简介实时和分时操作系统

Posted 2022-11-25 yll1

    操作系统（OS）是管理计算机硬件与软件资源的计算机程序，同时也是计算机系统的内核与基石。操作系统需要处理如管理与配置内存、决定系统资源供需的优先次序、控制输入与输出设备、操作网络与管理文件系统等基本事务。大致分为实时操作系统和分时操作系统。

一、实时操作系统（简称RTOS）：

　　1、实时操作系统定义
　　实时操作系统（RTOS）是指当外界事件或数据产生时，能够接受并以足够快的速度予以处理，其处理的结果又能在规定的时间之内来控制生产过程或对处理系统作出快速响应，并控制所有实时任务协调一致运行的操作系统。因而，提供及时响应和高可靠性是其主要特点。实时操作系统有硬实时和软实时之分，硬实时要求在规定的时间内必须完成操作，这是在操作系统设计时保证的；软实时则只要按照任务的优先级，尽可能快地完成操作即可。我们通常使用的操作系统在经过一定改变之后就可以变成实时操作系统。
　　实时操作系统是保证在一定时间限制内完成特定功能的操作系统。例如，可以为确保生产线上的机器人能获取某个物体而设计一个操作系统。在“硬”实时操作系统中，如果不能在允许时间内完成使物体可达的计算，操作系统将因错误结束。在“软”实时操作系统中，生产线仍然能继续工作，但产品的输出会因产品不能在允许时间内到达而减慢，这使机器人有短暂的不生产现象。一些实时操作系统是为特定的应用设计的，另一些是通用的。一些通用目的的操作系统称自己为实时操作系统。
　　2、实时操作系统的特征
　　 1）多任务；
　　 2）有线程优先级
　　 3）多种中断级别
　　      小的嵌入式操作系统经常需要实时操作系统，内核要满足实时操作系统的要求。
　　3、实时操作系统的相关概念
　　 1）基本概念
　　 代码临界段：指处理时不可分割的代码。一旦这部分代码开始执行则不允许中断打入；
　　 资源：任何为任务所占用的实体；
　　 共享资源：可以被一个以上任务使用的资源；
　　 任务：也称作一个线程，是一个简单的程序。每个任务被赋予一定的优先级，有它自己的一套CPU寄存器和自己的栈空间。典型地，每个任务都是一个无限的循环，每个任务都处在以下五个状态下：休眠态，就绪态，运行态，挂起态，被中断态；
　　 任务切换：将正在运行任务的当前状态（CPU寄存器中的全部内容）保存在任务自己的栈区，然后把下一个将要运行的任务的当前状态从该任务的栈中重新装入CPU的寄存器，并开始下一个任务的运行；
　 　内核：负责管理各个任务，为每个任务分配CPU时间，并负责任务之间通讯。分为不可剥夺型内核于可剥夺型内核；
　　 调度：内核的主要职责之一，决定轮到哪个任务运行。一般基于优先级调度法；
　　 2）关于优先级的问题
　　 任务优先级：分为优先级不可改变的静态优先级和优先级可改变的动态优先级；
　　 优先级反转：优先级反转问题是实时系统中出现最多的问题。共享资源的分配可导致优先级低的任务先运行，优先级高的任务后运行。解决的办法是使用“优先级继承”算法来临时改变任务优先级，以遏制优先级反转。
　　 3）互斥
　　 虽然共享数据区简化了任务之间的信息交换，但是必须保证每个任务在处理共享共享数据时的排他性。使之满足互斥条件的一般方法有：关中断，使用测试并置位指令（TAS），禁止做任务切换，利用信号量。
　　 因为采用实时操作系统的意义就在于能够及时处理各种突发的事件，即处理各种中断，因而衡量嵌入式实时操作系统的最主要、最具有代表性的性能指标参数无疑应该是中断响应时间了。中断响应时间通常被定义为：
　 　中断响应时间=中断延迟时间+保存CPU状态的时间+该内核的ISR进入函数的执行时间。
　　 中断延迟时间=MAX(关中断的最长时间，最长指令时间) + 开始执行ISR的第一条指令的时间。
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二、分时操作系统

        1、分时操作系统定义；

　　使一台计算机同时为几个、几十个甚至几百个用户服务的一种操作系统。把计算机与许多终端用户连接起来，分时操作系统将系统处理机时间与内存空间按一定的时间间隔，轮流地切换给各终端用户的程序使用。由于时间间隔很短，每个用户的感觉就像他独占计算机一样。分时操作系统的特点是可有效增加资源的使用率。例如UNIX系统就采用剥夺式动态优先的CPU调度，有力地支持分时操作。
　　2、分时系统的基本思想 ；
　　时间片 ：是把计算机的系统资源（尤其是 CPU时间）进行时间上的分割，每个时间段称为一个时间片，每个用户依次轮流使用时间片。 
　　分时技术：把处理机的运行时间分为很短的时间片，按时间片轮流把处理机分给各联机作业使用。 
　　分时操作系统：是一种联机的多用户交互式的操作系统。一般采用时间片轮转的方式使一台计算机为多个终端服务。对每个用户能保证足够快的响应时间，并提供交互会话能力。 
　　设计目标： 对用户的请求及时响应，并在可能条件下尽量提高系统资源的利用率。 
　　适合办公自动化、教学及事务处理等要求人机会话的场合。 
　　3、工作方式: 
　　一台主机连接了若干个终端；每个终端有一个用户在使用；交互式地向系统提出命令请求；系统接受每个用户的命令；采用时间片轮转方式处理服务请求；并通过交互方式在终端上向用户显示结果；用户根据上步结果发出下道命令 
　　分时系统实现中的关键问题：及时接收。及时处理。 
　　特征： 
　　交互性：用户与系统进行人机对话。 
　　多路性：多用户同时在各自终端上使用同一CPU。 
　　独立性：用户可彼此独立操作，互不干扰，互不混淆。 
　　及时性：用户在短时间内可得到系统的及时回答。 
　　影响响应时间的因素：终端数目多少、时间片的大小、信息交换量、信息交换速度。
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三、例子：

分时——现在流行的PC，服务器都是采用这种运行模式，即把CPU的运行分成若干时间片分别处理不同的运算请求；linux是分时系统；
实时——一般用于单片机上，比如电梯的上下控制中，对于按键等动作要求进行实时处理；
    实时系统 是能立即对指令做出反应的操作系统！微软的常见系统不能吧！而且还死机！战斗机中的操作系统就是实时的系统，想想如果别人打仗时战斗机中的电脑反应的是飞行员上一条指令或死机了，谁还敢开这架飞机呢？”