一、前言

前幾天和一個在某研究所的發小聊天，他說：現在的航空、航天和導彈等武器裝備中，控制系統幾乎都是用單片機，而不是嵌入式系統。

乍一聽，和我們的直覺有矛盾啊：那么高大上的設備，其中的控制邏輯一定很復雜，不用嵌入式系統怎么來完成那么復雜的功能控制啊？然后仔細了解了一下，才明白答案是：安全+可控。

這篇文章我們就來聊一下關于單片機與嵌入式、操作系統與 RTOS 之間的那些事！通過這篇文章，讓你操作系統的實時性有一個系統、全面的理解！

二、關于單片機與嵌入式系統之間界定

說實話，關于它倆的區分，沒有人可以給出一個標準的、正確的答案。每個人理解的單片機與嵌入式系統，都是略有差別的。

拋開硬件，從應用程序開發的角度來看，我是這樣來理解的：

單片機：可以直接使用狀態機來實現程序框架，也可以利用一些 RTOS（ucOS、FreeRTOS、vxWorks、RT-Thread）等來完成一些調度功能。

嵌入式系統：利用嵌入式 Linux 操作系統以及一些變種來編寫應用程序。

我知道自己的理解可能是不對的，至少不嚴謹、范圍狹隘，既然沒有標準答案，那姑且引用維基百科中的定義吧，畢竟概念是死的，更重要的是我們如何根據實際的需要來進行選擇。

1. 單片機

單片機，全稱單片微型計算機（single-chip microcomputer），又稱微控制器單元 MCU（microcontroller unit）。

把中央處理器、存儲器、定時/計數器、各種輸入輸出接口等都集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機。

由于其發展非常迅速，舊的單片機的定義已不能滿足，所以在很多應用場合被稱為范圍更廣的微控制器；

2. 嵌入式系統

嵌入式系統（Embedded System），是一種嵌入機械或電氣系統內部、具有專一功能和實時計算性能的計算機系統。

嵌入式系統常被用于高效控制許多常見設備，被嵌入的系統通常是包含數字硬件和機械部件的完整設備，例如汽車的防鎖死剎車系統。

現代嵌入式系統通常是基于微控制器（如含集成內存和/或外設接口的中央處理單元）的，但在較復雜的系統中普通微處理器（使用外部存儲芯片和外設接口電路）也很常見。

3. 嵌入式Linux

嵌入式Linux（英語：Embedded Linux）是一類嵌入式操作系統的概稱，這類型的操作系統皆以Linux內核為基礎，被設計來使用于嵌入式設備。

與電腦端運行的linux系統本質上是一樣的，雖然經過了一些功能上的裁剪，但是本質上是一樣的，主要利用 Linux 內核中的的任務調度、內存管理、硬件抽象等功能。

4. RTOS

實時操作系統（RTOS），又稱即時操作系統，它會按照排序運行、管理系統資源，并為開發應用程序提供一致的基礎。

實時操作系統與一般的操作系統相比，最大的特色就是“實時性”，如果有一個任務需要執行，實時操作系統會馬上（在較短時間內）執行該任務，不會有較長的延時。這種特性保證了各個任務的及時執行。

三、非實時、軟實時、硬實時

首先要明白什么叫實時性？實時性考慮的不是速度、性能、吞吐量，而是確定性，也就是說：當一個事件發生的時候，可以確定性的保證在多長時間內得到處理，只要能滿足這個要求，就可以成為硬實時。比如：

操作系統1：當中斷發生時，可以保證在 1 秒內得到這里，那么它就是硬實時系統，雖然響應時間長，但它是確定的；

操作系統2：當中斷發生時，幾乎都可以在 1 毫秒內完成，那么那就不能成為硬實系統，雖然響應時間短，但是它不確定。

也看到有文章說：應該取消軟實時這個模棱兩可的說法，要么是實時，要么是非實時！

操作系統包含的功能很多：任務調度、內存管理、文件管理等等，其中最核心的就是任務調度，這也是非實時、軟實時、硬實時的最大區別。

也就是說，衡量實時性的指標就是：

1. 中斷延時：一個外部事件引發的中斷發生時，到相應的中斷處理程序第一條指令被執行時，所經過的時間；

2. 任務搶占延時：當一個高優先級的任務準備就緒時，從正在執行的低優先級任務中搶奪 CPU 資源所經過的時間；

不同的操作系統，其任務調度機制也是不一樣的，而這個調度機制的策略，又是與實際的使用場景相關的。因此，并不存在哪個好、哪個不好這樣的說法，合適的就是最好的！

比如：我們的桌面系統，需要考慮的是多任務、并發，需要同時執行多個程序，哪個程序慢一點，用戶無所謂，甚至覺察不到；但是對于一個導彈控制系統，當一個外部傳感器輸入信號，觸發一個事件時，對應的處理必須立刻執行，否則耽擱 1 毫秒，結果可能就是差之千里！

四、x86 Linux 系統的調度策略

我們日常使用的 PC 機，它的主要目標是并行執行多任務，強調的是吞吐率（盡可能多的執行很多應用程序的代碼），因此，采用的是分時操作系統，也就是每個任務都有一個時間片，當一個任務分配的時間片用完了，就自動換出（調度），然后執行下一個任務。

我們平常在寫 x86 平臺上寫普通的客戶端程序時，很少需要指定應用程序的調度策略和優先級，使用的是系統默認的調度機制。反過來說，也就是在某些需要的場合下，是可以設置進程的調度策略和優先級的。

例如在 Linux 系統中，可以通過 sched_setscheduler（） 系統函數 設置 3 種調度策略：

1. SCHED_OTHER： 系統默認的調度策略，計算動態優先級（counter+20-nice），當時間片用完之后放在就緒隊列尾；

2. SCHED_FIFO： 實時調度策略，根據優先級進行調度，一旦占用CPU就一直執行，直到自己放棄執行或者有更高優先級的任務需要執行；

3. SCHED_RR： 也是實時調度策略，在 SCHED_FIFO 的基礎上添加了時間片。在執行時，可以被更高優先級的任務打斷，如果沒有更高優先級的任務，那么當任務的執行時間片用完之后，就會查找相同優先級的任務來執行。

1. 為什么 Linux 系統是軟實時的？

可能有小伙伴會有疑問：既然 Linux 系統中提供了 SCHED_FIFO 基于優先級的調度策略，為什么仍然不能稱之為真正的硬實時操作系統？這就要從 Linux 的發展歷史說起了。

Linux 操作系統在設計之初，就是為了桌面應用而開發的，在那個時代，多個終端（電傳打字機和屏幕）連接到同一個電腦主機，需要處理的是多任務、并行操作，并不需要考慮實時性，因此，在 Linux 內核中的一些基因，嚴重影響了它的實時性，例如有如下幾個因素：

（1） 內核不可搶占

我們知道，一個應用程序在執行時，可以在用戶態和內核態執行（當調用一個系統函數，例如：write 時，就會進入內核態執行），此時任務是不可搶占的。

即使有優先級更高的任務準備就緒，當前的任務也不能立刻停止執行。而是必須等到當前這個任務返回到用戶態，或者在內核態中需要等待某個資源而睡眠時，高優先級任務才可以執行。

因此，這就很顯然無法保證高優先級任務的實時性了。

（2） 自旋鎖

自旋鎖是用于多線程同步的一種鎖，用來對共享資源的一種同步機制，線程反復檢查鎖變量是否可用。由于線程在這一過程中保持執行，因此是一種忙等待。一旦獲取了自旋鎖，線程會一直保持該鎖，直至顯式釋放自旋鎖。

自旋鎖避免了進程上下文的調度開銷，因此對于線程只會阻塞很短時間的場合是有效的，也就是說，只能在阻塞很短的時間才適合使用自旋鎖。

但是，在自旋鎖期間，任務搶占將會失效，這就是說，即使自旋鎖的阻塞時間很短，但是這仍然會增加任務搶占延時，讓調度變得不確定。

（3） 中斷的優先級是最高的

任何時刻，只要中斷發生，就會立刻執行中斷服務程序，也就是中斷的優先級是最高的。只有當所有的外部中斷和軟終端都處理結束了，正常的任務才能得到執行。

這看起來是好事情，但是想一想，如果有比中斷優先級更高的任務呢？假如系統在運行中，網口持續接收到數據，那么中斷就一直被執行，那么其他任務就可能一直得不到執行的機會，這是影響 Linux 系統實時性的巨大挑戰。

（4） 同步操作時關閉中斷

如果去看 Linux 內核的代碼，可以看到在很多地方都執行了關中斷指令，如果在這期間發生了中斷，那么中斷響應時間就沒法保證了。

2. Linux 系統如何改成硬實時？

以上描述的幾個因素，對 Linux 實現真正的實時性構成了很大的障礙，但是現實世界又的確有很多場合需要 Linux 具有硬實時，那么就要針對上面的每一個因素提出解決方案。

目前主流的解決方案有 2 個：

單內核解決方案：給 Linux 內核打補丁，解決上面提到的幾個問題，例如：RT-Preempt;

雙內核解決方案：在硬件抽象層之上，運行 2 個內核：實時內核 + Linux 內核，它們分別向上層提供 API 函數，例如：Xenomai;

這 2 種解決方案分別有不同的實現，從調研情況來看，RT-Preempt 和 Xenomai 是使用比較多的，下面分別來看一下他們的優缺點。

（1）RT-Preempt

這種方式主要是對 Linux 內核進行打補丁，解決了上面所說的幾個問題：內核不可搶占、自旋鎖、關中斷以及終端優先級的問題。

至于每一個問題是如何解決的，由于篇幅關系，這里就不介紹了，感興趣的小伙伴如果需要的話，可以深入了解一下。

由于是直接在 Linux 內核上打補丁（以后肯定會合并到主分支中的），因此對于應用程序開發來說，操作系統向上層提供的 API 接口函數可以保持不變，這對應用程序開發來說是一件好事情。

（2）Xenomai

Xenomai是一個 Linux 內核的實時開發框架，它希望通過無縫地集成到 Linux 環境中來給用戶空間應用程序提供全面的，與接口無關的硬實時性能。下面是 Xenomai 的架構圖：

在硬件抽象層之上，是 2 個并列的域（內核），這 2 個內核分別向上層提供自己的 API 接口函數。

圖中 glibc 是 Linux 系統提供的庫函數，應用程序通過調用庫函數和系統調用來編寫程序。

Xenomai 也提供了相應的庫函數 libcobalt ，這個庫函數是需要我們在用戶層編譯、安裝的，就像安裝第三方庫一樣。

此外，Xenomai 還參考不同的操作系統風格，提供了好幾套 API 函數（之前的說法是：皮膚），API 接口函數在這里：

從圖中可以看到，Alchemy API 這套接口提供的功能更完善，提供了：定時器、內存管理、條件變量、事件、互斥鎖、消息隊列、任務（可以理解為線程）等 API 函數。這一套 API 函數中具體的功能與 POSIX 標準大體相同，在一些細節上存在一些差異。

由于 Xenomai 向應用層提供的 API 函數是獨立的一套，因此，如果我們需要創建實時任務，那么就要調用這一套接口函數來創建任務，包括使用其中的一些資源（例如：內存分配）。而且文檔中也提出了一些注意點，例如：某些資源不能在 Xenomai 與 Linux 系統之間混用。

五、RTOS 的優勢

上面已經說到，Linux 桌面系統的主要目標是吞吐量，在單位時間內執行更多的代碼。

但是對于單片機來說，首要目標不是吞吐量，而是確定性，因此衡量一個實時操作系統堅固性的重要指標，是系統從接收一個任務，到完成該任務所需的時間。也就是說，任務調度才是第一考量要素。

在單片機開發中，一般有 2 種編程模型：基于狀態機（裸跑），基于 RTOS。

如果基于狀態機，就不存在任務調度問題了，因為只有一個執行序列，所有的操作都是串行執行的，唯一需要注意的控制流程就是中斷處理。

如果基于 RTOS，主要利用的就是任務調度，實現真正的硬實時。這方面最牛逼的就是VxWorks了，當然價格也是非常可觀的，有些公司購買之后，甚至會把除了任務調度模塊之外的其他模塊全部重寫一遍，這也足以證明了 VxWorks 在任務調度處理上的確很厲害，這也是它的看家本領！

當然，對于簡單、需要嚴格控制執行序列的關鍵程序來說，使用有限狀態機的編程框架，一切都在自己的掌握中。只要代碼中沒有 bug，那么理論上，一切行為都是在控制之中的，這也是為什么很多軍事設備上使用單片機的原因！

六、總結

關于任務調度的問題，是一個操作系統的重中之重，其中需要學習的內容還有很多，最近剛買了一本陳海波老師的新書，也就是華為的鴻蒙系統背后的靈魂人物。

如果有新的學習心得，再跟大家分享。
編輯：lyn