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隨著信息家電的普及，智能化、網絡化將會無所不在，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，實時操作系統）。我們都非常熟悉Windows這樣的操作系統，但卻不一定熟悉嵌入式系統中常用的RTOS。如今，微軟已經推出了Windows的嵌入式版本——Windows CE。而風靡一時的Linux也在嵌入式系統中扮演著重要角色。這樣看來，傳統桌面操作系統和嵌入式操作系統的界線似乎也在淡化。事實究竟如何呢？讓我們來聽聽在嵌入式軟件領域頗有造詣的專家是怎么說的。 用于嵌入式環境的操作系統RTOS與桌面操作系統有很多本質的不同。這些不同的特性導致產品開發的不同結果。 嵌入式環境給人的第一印象就是占用空間小。所以，普通的Linux或者Windows操作系統要變成嵌入式操作系統，首先就是要進行裁剪。然而，與桌面環境相比，嵌入式環境對于操作系統系統要求不僅僅是“小”，二者在設計要求上有著本質的不同。這些不同主要體現在可裁剪性、實時性和可靠性等三個方面。 隨機應變——可裁剪性 從硬件環境來看，桌面操作系統具有標準化的CPU、存儲和I/O架構，而嵌入式環境中的RTOS的硬件環境只有標準化的CPU，沒有標準化的存儲、I/O和顯示器架構。 從應用環境來看，桌面操作系統面向復雜多變的應用，而RTOS面向單一設備的單一應用。 從開發界面來看，桌面操作系統試圖給開發人員提供一個“黑箱”，讓開發人員通過一系列標準的系統調用來使用操作系統中的功能，而嵌入式試圖為開發人員提供一個“白箱”，讓開發人員可以自主控制系統的所有資源。 總之，桌面操作系統的研究開發指導思想是盡可能在不改變自身的前提下具有廣泛的適應性。也就是說：不論應用環境怎么變化，最好都不要對自身內部產生什么影響，也不要求自身做太多的變化。反過來，應用于嵌入式環境的RTOS，在研發的時候就必須立足于改變自身、開放自身，讓開發人員可以根據硬件環境和應用環境的不同而對操作系統進行靈活的裁剪和配置，因為對于任何一個具體的嵌入式設備，它的功能是確定的，因此只要從原有操作系統中把這個特定應用所需的功能拿進來即可。 應當指出的是：如果一個操作系統平臺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現軟件構件的“即插即用”。 可裁剪性帶給用戶的一個最直接的好處是硬件成本降低，這對于成本敏感的應用，如消費電子類設備，具有重要的現實意義。由于設備中只包含應用程序用到的那部分操作系統功能，這就使得系統變得簡單、易把握，從而提高系統的可靠性。 精確到位——實時性 許多人都把實時性理解為速度快。那么，速度快到什么程度才算是達到實時性呢？其實，所謂實時性，其核心含義在于確定性，而不是單純的速度快。也就是說，RTOS所要求的是在規定的時間內做完應該做的事情，并且操作系統的行為（執行線索）是確定的，這是寫出高可靠性程序的基礎。如果完成同樣的動作，有的時候快，有的時候慢，且執行線索千差萬別，程序員無法把握，可靠性就無從保證。 嵌入式系統為什么對實時性要求那么高呢？因為嵌入式系統主要是對儀器設備的動作進行監測控制的，而一般的桌面操作系統基本上是根據人在鍵盤和鼠標發出的命令進行工作。相對而言，儀器設備的動作具有嚴格的、機械的時序要求，而人的動作和反應在時序上并不那么嚴格。比如，用于控制火箭發動機的嵌入式系統，它所發出的指令不僅要速度快，而且多個發動機之間的時序要求非常嚴格，否則就會差之毫厘、謬之千里。在這樣的應用環境中，非實時的普通操作系統無論如何是無法適應的。 如果我們所開發的設備并不是像航空航天器那樣生命攸關或者生產控制那樣的關鍵任務系統，而是像消費電子類那樣，即使出現錯誤也不會造成災難性后果的設備，那么實時性（嚴格地講是確定性）是否還具有現實意義呢？答案是肯定的！設備的高可靠性可以有效地降低維護成本；軟件運行效率高也會降低對CPU的要求，從而降低硬件成本。對于消費電子產品這類價格十分敏感的產品，實時性、可靠性仍然是非常值得重視的問題。 堅如磐石――可靠性 桌面操作系統與RTOS相比，另一個差別就是對于穩定性、可靠性方面的設計思路。一方面，桌面操作系統比較龐大、復雜，而RTOS比較小巧、簡捷，而“越簡單、越可靠，越復雜、故障概率越大”這又是一個常理。另一方面，更重要的是：桌面操作環境與嵌入式環境在設計思路上有一個重大的不同——桌面環境假定應用軟件與操作系統相比而言可以是不可靠的，而嵌入式環境假定應用軟件與操作系統一樣可靠。 運行于嵌入式環境中的RTOS要求應用軟件具有與操作系統同樣的可靠性，這種設計思路對應用開發人員提出了更高的要求，同時也要求操作系統自身足夠開放。 著名的“木桶原理”告訴我們，局部的不足會導致整體的缺陷。要保證系統的可靠性，必須保證系統中每一個部分都是可靠的，任何部分的不可靠都會導致系統整體的不可靠。大多數桌面系統都是上千萬行代碼的龐大而復雜的系統，即使有源代碼程序員也難以把握。而且對開發人員來說，桌面系統龐雜的細節是隱蔽在一個個的固定的接口下的，是一個黑箱，很難把握具體執行的線索。即便其內核是足夠可靠的，但它的應用環境復雜多樣、千差萬別，其中常常有一些應用并不是那么穩定可靠，從而破壞了整體系統的可靠性。相反，RTOS對軟件開發人員來說是完全開放的，是一個白箱，允許開發人員非常清楚地了解和掌握操作系統內部情況，對存儲器中的每一位和每一個I/O接口進行操作控制，從而可以設計出高效穩定的應用軟件。 |
