嵌入式实时操作系统应用分析

随着 EOS(Embedded Operation System, 嵌入式操作系统 ) 在工业控制领域内的广泛应用，操作系统的实时性成为一个日益被关注和重视的问题。

当前主流的 EOS 一般可分为两类，一类是商业级的嵌入式操作系统，这类操作系统都由知名公司开发与维护，在技术支持与服务上都有较好的保证，如 VxWorks 、 QNX 、 WinCE 等，但这类产品一般使用许可证比较昂贵，且不公开核心代码，这就与嵌入式设备的用户定制性较强、升级换代快等特点相违背。另一类则是逐渐兴起的源码开放的嵌入式操作系统，如嵌入式 Linux 、 eCos 等，由于这类系统具有用户可定制性好、费用低廉等优势，从目前看来，它们已成了嵌入式操作系统应用的主要推动力。

嵌入式Linux 操作系统

嵌入式 Linux 系统是标准 Linux 在嵌入式领域的延伸，其特点和功能与标准 Linux 几乎完全相同。 Linux 系统的稳定性和健壮性已经在真实世界中得到了证明，在工业控制领域也有许多非常成功的应用。但是，在针对一些有较强实时性要求的特定工业应用中， Linux 系统仍然暴露 出 了许多技术缺陷。其主要原因是因为 Linux 系统起初是为 PC 开发的，在功能和性能选择上更多的兼顾了 PC 应用的特点，追求系统的功能完备性和整体性能最优。这一点在 Linux 系统的调度策略上表现的尤为明显，如任务之间采用的是基于分时技术 ( time-sharing ) 的调度策略，而且不支持内核态抢占式调度，这样系统就无法保证紧急任务总是会被优先执行，且调度延迟不确定，是随机可变的。

因此，有相当多机构和公司都在研究如何提高 Linux 实时性能，并取得了一些富有成效的成果。同时，开源社区也做着同样的事情，那就是 Linux 2.6 版本的开发。开源社区采用的实时化思想是直接对 Linux 内核的调度机制和算法进行修改和优化。 Linux 2.6 内核开发大约是从 2001 年开始，经过三年左右的开发，在 2004 年发布了稳定版本，经过了这几年的测试与改进，已经在桌面 PC 和服务器领域内得到了大量使用，在嵌入式系统上的应用也在不断发展中。 Linux 2.6 版本中与实时性相关的改进主要体现在以下几个方面。

⑴ 调度计算的分散性。 2.6 版本中采用了由 Ingo Molnar 实现的调度算法，该算法将进程优先级的计算分散在多处进行，而不是集中在一个统一的调度函数中，这样不仅提高了计算效率，还减小了 CPU 因集中调度计算所消耗的时间，并且使调度器的时间开销是与系统负载无关，是 O(1) 恒定的。

⑵ 抢占式内核的支持。 2.6 版本中提供了对抢占式内核的支持，而 2.4 内核是不支持内核抢占的。支持抢占式调度是实时操作系统的标志之一，这也是早期 Linux 系统应用于实时应用时最为诟病的地方。

⑶ 系统同步机制的改进。 2.6 内核中则对系统中同步机制的使用进行了优化，大大减小了因同步机制引起的时间消耗。

⑷ 更细的时间粒度。在 2.6 内核中，定时器的频率被定义为 1000Hz ，而 2.4 内核中为 100Hz 。

虽然， Linux 2.6 系统仍然不是严格实时系统，但它的实时性能得到了很大提高却是个不争的事实，有关文献采用统计的方法对 Linux 2.6 和 2.4 内核中任务响应和中断响应的进行了 310 万次测试，然后对平均响应时间和最坏响应时间进行了对比，下图 (a) 和 (b) 给出了时间比较结果。从结果可以看出 2.6 内核的实时响应能力要远高于 2.4 内核，差距至少在十多倍以上。这一结果更增强了用户将 2.6 内核应用到各种非严格实时应用中的信心。

a 平均响应时间

b 最坏响应时间

中嵌科技多年来一直关注 Linux 系统在工业控制领域的应用，所提供的全系列嵌入式产品已全部支持基于 2.6 内核的嵌入式 Linux 系统，并针对不同工业应用的实时性要求进行深入的应用研究。

eCos （ Embedded Configurable Operating System ，嵌入式可配置实时操作系统）

eCos （ Embedded Configurable Operating System ），嵌入式可配置操作系统，是 Cygnus 公司 1998 年推出的嵌入式实时操作系统解决方案。 eCos 的一个主要设计目标是实现系统的高度可配置能力，为实现这一目标，它将系统分为不同的软件组件。这些软件组件具有可重用性，根据实际应用的需要，通过其独特的配置工具可以选择使用相应的组件，同时对每一个选择使用的组件，用户还可以对每个选项进行更细致的配置，可以增加或删减组件的某些功能，从而实现完整的嵌入式操作系统。使用这种方式最后产生可执行的 eCos 映像文件非常紧凑，只包含应用所需的特定功能，这样使得 eCos 系统与许多传统的 RTOS 相