操作系统学习笔记：实时系统

Posted 2020-06-13 左直拳

一、概述
实时系统不仅要求计算结果正确，而且要求结果必须在一个特定的截止期限内产生，否则即使正确也没有意义。比如一些嵌入式系统，安全关键系统。
实时计算有两种类型：硬实时系统和软实时系统。硬实时系统有最严格的要求，保证关键实时任务在最后期限内完成。软实时系统限制较少，仅仅指关键实时任务将获得优先于其他任务的权利，并且会保留优先级直到完成。

二、系统特性
实时系统的典型特性：
1、目标单一
2、体积小
CPU、内存常常都很小，所以空间占用很小，通常用于家电设备和消费设备中。
3、批量生产成本低
常常是CPU、内存（或缓存）、存储器管理单元、USB都包含在单集成电路中

4、特定的时间要求

三、实时内核特性
实时内核的特性就是越简单越好，摒弃许多通用操作系统才有的功能。
就连虚拟内存，也要采用与实时系统不同的途径来实现：
1）CPU直接生成物理地址，优点是快，但需要程序员为程序指定物理位置
2）动态重定位寄存器，优点是可以轻松实现逻辑地址与物理地址的转换，缺点是缺少进程间的内存保护
3）采用通用操作操作系统的方法

四、实现实时操作系统
实现实时操作系统必须的特性：
1、基于优先级的抢占式调度算法
2、抢占式内核
非抢占式内核不允许在内核模式下运行的进程被抢占；内核模式的进程将一直运行，直到它退出内核模式，阻塞或自愿放弃对CPU的控制。相反，抢占式内核允许在内核模式下的任务被抢占。

有很多方法可以使内核成为可抢占。一种是在长期的系统调用中插入抢占点，到了这个点就检查有无高优先级进程需要运行，有的话就上下文切换。等高优先级进程终止，原先被中断的进程继续运行。

另一种就是内核被抢占后，内核数据有保护机制，免于被修改，则内核即使被抢占也没事。

3、延迟最小化
有两个延迟影响实时系统的性能：
1）中断延迟
2）调度延迟
必须将它们最小化。

影响中断延迟的一个关键因素是，当内核的数据结构正在更新时，屏蔽中断的时间。实时操作系统要求中断只能被屏蔽很短的时间。

而应对调度延迟的最佳方法是抢占式内核。

4、网络支持（可选）

五、实时CPU调度
软实时系统调度不能保证一个关键进程被调度，只能保证相对非关键的进程可以获得优先权。硬实时系统有更严格的要求：一项任务必须在期限内处理，否则如同根本没有服务一样。

硬实时系统中，进程具有周期性，即以固定的间隔（周期）请求CPU。每个周期性进程有一个固定的处理时间让CPU处理、一个截止期限和一个周期。调度程序要么接纳该进程，保证按时完成，否则拒绝。

其中，0 <= 处理时间 <= 截止期限 <= 请求周期。含义为，在下一个请求周期发起前，一定要处理完（截止期限），而这个过程中，可以有多次CPU处理。

1、单调速率调度
使用静态抢占式优先策略调度周期性任务。
系统中运行的进程被分配一个与周期长短相反的优先级。周期短，优先级高，否则就低。并且该进程每次获得CPU的运行持续时间都相同。高优先级发起周期请求时，可以抢占低优先级。不过，不管高低，它们都保证能在截止期限前被处理完成。

单调速率调度理论山是最理想的算法，但要综合考虑截止期限和请求周期，但有时会出现进程无法被调度。

2、最早截止期限优先调度算法（EDF)
根据截止期限动态分配优先级。截止期限越早，优先级越高；否则越低。在这个算法里面，进程的优先级可能会经常被调整。比如说，本来进程A的优先级比进程B高，当它发起周期请求时，进程B正在处理，但由于这时B的截止期限比A的短，于是B的优先级反而更高，B继续处理剩余部分。

理论上，EDF算法能让CPU使用率100%，但由于进程间上下文切换和中断处理的占用，不可能达到这个值。

3、按比例分享调度
将所有应用程序分为若干份执行，调度程序只接纳请求份额低于当前可用份额的申请。

4、Pthread调度
POSIX（Portable Operating System Interface，可移植操作系统接口） Pthread API。