關(guān)于四種實(shí)時(shí)嵌入式Linux操作系統(tǒng)的對(duì)比分析淺析

實(shí)時(shí)Linux與其它RTOS的比較

本文對(duì)四種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）特性進(jìn)行分析和比較。它們是：Lynx實(shí)時(shí)系統(tǒng)公司的LynxOS、QNX軟件系統(tǒng)有限公司的QNX以及兩種具有代表性的實(shí)時(shí)Linux——新墨西哥工學(xué)院的RT－Linux和堪薩斯大學(xué)的KURT－Linux。

近年來(lái)，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在多媒體通信、在線事務(wù)處理、生產(chǎn)過(guò)程控制、交通控制等各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，因而越來(lái)越引起人們的重視。

基本特征概述

＊ QNX是一個(gè)分布式、嵌入式、可規(guī)模擴(kuò)展的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它遵循POSIX.1 （程序接口）和POSIX.2 （Shell和工具）、部分遵循POSIX.1b（實(shí)時(shí)擴(kuò)展）。它最早開(kāi)發(fā)于1980年，到現(xiàn)在已相當(dāng)成熟。

＊LynxOS是一個(gè)分布式、嵌入式、可規(guī)模擴(kuò)展的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它遵循POSIX.1a、POSIX.1b和POSIX.1c標(biāo)準(zhǔn)。它最早開(kāi)發(fā)于1988年。

＊ RT－Linux是一個(gè)嵌入式硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它部分支持POSIX.1b標(biāo)準(zhǔn)。

＊KURT－Linux不是為嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的，不同于硬（hard）實(shí)時(shí)／軟（soft）實(shí)時(shí)應(yīng)用，他們提出“嚴(yán)格（firm）”實(shí)時(shí)應(yīng)用的概念，如一些多媒體應(yīng)用和ATM網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，KURT是為這樣一些應(yīng)用設(shè)計(jì)的“嚴(yán)格的”實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

體系結(jié)構(gòu)異同

實(shí)時(shí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)多為微內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)，這使得核心小巧而可靠，易于ROM固化，并可模塊化擴(kuò)展。微內(nèi)核結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，OS服務(wù)模塊在獨(dú)立的地址空間運(yùn)行，所以，不同模塊的內(nèi)存錯(cuò)誤便被隔離開(kāi)來(lái)。但它也有弱點(diǎn)，進(jìn)程間通信和上下文切換的開(kāi)銷大大增加。相對(duì)于大型集成化內(nèi)核系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它必須靠更多地進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用來(lái)完成相同的任務(wù)。

＊QNX是一個(gè)微內(nèi)核實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其核心僅提供4種服務(wù)：進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程間通信、底層網(wǎng)絡(luò)通信和中斷處理，其進(jìn)程在獨(dú)立的地址空間運(yùn)行。所有其它OS服務(wù)，都實(shí)現(xiàn)為協(xié)作的用戶進(jìn)程，因此QNX核心非常小巧（QNX4.x大約為12Kb）而且運(yùn)行速度極快。

＊LynxOS目前還不是一個(gè)微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)，但它計(jì)劃使用所謂的“Galaxy”技術(shù)將其從大型集成化內(nèi)核改造成微內(nèi)核，這一技術(shù)將在LynxOS 3.0中引入。新的28Kb微內(nèi)核提供以下服務(wù)：核心啟動(dòng)和停止、底層內(nèi)存管理、出錯(cuò)處理、中斷處理、多任務(wù)、底層同步和互斥支持。

＊RT－Linux實(shí)現(xiàn)了一個(gè)小的實(shí)時(shí)核心，僅支持底層任務(wù)創(chuàng)建、中斷服務(wù)例程的裝入、底層任務(wù)通信隊(duì)列、中斷服務(wù)例程（ISR）和Linux進(jìn)程。原來(lái)的非實(shí)時(shí)Linux核心作為一個(gè)可搶先的任務(wù)運(yùn)行于這個(gè)小核心之上，所有的任務(wù)都在核心地址空間運(yùn)行。它不同于微內(nèi)核和大型內(nèi)核，屬于實(shí)時(shí)EXE （realtime executive）體系結(jié)構(gòu)。其可靠性和可維護(hù)性對(duì)電信服務(wù)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)都不夠理想。

＊KURT－Linux核心包括兩個(gè)部分：內(nèi)核和實(shí)時(shí)模塊。內(nèi)核負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)事件的調(diào)度，實(shí)時(shí)模塊為用戶進(jìn)程提供特定的實(shí)時(shí)服務(wù)。它不屬于微內(nèi)核結(jié)構(gòu)。

調(diào)度策略分析

任務(wù)調(diào)度策略是直接影響實(shí)時(shí)性能的因素。盡管調(diào)度算法多種多樣，但大多由單調(diào)率算法（RM）和最早期限優(yōu)先算法（EDF）變化而來(lái)。前者主要用于靜態(tài)周期任務(wù)的調(diào)度，后者主要用于動(dòng)態(tài)調(diào)度，在不同的系統(tǒng)狀態(tài)下兩種算法各有優(yōu)劣。在商業(yè)產(chǎn)品中采用的實(shí)際策略常常是各種因素的折中。

QNX 提供POSIX.1b標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)程調(diào)度：

＊ 32個(gè)進(jìn)程優(yōu)先級(jí)；

＊搶占式的、基于優(yōu)先級(jí)的正文切換；

＊可選調(diào)度策略：FIFO、輪轉(zhuǎn)策略、適應(yīng)性策略。

LynxOS 其調(diào)度策略為：

＊ LynxOS支持線程概念，提供256個(gè)全局用戶線程優(yōu)先級(jí)；

＊硬實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)調(diào)度：在每個(gè)優(yōu)先級(jí)上實(shí)現(xiàn)了輪轉(zhuǎn)調(diào)度、定量調(diào)度和FIFO調(diào)度策略；

＊快速正文切換和阻塞時(shí)間短；

＊搶占式的RTOS核心。

RT－Linux 在操作系統(tǒng)之下實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)時(shí)核心，Linux本身作為一個(gè)可搶占的任務(wù)在核內(nèi)運(yùn)行，優(yōu)先級(jí)最低，隨時(shí)會(huì)被高優(yōu)先級(jí)任務(wù)搶占。

＊用戶可自行編寫(xiě)調(diào)度程序，它們可實(shí)現(xiàn)為可加載的核心模塊；

＊已實(shí)現(xiàn)的調(diào)度程序有：基于優(yōu)先級(jí)的搶占式調(diào)度和EDF調(diào)度；

＊基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度使用“單調(diào)率算法”，它直接支持周期任務(wù)。

KURT－Linux 可運(yùn)行在兩種狀態(tài)之下：通常狀態(tài)和實(shí)時(shí)狀態(tài)。在通常狀態(tài)下，所有進(jìn)程都可以運(yùn)行，但某些核心服務(wù)將帶來(lái)中斷屏蔽的不可預(yù)期性。實(shí)時(shí)模式只允許實(shí)時(shí)進(jìn)程運(yùn)行。

＊支持FIFO調(diào)度策略、輪轉(zhuǎn)調(diào)度策略和UNIX分時(shí)調(diào)度策略；

＊增加了SCHED－KURT調(diào)度策略，這是一種靜態(tài)調(diào)度策略，使用一個(gè)特殊的調(diào)度文件記錄預(yù)先定義好的待調(diào)度進(jìn)程的參數(shù)。

從以上簡(jiǎn)略描述可以看出，前三種調(diào)度策略實(shí)現(xiàn)較規(guī)范，特別是兩種商業(yè)RTOS，遵循或部分遵循POSIX.1b實(shí)時(shí)調(diào)度標(biāo)準(zhǔn)。

操作系統(tǒng)服務(wù)比較

QNX的系統(tǒng)服務(wù)：

＊多種資源管理器，包括各種文件系統(tǒng)和設(shè)備管理，支持多個(gè)文件系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行，包括提供完全POSIX.1及UNIX語(yǔ)法的POSIX文件系統(tǒng)，支持多種閃存設(shè)備的嵌入式文件系統(tǒng)，支持對(duì)多種文件服務(wù)器（如Windows NT/95、LAN Manager等）的透明訪問(wèn)的SMB文件系統(tǒng)、DOS文件系統(tǒng)、CD－ROM文件系統(tǒng)等。

＊設(shè)備管理。在進(jìn)程和終端設(shè)備間提供大吞吐量、低開(kāi)銷接口服務(wù)。

＊圖形／窗口支持。包括QNX Windows、X Window System for QNX、對(duì)MS Windows NT/95和X Window系統(tǒng)的遠(yuǎn)程圖形連接。

＊ TCP/IP for QNX。

＊高性能、容錯(cuò)型QNX網(wǎng)絡(luò)——FLEET，使得所有連入網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)變成一個(gè)邏輯上的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

＊透明的分布式處理。FLEET網(wǎng)絡(luò)處理與消息傳遞和進(jìn)程管理原語(yǔ)的集成，將本地和網(wǎng)絡(luò)IPC統(tǒng)一起來(lái)，使得網(wǎng)絡(luò)對(duì)IPC而言是透明的。

LynxOS的系統(tǒng)服務(wù)：

＊網(wǎng)絡(luò)和通信。由于使用UNIX/POSIX API，Lynx很適合于數(shù)據(jù)通信和Internet應(yīng)用。又由于系統(tǒng)的開(kāi)放性，網(wǎng)絡(luò)軟件很容易移植到Lynx上。同樣，Lynx亦提供關(guān)鍵的電話通信協(xié)議，使之適用于電信系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)、操作和多媒體應(yīng)用。

＊ TCP/IP協(xié)議棧。Lynx自帶優(yōu)化的TCP/IP協(xié)議棧，提供高性能服務(wù)，如TCP頭預(yù)測(cè)、高級(jí)路由算法、IP級(jí)多址廣播和鏈路級(jí)高速緩沖。

＊ Internet工具。包括，Telnet、Ftp、tftp、PPP、SLIP、實(shí)時(shí)調(diào)度的嵌入式Java虛擬機(jī)、嵌入式HTTP server、bootp、ARP/RARP、DNS域名服務(wù)、電子郵件、Perl、電話通信協(xié)議等。

＊ SVR3流。LynxOS流機(jī)制為開(kāi)發(fā)和移植基于流的驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用提供了核心支持。

＊文件系統(tǒng)。實(shí)時(shí)的類UNIX層次結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)：連續(xù)結(jié)構(gòu)文件、帶緩沖／不帶緩沖、原始分區(qū)和原始設(shè)備訪問(wèn)。

＊基于Motif的圖形用戶接口。

＊分布式計(jì)算資源。SCMP與VME總線上的多處理結(jié)合，PCI橋服務(wù)、CompactPCI Hot－swap Services、Lynx/HA－DDS分布式數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

Linux的系統(tǒng)服務(wù)：

近來(lái)，很多基于Linux的實(shí)時(shí)應(yīng)用被開(kāi)發(fā)出來(lái)，它具有成熟和豐富的資源。

＊ UNIX用戶的開(kāi)發(fā)工具和應(yīng)用軟件都被移植到Linux上。

＊ TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

＊各種Internet客戶/服務(wù)端軟件。

＊ X Window。

＊ C/C＋＋、Java等語(yǔ)言編譯器。

上述系統(tǒng)的共同點(diǎn)是都提供了圖形界面、各種網(wǎng)絡(luò)支持等必要工具。QNX是一個(gè)更加符合傳統(tǒng)“分布式”概念的操作系統(tǒng)，目標(biāo)是把整個(gè)局域網(wǎng)變成一個(gè)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)，使得網(wǎng)絡(luò)的存在對(duì)用戶透明，文件系統(tǒng)提供的服務(wù)也很豐富。但是，分布式的程度越高也意味著系統(tǒng)開(kāi)銷的增大。LynxOS則著意于提供豐富的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，而Linux的最大優(yōu)勢(shì)則是經(jīng)濟(jì)，還可以通過(guò)新聞組或mailing list快速地解決用戶碰到的任何問(wèn)題。

系統(tǒng)開(kāi)放性對(duì)比

對(duì)于很多大、中型系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，大多數(shù)軟件都是為UNIX平臺(tái)編寫(xiě)的，因此RTOS是否提供POSIX/UNIX API就顯得很重要。

QNX的開(kāi)放性：

＊ QNX的POSIX兼容性和其提供的UNIX特色的編譯器、調(diào)試器、X Window和TCP/IP都是UNIX程序員所熟悉的。

＊支持多種CPU：AMD ElanSC300/310/400/410、Am386 DE/SE、Cyrix MediaGX、x86處理器（386以上）、Pentium系列、STMicroelectronics 的STPC。

＊多種總線：CompactPCI、EISA、ISA 、MPE （RadiSys）、STD、STD 32、PC/104、PC/104－Plus、PCI、PCMCIA、VESA、VME。

＊各種外設(shè)：多種SCSI設(shè)備、IDE/EIDE驅(qū)動(dòng)器、10M/100M以太網(wǎng)卡、Token Ring網(wǎng)卡、FDDI接口卡、多種PCMCIA設(shè)備、閃存、聲卡等等。

LynxOS的開(kāi)放性：

＊ POSIX.1a、1b、1c及BSD4.4等兼容性，使得遵循POSIX 1003或用于UNIX的程序很容易移植到LynxOS上。

＊支持多種CPU主板：包括CompactPCI（6U/3U）和標(biāo)準(zhǔn)PCI、VME/Eurobus、PC/104和PC/AT硬件等。

＊各種外設(shè)適配器：10/100BaseT Ethernet、SCSI接口、單／多通道串行控制器、單／雙工并行口、時(shí)鐘、計(jì)時(shí)器、IDE接口、高分辨率顯示適配器等。

Linux的開(kāi)放性：