4、整體表現(xiàn)，但是不能保證高優(yōu)先級、對時間要求嚴(yán)格的線程將優(yōu)先于低優(yōu)先級的線程執(zhí)行。事實上，操作系統(tǒng)有時甚至?xí)袛喔邇?yōu)先級的線程來為低優(yōu)先級線程提供CPU時間。其結(jié)果可能造成對時間要求嚴(yán)格的線程很容易地錯過它們的最終期限，甚至在一個高速的高端處理器上運(yùn)行時也會出現(xiàn)這種情況。 而在RTOS中，線程按照其優(yōu)先級順序執(zhí)行。如果一個高優(yōu)先級的線程準(zhǔn)備運(yùn)行時，它將在一個短的、有限時間間隔內(nèi)從任何可能正在運(yùn)行的低優(yōu)先級進(jìn)程接管CPU。另外，高優(yōu)先級的線程能夠不被中斷地運(yùn)行，直到它已經(jīng)完成了需要做的事情當(dāng)然是在不被更高優(yōu)先級進(jìn)程搶占的前提下。這種方法就是搶占式調(diào)度，保證了高優(yōu)先級線程始終滿足其最終期限，而不管有

5、多少其它線程正在競爭CPU時間。 通過合理地控制線程優(yōu)先級，開發(fā)者能顯著地提高很多對用戶非常重要的應(yīng)用響應(yīng)速度。然而，控制優(yōu)先級可能是一把雙刃劍，當(dāng)使用不當(dāng)時它可能會潛在地導(dǎo)致低優(yōu)先級的進(jìn)程不能得到CPU時間。保證高優(yōu)先級的進(jìn)程和線程的同時確保不會使其它進(jìn)程處于“饑餓”狀態(tài)的關(guān)鍵是要對它們的執(zhí)行進(jìn)行限制，通過對執(zhí)行進(jìn)行調(diào)整或在響應(yīng)加載的過程中進(jìn)行控制，開發(fā)人員能夠限制這些活動消耗的CPU時間比例，并支持低優(yōu)先級進(jìn)程獲得對CPU的共享。 優(yōu)先級控制能夠使很多應(yīng)用受益，包括像前面提到的媒體播放器(MP3、WAV、MPEG2等格式)。媒體播放器需要實現(xiàn)正常播放所要求的速率(例如44kHz的音頻、30

6、fps的視頻)。在這種限制之下，一個讀線程和一個顯示線程可以被設(shè)計成依靠一個可編程的定時器來喚醒，緩沖或顯示一幀后進(jìn)入睡眠狀態(tài)，直到下一個定時觸發(fā)。這提供了一種調(diào)整機(jī)制，支持高于正常用戶活動而又低于關(guān)鍵系統(tǒng)功能的優(yōu)先級設(shè)置。換句話說，如果沒有更重要的任務(wù)準(zhǔn)備運(yùn)行，媒體播放將始終以給定的媒體速率執(zhí)行。 最壞情形 搶占式調(diào)度僅在高優(yōu)先級的線程在一個短的、有限時間段內(nèi)搶占低優(yōu)先級線程的情況下有效。否則，系統(tǒng)將不可能預(yù)測要花費(fèi)多長時間來執(zhí)行一個給定的操作。因此，任何銷售進(jìn)程模式的RTOS的供應(yīng)商都必須提供針對下面兩種時間間隔提供最壞情形：線程切換時間，即當(dāng)兩個線程處于同一進(jìn)程的情況下，從執(zhí)行一個線程的

7、最后一條指令到執(zhí)行下一個被調(diào)度線程的第一條指令所經(jīng)過的時間；前后關(guān)系切換(context switch)時間，其定義同上，但僅針對兩個線程處于不同進(jìn)程的情況。 可以將線程看作是最小的“執(zhí)行單元”，而將進(jìn)程看作是一個或多個線程的“容器”，進(jìn)程定義了線程將要在其中執(zhí)行的地址空間。顯然，最壞情形的前后關(guān)系切換時間將比最壞情形的線程切換時間要慢，盡管在一個好的RTOS設(shè)計中差別可能是微不足道的。 將所有的線程放在幾個大的進(jìn)程中將是錯誤的，因為線程提供的切換速度更快。雖然線程能實現(xiàn)并行處理優(yōu)勢因而適合于某些設(shè)計，但將一個應(yīng)用分成多個內(nèi)存保護(hù)的進(jìn)程使得代碼更容易調(diào)試，提供了更好的錯誤隔離和恢復(fù)能力，并允許

8、系統(tǒng)進(jìn)行新功能的動態(tài)升級。 可搶占的內(nèi)核 在大部分通用操作系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)的內(nèi)核是不可搶占的。其結(jié)果是，一個高優(yōu)先級的進(jìn)程不可能搶占一個內(nèi)核調(diào)用，而是必須等待整個調(diào)用完成，即使這個調(diào)用是由系統(tǒng)中的低優(yōu)先級進(jìn)程發(fā)起的。另外，當(dāng)經(jīng)常在內(nèi)核調(diào)用中執(zhí)行的驅(qū)動程序或其它系統(tǒng)服務(wù)代表一個客戶線程執(zhí)行的時候，所有的優(yōu)先級信息常常會丟失，這導(dǎo)致了不可預(yù)測的延遲并阻止了關(guān)鍵活動的準(zhǔn)時完成。 而在RTOS中,內(nèi)核操作是可搶占的。盡管仍然會存在一些時間窗口，在這些時間窗口中可能沒有搶占，但是這些時間間隔應(yīng)該是相當(dāng)短暫的，通常在幾百納秒。另外，必須有一個關(guān)于搶占被推遲或中斷被禁止的時間上限，這樣開發(fā)者可以確定最壞情形

9、下的等待時間。 為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，操作系統(tǒng)內(nèi)核必須盡可能簡潔，只有具有較短執(zhí)行路徑的服務(wù)才被包含在內(nèi)核中，任何需要大量工作(如進(jìn)程加載)的操作必須被安排到外部進(jìn)程或線程。這種方法有助于通過內(nèi)核確保最長的不可搶占代碼路徑具有一個時間上限。 優(yōu)先級繼承 然而，為一個進(jìn)程設(shè)定一個高優(yōu)先級并不總能保證該進(jìn)程能夠搶占低優(yōu)先級的進(jìn)程。有時候，系統(tǒng)會出現(xiàn)一種稱為優(yōu)先級倒置(priority inversion)的狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，低優(yōu)先級的進(jìn)程將在“無意中”阻止較高優(yōu)先級進(jìn)程占用CPU。優(yōu)先級倒置可能會表現(xiàn)為幾種形式，為了防止發(fā)生這種情況，RTOS必須提供一種稱為優(yōu)先級繼承的功能。假定系統(tǒng)有三個進(jìn)程：A(

10、低優(yōu)先級)，B(中等優(yōu)先級)，Z(高優(yōu)先級)。這里Z是一個為A和B提供服務(wù)的“服務(wù)器”進(jìn)程。參見圖1。 現(xiàn)在假定A已經(jīng)請求Z來執(zhí)行一個計算，而在這期間，突然B需要Z的服務(wù)。因為B擁有比A更高的優(yōu)先級，一般會認(rèn)為Z將立即掛起A的請求并將轉(zhuǎn)向為B服務(wù)。但是實際情況并非如此，因為Z比B具有更高的優(yōu)先級。其結(jié)果是，B不能阻止Z完成它當(dāng)前的工作，即對A做出響應(yīng)。 從效果上看，低優(yōu)先級的進(jìn)程A占用了更高優(yōu)先級進(jìn)程B的CPU時間，這是引入優(yōu)先級繼承的原因。通過使用RTOS提供的優(yōu)先級繼承機(jī)制，系統(tǒng)可以在A發(fā)出請求的情況下，讓Z繼承A的低優(yōu)先級。通過這種方式，B能夠在任何時候搶占A的請求。 如果一個應(yīng)用程序分

11、布于幾個通過網(wǎng)絡(luò)連接的處理器，那么RTOS也應(yīng)該支持分布式優(yōu)先級繼承，這樣可以按照優(yōu)先級的順序處理來自多個處理器的請求。如果沒有優(yōu)先級繼承，一個多處理器系統(tǒng)可能會落入無限的優(yōu)先級倒置和死鎖中。 中斷處理 為了獲得對外部事件的及時響應(yīng)，最小化硬件中斷發(fā)生到執(zhí)行該中斷的第一條代碼的時間很重要。這個時間間隔稱為中斷延遲，為了保證中斷延遲盡可能小，一個好的RTOS應(yīng)該在幾乎所有時間內(nèi)都支持產(chǎn)生中斷。正如在關(guān)于內(nèi)核搶占部分提到的那樣，一些重要的代碼段的確需要暫時屏蔽中斷。這種最大的屏蔽時間通常被定義為最大的中斷延遲。 在某些情況下，硬件中斷處理器必須調(diào)度并運(yùn)行一個更高優(yōu)先級的線程(例如在一個驅(qū)動程序中)

12、。在這樣的情況下，中斷處理器將返回并指示一個事件將被處理。這樣的處理將引入了第二種形式的延遲調(diào)度延遲，這個延時必須在設(shè)計中加以考慮。調(diào)度延遲是介于用戶的中斷處理器的最后一條指令和驅(qū)動程序線程第一條指令的執(zhí)行之間的時間。 在一個嵌入式系統(tǒng)中可能會同時出現(xiàn)多個硬件中斷。例如，在一個病人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中，當(dāng)一個傳感器記錄了病人心跳的一次變化并且網(wǎng)卡接收到網(wǎng)絡(luò)傳來的數(shù)據(jù)的同時，護(hù)士按了觸摸屏。很明顯，一些中斷(如心率的變化)應(yīng)該立即得到處理，而其他的則可以延緩。通過提供對嵌套中斷的支持，RTOS支持嵌入式系統(tǒng)優(yōu)先處理更高優(yōu)先級的中斷。 如何提高可靠性 我們已經(jīng)明白怎樣使RTOS具有可以預(yù)測性，但是如何實現(xiàn)其

13、可靠性呢？答案在很大程度上取決于RTOS的架構(gòu)。 例如在實時執(zhí)行模式架構(gòu)中，大部分或所有軟件組件都在一個單一的內(nèi)存地址空間中運(yùn)行，包括操作系統(tǒng)內(nèi)核、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、設(shè)備驅(qū)動程序、應(yīng)用程序等。雖然很有效率，但這種架構(gòu)有兩個明顯的缺陷：1. 在任何組件中的一個指針錯誤，不論這個錯誤多么細(xì)微，都可能破壞操作系統(tǒng)內(nèi)核或任何其它組件，導(dǎo)致不可預(yù)測的行為和整個系統(tǒng)的崩潰；2. 很難動態(tài)修復(fù)或替換任何有故障的組件。在大多數(shù)情況下，出現(xiàn)這些問題時系統(tǒng)復(fù)位是唯一的選擇。 一些RTOS，也像Linux一樣，試圖通過使用單內(nèi)核架構(gòu)來解決這個問題。在這種架構(gòu)中，用戶的應(yīng)用程序在隔離的、受保護(hù)內(nèi)存地址空間中運(yùn)行。如果一個應(yīng)用程序試圖訪問其地址空間之外的數(shù)據(jù)，內(nèi)存管理單元(MMU)將通知操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)可能會采取保護(hù)措施，例如終止出錯進(jìn)程。然而，這樣的操作系統(tǒng)需要將大多數(shù)或所有驅(qū)動程序、文件系統(tǒng)和其它系統(tǒng)服務(wù)綁定到內(nèi)核中。因此，任何組件中的一個錯誤都可能帶來災(zāi)難性的內(nèi)核故障。 第三種方法是采用微內(nèi)核(mricokernel)架構(gòu)來提供更精確的故障隔離，像QNX Neutrino這樣的操作系統(tǒng)都基于微內(nèi)核架構(gòu)。微內(nèi)核有兩個明確的特征： 1. 在操作系統(tǒng)內(nèi)核中只實現(xiàn)了一個包含了基本OS服務(wù)的小內(nèi)核(如信號量、定時器、任務(wù)調(diào)度等)。包括驅(qū)動程序、文件系統(tǒng)、協(xié)議棧和用戶應(yīng)