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RTOS的必備特性
隨著信息家電的普及，智能化、網(wǎng)絡(luò)化將會(huì)無所不在，所有這些都離不開嵌入式軟件，而在嵌入式軟件只中最核心的莫過于RTOS（Real Time Operating System，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)）。我們都非常熟悉Windows這樣的操作系統(tǒng)，但卻不一定熟悉嵌入式系統(tǒng)中常用的RTOS。如今，微軟已經(jīng)推出了Windows的嵌入式版本——Windows CE。而風(fēng)靡一時(shí)的Linux也在嵌入式系統(tǒng)中扮演著重要角色。這樣看來，傳統(tǒng)桌面操作系統(tǒng)和嵌入式操作系統(tǒng)的界線似乎也在淡化。事實(shí)究竟如何呢？讓我們來聽聽在嵌入式軟件領(lǐng)域頗有造詣的專家是怎么說的。用于嵌入式環(huán)境的操作系統(tǒng)RTOS與桌面操作系統(tǒng)有很多本質(zhì)的不同。這些不同的特性導(dǎo)致產(chǎn)品開發(fā)的不同結(jié)果。
嵌入式環(huán)境給人的第一印象就是占用空間小。所以，普通的Linux或者Windows操作系統(tǒng)要變成嵌入式操作系統(tǒng)，首先就是要進(jìn)行裁剪。然而，與桌面環(huán)境相比，嵌入式環(huán)境對(duì)于操作系統(tǒng)系統(tǒng)要求不僅僅是“小”，二者在設(shè)計(jì)要求上有著本質(zhì)的不同。這些不同主要體現(xiàn)在可裁剪性、實(shí)時(shí)性和可靠性等三個(gè)方面。
隨機(jī)應(yīng)變——可裁剪性
從硬件環(huán)境來看，桌面操作系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)化的CPU、存儲(chǔ)和I/O架構(gòu)，而嵌入式環(huán)境中的RTOS的硬件環(huán)境只有標(biāo)準(zhǔn)化的CPU，沒有標(biāo)準(zhǔn)化的存儲(chǔ)、I/O和顯示器架構(gòu)。
從應(yīng)用環(huán)境來看，桌面操作系統(tǒng)面向復(fù)雜多變的應(yīng)用，而RTOS面向單一設(shè)備的單一應(yīng)用。
從開發(fā)界面來看，桌面操作系統(tǒng)試圖給開發(fā)人員提供一個(gè)“黑箱”，讓開發(fā)人員通過一系列標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)用來使用操作系統(tǒng)中的功能，而嵌入式試圖為開發(fā)人員提供一個(gè)“白箱”，讓開發(fā)人員可以自主控制系統(tǒng)的所有資源。
總之，桌面操作系統(tǒng)的研究開發(fā)指導(dǎo)思想是盡可能在不改變自身的前提下具有廣泛的適應(yīng)性。也就是說：不論應(yīng)用環(huán)境怎么變化，最好都不要對(duì)自身內(nèi)部產(chǎn)生什么影響，也不要求自身做太多的變化。反過來，應(yīng)用于嵌入式環(huán)境的RTOS，在研發(fā)的時(shí)候就必須立足于改變自身、開放自身，讓開發(fā)人員可以根據(jù)硬件環(huán)境和應(yīng)用環(huán)境的不同而對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行靈活的裁剪和配置，因?yàn)閷?duì)于任何一個(gè)具體的嵌入式設(shè)備，它的功能是確定的，因此只要從原有操作系統(tǒng)中把這個(gè)特定應(yīng)用所需的功能拿進(jìn)來即可。
應(yīng)當(dāng)指出的是：如果一個(gè)操作系統(tǒng)平臺(tái)只能依靠手工的方式去掉一些代碼，這根本就不是可裁剪性。所謂可裁剪性是在軟件工程階段利用軟件配置方法實(shí)現(xiàn)軟件構(gòu)件的“即插即用”。
可裁剪性帶給用戶的一個(gè)最直接的好處是硬件成本降低，這對(duì)于成本敏感的應(yīng)用，如消費(fèi)電子類設(shè)備，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。由于設(shè)備中只包含應(yīng)用程序用到的那部分操作系統(tǒng)功能，這就使得系統(tǒng)變得簡(jiǎn)單、易把握，從而提高系統(tǒng)的可靠性。
精確到位——實(shí)時(shí)性
許多人都把實(shí)時(shí)性理解為速度快。那么，速度快到什么程度才算是達(dá)到實(shí)時(shí)性呢？其實(shí)，所謂實(shí)時(shí)性，其核心含義在于確定性，而不是單純的速度快。也就是說，RTOS所要求的是在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)做完應(yīng)該做的事情，并且操作系統(tǒng)的行為（執(zhí)行線索）是確定的，這是寫出高可靠性程序的基礎(chǔ)。如果完成同樣的動(dòng)作，有的時(shí)候快，有的時(shí)候慢，且執(zhí)行線索千差萬別，程序員無法把握，可靠性就無從保證。
嵌入式系統(tǒng)為什么對(duì)實(shí)時(shí)性要求那么高呢？因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)主要是對(duì)儀器設(shè)備的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制的，而一般的桌面操作系統(tǒng)基本上是根據(jù)人在鍵盤和鼠標(biāo)發(fā)出的命令進(jìn)行工作。相對(duì)而言，儀器設(shè)備的動(dòng)作具有嚴(yán)格的、機(jī)械的時(shí)序要求，而人的動(dòng)作和反應(yīng)在時(shí)序上并不那么嚴(yán)格。比如，用于控制火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的嵌入式系統(tǒng)，它所發(fā)出的指令不僅要速度快，而且多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)之間的時(shí)序要求非常嚴(yán)格，否則就會(huì)差之毫厘、謬之千里。在這樣的應(yīng)用環(huán)境中，非實(shí)時(shí)的普通操作系統(tǒng)無論如何是無法適應(yīng)的。
如果我們所開發(fā)的設(shè)備并不是像航空航天器那樣生命攸關(guān)或者生產(chǎn)控制那樣的關(guān)鍵任務(wù)系統(tǒng)，而是像消費(fèi)電子類那樣，即使出現(xiàn)錯(cuò)誤也不會(huì)造成災(zāi)難性后果的設(shè)備，那么實(shí)時(shí)性（嚴(yán)格地講是確定性）是否還具有現(xiàn)實(shí)意義呢？答案是肯定的！設(shè)備的高可靠性可以有效地降低維護(hù)成本；軟件運(yùn)行效率高也會(huì)降低對(duì)CPU的要求，從而降低硬件成本。對(duì)于消費(fèi)電子產(chǎn)品這類價(jià)格十分敏感的產(chǎn)品，實(shí)時(shí)性、可靠性仍然是非常值得重視的問題。
堅(jiān)如磐石――可靠性
桌面操作系統(tǒng)與RTOS相比，另一個(gè)差別就是對(duì)于穩(wěn)定性、可靠性方面的設(shè)計(jì)思路。一方面，桌面操作系統(tǒng)比較龐大、復(fù)雜，而RTOS比較小巧、簡(jiǎn)捷，而“越簡(jiǎn)單、越可靠，越復(fù)雜、故障概率越大”這又是一個(gè)常理。另一方面，更重要的是：桌面操作環(huán)境與嵌入式環(huán)境在設(shè)計(jì)思路上有一個(gè)重大的不同——桌面環(huán)境假定應(yīng)用軟件與操作系統(tǒng)相比而言可以是不可靠的，而嵌入式環(huán)境假定應(yīng)用軟件與操作系統(tǒng)一樣可靠。
運(yùn)行于嵌入式環(huán)境中的RTOS要求應(yīng)用軟件具有與操作系統(tǒng)同樣的可靠性，這種設(shè)計(jì)思路對(duì)應(yīng)用開發(fā)人員提出了更高的要求，同時(shí)也要求操作系統(tǒng)自身足夠開放。
著名的“木桶原理”告訴我們，局部的不足會(huì)導(dǎo)致整體的缺陷。要保證系統(tǒng)的可靠性，必須保證系統(tǒng)中每一個(gè)部分都是可靠的，任何部分的不可靠都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)整體的不可靠。大多數(shù)桌面系統(tǒng)都是上千萬行代碼的龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)，即使有源代碼程序員也難以把握。而且對(duì)開發(fā)人員來說，桌面系統(tǒng)龐雜的細(xì)節(jié)是隱蔽在一個(gè)個(gè)的固定的接口下的，是一個(gè)黑箱，很難把握具體執(zhí)行的線索。即便其內(nèi)核是足夠可靠的，但它的應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜多樣、千差萬別，其中常常有一些應(yīng)用并不是那么穩(wěn)定可靠，從而破壞了整體系統(tǒng)的可靠性。相反，RTOS對(duì)軟件開發(fā)人員來說是完全開放的，是一個(gè)白箱，允許開發(fā)人員非常清楚地了解和掌握操作系統(tǒng)內(nèi)部情況，對(duì)存儲(chǔ)器中的每一位和每一個(gè)I/O接口進(jìn)行操作控制，從而可以設(shè)計(jì)出高效穩(wěn)定的應(yīng)用軟件。
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