LabVIEW 什么是實時操作系統(tǒng) (RTOS)？LabVIEW 什么是實時操作系統(tǒng) (RTOS)？LabVIEW 什么是實時操作系統(tǒng) (RTOS)？

一般而言，操作系統(tǒng)的任務是管理計算機的硬件資源和應用程序。 實時操作系統(tǒng)會執(zhí)行這些任務，但是運行時間精度和可靠度都*。 在實際應用中，有的系統(tǒng)失常代價高昂，甚至會引起安全事故。這時，操作系統(tǒng)的時間精度和可靠度都顯得格外重要。

顧名思義，實時操作系統(tǒng)必須在已知的關鍵時間內(nèi)完成關鍵操作，至少要在大多數(shù)情況下在已知時間內(nèi)完成關鍵操作。 部分這類操作包括操作系統(tǒng)調(diào)用和中斷處理。 *在時間內(nèi)完成關鍵性操作的實時操作系統(tǒng)，被稱為“硬實時”操作系統(tǒng)。大多數(shù)情況下能滿足在時間內(nèi)完成關鍵性操作的實時操作系統(tǒng)，被稱為“軟實時”操作系統(tǒng)。 實際情況中，上述分類的指導意義有限。每個實時操作系統(tǒng)都有*的性能特征，用戶在決定使用某個實時操作系統(tǒng)之前需要仔細研究這些特征。

下面通過列子來幫助理解實時操作系統(tǒng)的概念。 假設您在為一款新車設計安全氣囊系統(tǒng)。 在該情況下，極小的時間誤差（太早或太遲）都會產(chǎn)生災難性后果，甚至導致人員傷亡。 因此，需要一個硬實時系統(tǒng)；在系統(tǒng)設計上要確保沒有任何操作的優(yōu)先級可以*于時間限制之上。 另一方面，如要設計一個接收流媒體手機，在保持大致不丟失流媒體數(shù)據(jù)的前提下可以偶爾遺失少量數(shù)據(jù)。 在這種應用中，一個軟實時操作系統(tǒng)就可滿足要求。

如果編程合理，實時操作系統(tǒng)可保證程序運行在時間上的穩(wěn)定可靠性。 實時操作系統(tǒng)向用戶提供任務優(yōu)先級排序的高度控制權，也通常會允許用戶檢查任務執(zhí)行是否符合時間上設定的要求。

與實時操作系統(tǒng)相比，個人電腦上zui常見的操作系統(tǒng)稱為通用操作系統(tǒng)，例如，Windows。 下面將詳盡闡述實時操作系統(tǒng)和通用操作系統(tǒng)的區(qū)別。在此之前，要先了解兩種操作系統(tǒng)的優(yōu)劣。 Windows等操作系統(tǒng)通過運行多個程序和服務來維持對用戶操作的響應，實時操作系統(tǒng)通過精確和可靠度定時機制（關注編程人員設定的優(yōu)先級）來運行關鍵性應用程序。

重要的術語和概念

確定性：運行在實時操作系統(tǒng)上的應用程序（或應用程序的關鍵性片段），如能保證時間精度，就認為是確定性的程序。

軟實時和硬實時：完*保證時間精度的操作系統(tǒng)，稱為硬實時操作系統(tǒng)。 多數(shù)情況下能保證時間精度的操作系統(tǒng)，稱為軟實時操作系統(tǒng)。

抖動：程序開始時，*循環(huán)相對于后續(xù)循環(huán)在時間上的差異，稱為抖動。 實時操作系統(tǒng)可確保在編程合理的情況下，抖動為zui小水平；任務*執(zhí)行與后續(xù)循環(huán)執(zhí)行所用的時間非常接近。

圖1：抖動指一次任務執(zhí)行和后續(xù)任務執(zhí)行之間在時間上的差異。 實時操作系統(tǒng)通過各種優(yōu)化方式使抖動zui小化。

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2. 實時應用程序范例

實時操作系統(tǒng)用于兩類應用：事件響應和閉環(huán)控制。 事件響應類應用需要在的時間內(nèi)對外界觸發(fā)條件作出響應。例如，生產(chǎn)線上自動視覺模式識別。 在視覺識別系統(tǒng)中，必須在生產(chǎn)線移動之前對待測部分進行拍照和分析。

對運行在硬實時操作系統(tǒng)上的程序進行嚴格的設計和調(diào)試之后，在事件響應上工作的設計人員可保證響應的確定性（在時間內(nèi)發(fā)生）。 在視覺識別案例中，使用通用操作系統(tǒng)可能會導致無法及時檢測待測部分，從而降低生產(chǎn)線速度、強制報廢待測品，甚至交付潛在的次品。

在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，例如，汽車巡航控制系統(tǒng)會連續(xù)處理反饋數(shù)據(jù)，調(diào)整輸出。 因為輸出數(shù)據(jù)取決于是否能在時間內(nèi)處理完輸入數(shù)據(jù)。在時間內(nèi)完成任務至為重要，只有這樣才能有正確的輸出。 如果巡航系統(tǒng)無法在給定時間點上判斷合適的油門設置，會發(fā)生什么情況？ 硬實時系統(tǒng)可保證在時間內(nèi)及時處理控制系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)。

還必須指出，很多程序必須運行多個周期后才能充分體現(xiàn)實時操作系統(tǒng)的可靠性。 與通用操作系統(tǒng)同時處理多個程序和進程不同，實時操作系統(tǒng)上只有少量程序運行。實時操作系統(tǒng)適用于宕機代價高昂的全天候系統(tǒng)。

如要在項目中使用實時操作系統(tǒng)，請查看我是否需要實時系統(tǒng)？

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3. 探究事實：實時操作系統(tǒng)與通用操作系統(tǒng)有哪些不同之處

Windows、Mac OS等操作系統(tǒng)是開發(fā)和運行非實時測量和控制應用程序的優(yōu)秀平臺。 這些操作系統(tǒng)使用于實時操作系統(tǒng)之外的使用場合。對于要求精確定時和長時間穩(wěn)定運行的系統(tǒng)而言，通用操作系統(tǒng)不是理想的平臺。 下面將闡述兩種操作系統(tǒng)之間的區(qū)別，以及編寫實時應用程序時的注意事項。

設置優(yōu)先級

編寫應用程序時，大多數(shù)操作系統(tǒng)都允許程序員應用程序的總體優(yōu)先級，以及應用程序中不同任務（線程）的優(yōu)先級。 這些優(yōu)先級設置將程序和任務的重要性告知操作系統(tǒng)。 如兩個任務同時運行，操作系統(tǒng)將優(yōu)先運行優(yōu)先級設置較高的任務。

在實際應用中，通用操作系統(tǒng)不會始終嚴格按照程序設置的優(yōu)先級執(zhí)行。 因為通用操作系統(tǒng)可同時運行多個應用程序和進程，所有任務都會被分配到一些處理時間。 在某些情況下，低優(yōu)先級任務的臨時優(yōu)先級可能會比高優(yōu)先級任務更高。 這樣，每個任務都會分配到一定的運行時間。這會違背程序設計人員的設計初衷。

實時操作系統(tǒng)可嚴格按照程序員設置的優(yōu)先級執(zhí)行程序。 在多數(shù)實時操作系統(tǒng)上，如果一個高優(yōu)先級任務占用率*的處理器資源，低優(yōu)先級任務將一直等待直到高優(yōu)先級任務完成。 因此，設計實時應用程序時，必須謹慎、合理設置優(yōu)先級。 在一個典型的實時應用程序中，設計者應該將實時代碼放置在高優(yōu)先級的部分。 寫入磁盤、網(wǎng)絡通信等較低優(yōu)先級的代碼應該放在較低優(yōu)先級的部分。

中斷延遲

設備生成一個中斷和設備中斷發(fā)生之間的時間，稱為中斷延遲。 通用操作系統(tǒng)響應中斷需要的時間不固定，實時操作系統(tǒng)必須確保在一個固定的時間內(nèi)響應中斷。 也就是說，實時操作系統(tǒng)的延遲必須是已知的固定的值。

性能

一個常見的誤解是實時操作系統(tǒng)的性能高于通用操作系統(tǒng)。 在某些情況下，因為不需要在多個應用程序和服務之間進行多任務操作，實時操作系統(tǒng)的性能更好。這并不是的規(guī)律。 實際應用程序的性能取決于CPU主頻、內(nèi)存架構、程序特征，等等。

即使實時操作系統(tǒng)對執(zhí)行速度沒有直接影響，但是它與通用操作系統(tǒng)相比具有更精確和更可靠的時間特性。

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      王