RTX與其他實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的比較

      RTX（Real-Time eXtension)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是IntervalZero 公司的一款嵌入式軟件產(chǎn)品。在Windows 下安裝RTX 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，拓展了Windows操作系統(tǒng)內(nèi)核體系，修改并擴(kuò)展了整個(gè)硬件抽象層HAL（Hardware Abstraction Layer），實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)模式，形成與Windows 操作系統(tǒng)并列的實(shí)時(shí)子系統(tǒng)。

      接下來(lái)將會(huì)通過(guò)比較實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與通用操作系統(tǒng)的區(qū)別以及RTX與其他實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的區(qū)別引入對(duì)RTX這款產(chǎn)品的介紹。

1.從通用操作系統(tǒng)到實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)
      我們?cè)谌粘９ぷ鲗W(xué)習(xí)環(huán)境中接觸最多的是通用操作系統(tǒng)如Windows系統(tǒng)、Linux系統(tǒng)，通用操作系統(tǒng)是由分時(shí)操作系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)，大部分都支持多用戶(hù)和 多進(jìn)程，負(fù)責(zé)管理眾多的進(jìn)程并為它們分配系統(tǒng)資源。相對(duì)而言，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)則不同。對(duì)于實(shí)時(shí)系統(tǒng)而言，其正確性不僅依賴(lài)于系統(tǒng)計(jì)算的邏輯結(jié)果，還依賴(lài)于產(chǎn) 生這些結(jié)果的時(shí)間。下面我們就分別談?wù)勥@兩種操作系統(tǒng)的區(qū)別：

1)  基本設(shè)計(jì)原則不同：
      分時(shí)操作系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)原則是：盡量縮短系統(tǒng)的平均響應(yīng)時(shí)間并提高系統(tǒng)的吞吐率，在單位時(shí)間內(nèi)為盡可能多的用戶(hù)請(qǐng)求提供服務(wù)。
      實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)所遵循的最重要的設(shè)計(jì)原則是：采用各種算法和策略，始終保證系統(tǒng)行為的可預(yù)測(cè)性(predictability)。二者的區(qū)別在于，實(shí)時(shí)操 作系統(tǒng)注重的不是系統(tǒng)的平均表現(xiàn)，而是要求每個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)在最壞情況下都要滿(mǎn)足其實(shí)時(shí)性要求，也就是說(shuō)，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)注重的是個(gè)體表現(xiàn)，更準(zhǔn)確地講是個(gè)體最 壞情況表現(xiàn)。

2)  任務(wù)調(diào)度策略不同：
      通用操作系統(tǒng)中的任務(wù)調(diào)度策略一般采用基于優(yōu)先級(jí)的搶先式調(diào)度策略，對(duì)于優(yōu)先級(jí)相同的進(jìn)程則采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度方式，用戶(hù)進(jìn)程可以通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用動(dòng)態(tài)地調(diào)整自己的優(yōu)先級(jí)，操作系統(tǒng)也可根據(jù)情況調(diào)整某些進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)。
RTX 的任務(wù)調(diào)度：RTX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中并沒(méi)有進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)，對(duì)于進(jìn)程中的準(zhǔn)備運(yùn)行的線(xiàn)程有著基于優(yōu)先級(jí)的線(xiàn)程調(diào)度隊(duì)列。這保證了線(xiàn)程的執(zhí)行是有順序的，并且符 合“先進(jìn)先出”的原則，且只有一個(gè)優(yōu)先級(jí)。如果一個(gè)時(shí)間量子被設(shè)置為了0，則線(xiàn)程將會(huì)運(yùn)行完成。如果時(shí)間量子被設(shè)置為了其他的值，線(xiàn)程將會(huì)運(yùn)行特定的時(shí) 間，然后放棄對(duì)CPU的占用，給到其他同級(jí)的線(xiàn)程。

3)  內(nèi)存管理：
      通用的操作系統(tǒng)一般都會(huì)采用分頁(yè)管理的方式，但這種方式可以保證大部分的任務(wù)的執(zhí)行效率，但其最壞情況的時(shí)間不可預(yù)測(cè)。
      默認(rèn)情況下，RTX的所有進(jìn)程和內(nèi)存對(duì)象都會(huì)被鎖在物理內(nèi)存當(dāng)中，以提高其可預(yù)測(cè)性。

4)  中斷處理：
      在通用操作系統(tǒng)中，大部分外部中斷都是開(kāi)啟的，中斷處理一般由設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來(lái)完成。由于通用操作系統(tǒng)中的用戶(hù)進(jìn)程一般都沒(méi)有實(shí)時(shí)性要求，而中斷處理程序直接跟硬件設(shè)備交互，可能有實(shí)時(shí)性要求，因此中斷處理程序的優(yōu)先級(jí)被設(shè)定為高于任何用戶(hù)進(jìn)程。
      但對(duì)于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)采用上述的中斷處理機(jī)制是不合適的。首先，外部中斷是環(huán)境向?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行的輸入，它的頻度是與環(huán)境變化的速率相關(guān)的，而與實(shí)時(shí)操作 系統(tǒng)無(wú)關(guān)，任務(wù)的實(shí)時(shí)性和可預(yù)測(cè)性均得不到保證；其次，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中的各用戶(hù)進(jìn)程一般都有實(shí)時(shí)性要求，因此中斷處理程序優(yōu)先級(jí)高于所有用戶(hù)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí) 分配方式是不合適的。
      在RTX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，中斷處理程序與所以其它任務(wù)一樣擁有優(yōu)先級(jí)，調(diào)度器根據(jù)優(yōu)先級(jí)對(duì)處于就緒態(tài)的任務(wù)和中斷處理程序統(tǒng)一進(jìn)行處理器調(diào)度。中斷線(xiàn)程的優(yōu)先級(jí)也可以更改，并且時(shí)間中斷是最高的優(yōu)先級(jí)的中斷。

5)  共享資源的互斥訪(fǎng)問(wèn)：
      通用操作系統(tǒng)一般采用信號(hào)量機(jī)制來(lái)解決共享資源的互斥訪(fǎng)問(wèn)問(wèn)題。
      如果任務(wù)調(diào)度采用基于優(yōu)先級(jí)的方式，則傳統(tǒng)的信號(hào)量機(jī)制在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)很容易造成優(yōu)先級(jí)倒置問(wèn)題（Priority Inversion），實(shí)時(shí)性難以得到保證。因此在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，往往對(duì)傳統(tǒng)的信號(hào)量機(jī)制進(jìn)行了一些擴(kuò)展，如在RTX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，其調(diào)度器提供了3 中系統(tǒng)操作選項(xiàng)（分別為Priority Promotion with Tiered Demotion、Priority Promotion with Limited Demotion、Disable）來(lái)使倒置問(wèn)題最小化；

6)  輔助工具
      實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)額外提供了一些輔助工具，如實(shí)時(shí)任務(wù)在最壞情況下的執(zhí)行時(shí)間估算工具、系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性驗(yàn)證工具等，可幫助工程師進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性驗(yàn)證工作。

2.RTX與其他實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)
      VxWorks、C/OS-II、RT-Linux、QNX是四種當(dāng)下較流行的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。VxWorks、C/OS-II、RT-Linux、QNX 都是優(yōu)秀的強(qiáng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，各有特色：VxWorks 的衡量指標(biāo)值最好；C/OS-II 最短小精悍；RT-Linux支持調(diào)度策略的改寫(xiě)；QNX 支持分布式應(yīng)用。在性能方面RTX與其相比可謂不相上下，但是RTX與同類(lèi)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)相比最突出的優(yōu)勢(shì)是它與Windows的平臺(tái)結(jié)合，具有開(kāi)發(fā)調(diào)試 效率高與實(shí)時(shí)性強(qiáng)兩大優(yōu)點(diǎn)。

      首先，如下圖所示，RTX （Real-Time eXtension) 是在不改變Windows XP 內(nèi)核的前提下，提供一個(gè)附加的實(shí)時(shí)內(nèi)核模塊。與WindowsXP 內(nèi)核一起工作，進(jìn)行實(shí)時(shí)任務(wù)的調(diào)度與執(zhí)行。RTX 為了在Windows XP 操作系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的特征，利用Windows XP 良好的可擴(kuò)展體系結(jié)構(gòu)增加了一個(gè)實(shí)時(shí)子系統(tǒng)（RTSS）。RTSS 在概念上與其他Window XP 子系統(tǒng)（例如Win32、POSIX 和DOS） 相似，在RTSS 中，支持自己的執(zhí)行環(huán)境和API。RTX 不同于其他子系統(tǒng)的重要因素在于RTSS 執(zhí)行它自己的實(shí)時(shí)線(xiàn)程調(diào)度而不是使用Windows XP 的調(diào)度，包括Windows XP 管理的中斷和延遲過(guò)程調(diào)用（DPC）。RTSS 也支內(nèi)部進(jìn)程通信（IPC）對(duì)象，RTSS 或者Win32 進(jìn)程都能處理這種對(duì)象；這使得實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)程序?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單和標(biāo)準(zhǔn)的通信且同步。

      其次，RTX 對(duì)所有線(xiàn)程執(zhí)行搶占的實(shí)時(shí)調(diào)度，支持128 個(gè)優(yōu)先級(jí)，嚴(yán)格控制各個(gè)優(yōu)先級(jí)線(xiàn)程間的切換，并提供與Win32 環(huán)境兼容的實(shí)時(shí)編程接口，支持Win32 的API，實(shí)現(xiàn)了一套實(shí)時(shí)函數(shù)包括中斷管理函數(shù)和直接硬件訪(fǎng)問(wèn)函數(shù)的擴(kuò)展。RTX 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)計(jì)時(shí)器精度最高可達(dá)0.001ns，固定的128 個(gè)線(xiàn)程優(yōu)先級(jí)與Windows 內(nèi)核分離，支持RTX 線(xiàn)程的最低可能的延遲調(diào)度。使用RTX 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以滿(mǎn)足控制系統(tǒng)的強(qiáng)實(shí)時(shí)性的要求。

      綜上，RTX為嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員提供了極大的便利，并有效縮減開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本。其開(kāi)發(fā)過(guò)程簡(jiǎn)單易用，實(shí)時(shí)性能上也得到保證，因此也被更多的實(shí)時(shí)系統(tǒng)所采用。

3.最新版本的RTX特點(diǎn)
      RTX2011新產(chǎn)品的新特點(diǎn)：

1)  RTX2011支持多至32個(gè)處理器的系統(tǒng)，是上一個(gè)RTX版本的處理器量的四倍還要多些。RTX工具和通用工具的更新來(lái)支持31RTSS處理器的展示。
2)  RTX2011有6個(gè)運(yùn)行時(shí)版本，給到客戶(hù)提升的選項(xiàng)來(lái)選擇嵌入式系統(tǒng)需要的均衡的多處理功能的級(jí)別。
3)  RTX工具也包含在所有RTX2011運(yùn)行時(shí)編輯中。
4)  RTX2011支持Windows7，Windows Vista直到SP2的版本，Windows XP直到SP3，Windows Embedded Standard 2009，和Windows Embedded Standard 7。
5)  RTX2011提供了：RTX和RT-TCP/IP頭文件和庫(kù)文件；支持Microsoft Visual Studio（2005、2008和2010）；Microsoft WinDbg 擴(kuò)展；網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)和資源；例子應(yīng)用和文檔說(shuō)明和如何開(kāi)發(fā)RTSS應(yīng)用展示。
6)  RTX運(yùn)行時(shí)提供了：實(shí)時(shí)子系統(tǒng)；工具和實(shí)用工具集來(lái)診斷問(wèn)題和監(jiān)視RTX環(huán)境的性能。
7)  更新的RTX控制面板來(lái)提供一個(gè)更加詳細(xì)的子系統(tǒng)狀態(tài)。
8)  在RTSS進(jìn)程中通過(guò)FastSemaphores添加了新的輕量級(jí)的同步器。
9)  RTX API DLL為Windows提供的應(yīng)用（Rtapi_w32.dll）現(xiàn)在可以動(dòng)態(tài)被加載。
10) 加強(qiáng)了的子系統(tǒng)追蹤功能允許其可以從開(kāi)始一個(gè)日志的對(duì)話(huà)之前就捕獲到其信息。這個(gè)功能也可以通過(guò)RTX控制面板或者RTX屬性API來(lái)更改。
11) 允許在一個(gè)64位操作系統(tǒng)上，安裝一個(gè)不帶運(yùn)行時(shí)的RTX SDK。
12) 可以為RTX運(yùn)行時(shí)與第三方安裝簡(jiǎn)單地整合提供安裝混合模塊。
13) Windows Embedded Standard 7已被安裝包支持。Including RTX Runtime with Windows Embedded Standard 7文檔現(xiàn)在已可以作為一個(gè)指導(dǎo)來(lái)展示如何利用ICE將RTX包含至其中。
14) RTX現(xiàn)在允許最小的進(jìn)程槽數(shù)為1（之前的最小是10）。

4.參考文獻(xiàn)

1)  《RTX的三軸仿真轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)時(shí)控制軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》

2)  《RTX在半實(shí)物仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用》

3)  《RTX在負(fù)載模擬器控制軟件中的應(yīng)用》

4)  《RTX在激光制導(dǎo)炸彈半實(shí)物仿真中的應(yīng)用》

5)  《基于RTX的空面導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)快速原型仿真》

6)  《基于RTX的衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)地面實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)》

7)  《基于RTX實(shí)時(shí)模塊的飛控系統(tǒng)綜合測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)》

8)  《基于RTX的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)》

9)  《4種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的分析對(duì)比》

10) 《實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與通用操作系統(tǒng)的一些比較》

11) 《RTX》