不同的實時嵌入式Linux操作系統有什么差異

嵌入式實時操作系統（Embedded Real-time Operation System，RTOS）。嵌入式系統是“用于控制、監視或者輔助操作機器和設備的裝置”

實時Linux與其它RTOS的比較

本文對四種實時操作系統（RTOS）特性進行分析和比較。它們是：Lynx實時系統公司的LynxOS、QNX軟件系統有限公司的QNX以及兩種具有代表性的實時Linux——新墨西哥工學院的RT-Linux和堪薩斯大學的KURT-Linux。

近年來，實時操作系統在多媒體通信、在線事務處理、生產過程控制、交通控制等各個領域得到廣泛的應用，因而越來越引起人們的重視。

基本特征概述

* QNX是一個分布式、嵌入式、可規模擴展的實時操作系統。它遵循POSIX.1 （程序接口）和POSIX.2 （Shell和工具）、部分遵循POSIX.1b（實時擴展）。它最早開發于1980年，到現在已相當成熟。

*LynxOS是一個分布式、嵌入式、可規模擴展的實時操作系統，它遵循POSIX.1a、POSIX.1b和POSIX.1c標準。它最早開發于1988年。

* RT-Linux是一個嵌入式硬實時操作系統，它部分支持POSIX.1b標準。

*KURT-Linux不是為嵌入式應用設計的，不同于硬（hard）實時/軟（soft）實時應用，他們提出“嚴格（firm）”實時應用的概念，如一些多媒體應用和ATM網絡應用，KURT是為這樣一些應用設計的“嚴格的”實時系統。

體系結構異同

實時系統的實現多為微內核體系結構，這使得核心小巧而可靠，易于ROM固化，并可模塊化擴展。微內核結構系統中，OS服務模塊在獨立的地址空間運行，所以，不同模塊的內存錯誤便被隔離開來。但它也有弱點，進程間通信和上下文切換的開銷大大增加。相對于大型集成化內核系統來說，它必須靠更多地進行系統調用來完成相同的任務。

*QNX是一個微內核實時操作系統，其核心僅提供4種服務：進程調度、進程間通信、底層網絡通信和中斷處理，其進程在獨立的地址空間運行。所有其它OS服務，都實現為協作的用戶進程，因此QNX核心非常小巧（QNX4.x大約為12Kb）而且運行速度極快。

*LynxOS目前還不是一個微內核結構的操作系統，但它計劃使用所謂的“Galaxy”技術將其從大型集成化內核改造成微內核，這一技術將在LynxOS 3.0中引入。新的28Kb微內核提供以下服務：核心啟動和停止、底層內存管理、出錯處理、中斷處理、多任務、底層同步和互斥支持。

*RT-Linux實現了一個小的實時核心，僅支持底層任務創建、中斷服務例程的裝入、底層任務通信隊列、中斷服務例程（ISR）和Linux進程。原來的非實時Linux核心作為一個可搶先的任務運行于這個小核心之上，所有的任務都在核心地址空間運行。它不同于微內核和大型內核，屬于實時EXE （realtime execuTIve）體系結構。其可靠性和可維護性對電信服務系統來說都不夠理想。

*KURT-Linux核心包括兩個部分：內核和實時模塊。內核負責實時事件的調度，實時模塊為用戶進程提供特定的實時服務。它不屬于微內核結構。

調度策略分析

任務調度策略是直接影響實時性能的因素。盡管調度算法多種多樣，但大多由單調率算法（RM）和最早期限優先算法（EDF）變化而來。前者主要用于靜態周期任務的調度，后者主要用于動態調度，在不同的系統狀態下兩種算法各有優劣。在商業產品中采用的實際策略常常是各種因素的折中。

QNX 提供POSIX.1b標準進程調度：

* 32個進程優先級;

* 搶占式的、基于優先級的正文切換;

* 可選調度策略：FIFO、輪轉策略、適應性策略。

LynxOS 其調度策略為：

* LynxOS支持線程概念，提供256個全局用戶線程優先級;

*硬實時優先級調度：在每個優先級上實現了輪轉調度、定量調度和FIFO調度策略;

* 快速正文切換和阻塞時間短;

* 搶占式的RTOS核心。

RT-Linux 在操作系統之下實現了一個簡單的實時核心，Linux本身作為一個可搶占的任務在核內運行，優先級最低，隨時會被高優先級任務搶占。

* 用戶可自行編寫調度程序，它們可實現為可加載的核心模塊;

* 已實現的調度程序有：基于優先級的搶占式調度和EDF調度;

* 基于優先級的調度使用“單調率算法”，它直接支持周期任務。

KURT-Linux 可運行在兩種狀態之下：通常狀態和實時狀態。在通常狀態下，所有進程都可以運行，但某些核心服務將帶來中斷屏蔽的不可預期性。實時模式只允許實時進程運行。

* 支持FIFO調度策略、輪轉調度策略和UNIX分時調度策略;

*增加了SCHED-KURT調度策略，這是一種靜態調度策略，使用一個特殊的調度文件記錄預先定義好的待調度進程的參數。

從以上簡略描述可以看出，前三種調度策略實現較規范，特別是兩種商業RTOS，遵循或部分遵循POSIX.1b實時調度標準。

操作系統服務比較

QNX的系統服務：

*多種資源管理器，包括各種文件系統和設備管理，支持多個文件系統同時運行，包括提供完全POSIX.1及UNIX語法的POSIX文件系統，支持多種閃存設備的嵌入式文件系統，支持對多種文件服務器（如Windows NT/95、LAN Manager等）的透明訪問的SMB文件系統、DOS文件系統、CD-ROM文件系統等。

* 設備管理。在進程和終端設備間提供大吞吐量、低開銷接口服務。

* 圖形/窗口支持。包括QNX Windows、X Window System for QNX、對MS Windows NT/95和X Window系統的遠程圖形連接。

* TCP/IP for QNX。

*高性能、容錯型QNX網絡——FLEET，使得所有連入網絡的計算機變成一個邏輯上的超級計算機。

*透明的分布式處理。FLEET網絡處理與消息傳遞和進程管理原語的集成，將本地和網絡IPC統一起來，使得網絡對IPC而言是透明的。

LynxOS的系統服務：

* 網絡和通信。由于使用UNIX/POSIX API，Lynx很適合于數據通信和Internet應用。又由于系統的開放性，網絡軟件很容易移植到Lynx上。同樣，Lynx亦提供關鍵的電話通信協議，使之適用于電信系統的基礎架構、操作和多媒體應用。

* TCP/IP協議棧。Lynx自帶優化的TCP/IP協議棧，提供高性能服務，如TCP頭預測、高級路由算法、IP級多址廣播和鏈路級高速緩沖。

* Internet工具。包括，Telnet、Ftp、tftp、PPP、SLIP、實時調度的嵌入式Java虛擬機、嵌入式HTTP server、bootp、ARP/RARP、DNS域名服務、電子郵件、Perl、電話通信協議等。

* SVR3流。LynxOS流機制為開發和移植基于流的驅動程序和應用提供了核心支持。

*文件系統。實時的類UNIX層次結構文件系統：連續結構文件、帶緩沖/不帶緩沖、原始分區和原始設備訪問。

* 基于MoTIf的圖形用戶接口。

* 分布式計算資源。SCMP與VME總線上的多處理結合，PCI橋服務、CompactPCI Hot-swap Services、Lynx/HA-DDS分布式數據系統。

Linux的系統服務：

近來，很多基于Linux的實時應用被開發出來，它具有成熟和豐富的資源。

* UNIX用戶的開發工具和應用軟件都被移植到Linux上。

* TCP/IP網絡協議。

* 各種Internet客戶/服務端軟件。

* X Window。

* C/C++、Java等語言編譯器。

上述系統的共同點是都提供了圖形界面、各種網絡支持等必要工具。QNX是一個更加符合傳統“分布式”概念的操作系統，目標是把整個局域網變成一個大的超級計算機，使得網絡的存在對用戶透明，文件系統提供的服務也很豐富。但是，分布式的程度越高也意味著系統開銷的增大。LynxOS則著意于提供豐富的網絡服務，而Linux的最大優勢則是經濟，還可以通過新聞組或mailing list快速地解決用戶碰到的任何問題。

系統開放性對比

對于很多大、中型系統來說，大多數軟件都是為UNIX平臺編寫的，因此RTOS是否提供POSIX/UNIX API就顯得很重要。

QNX的開放性：

* QNX的POSIX兼容性和其提供的UNIX特色的編譯器、調試器、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：多種SCSI設備、IDE/EIDE驅動器、10M/100M以太網卡、Token Ring網卡、FDDI接口卡、多種PCMCIA設備、閃存、聲卡等等。

LynxOS的開放性：

* 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）和標準PCI、VME/Eurobus、PC/104和PC/AT硬件等。

*各種外設適配器：10/100BaseT Ethernet、SCSI接口、單/多通道串行控制器、單/雙工并行口、時鐘、計時器、IDE接口、高分辨率顯示適配器等。

Linux的開放性：