實時Linux與其它RTOS的比較

本文對四種實時操作系統(tǒng)（RTOS）特性進行分析和比較。它們是：Lynx實時系統(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(tǒng)在多媒體通信、在線事務處理、生產(chǎn)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(guī)模擴展的實時操作系統(tǒng)。它遵循POSIX.1 （程序接口）和POSIX.2 （Shell和工具）、部分遵循POSIX.1b（實時擴展）。它最早開發(fā)于1980年，到現(xiàn)在已相當成熟。

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

＊RT－Linux是一個嵌入式硬實時操作系統(tǒng)，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(wǎng)絡應用，KURT是為這樣一些應用設計的“嚴格的”實時系統(tǒng)。

體系結構異同

實時系統(tǒng)的實現(xiàn)多為微內(nèi)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(nèi)核結構系統(tǒng)中，OS服務模塊在獨立的地址空間運行，所以，不同模塊的內(nèi)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(nèi)核系統(tǒng)來說，它必須靠更多地進行系統(tǒng)調(diào)用來完成相同的任務。

＊QNX是一個微內(nèi)核實時操作系統(tǒng)，其核心僅提供4種服務：進程調(diào)度、進程間通信、底層網(wǎng)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(xiàn)為協(xié)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(nèi)核結構的操作系統(tǒng)，但它計劃使用所謂的“Galaxy”技術將其從大型集成化內(nèi)核改造成微內(nèi)核，這一技術將在LynxOS 3.0中引入。新的28Kb微內(nèi)核提供以下服務：核心啟動和停止、底層內(nèi)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(xiàn)了一個小的實時核心，僅支持底層任務創(chuàng)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(nèi)核和大型內(nèi)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(tǒng)來說都不夠理想。

＊KURT－Linux核心包括兩個部分：內(nèi)核和實時模塊。內(nèi)核負責實時事件的調(diào)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(nèi)核結構。

調(diào)度策略分析

任務調(diào)度策略是直接影響實時性能的因素。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。前者主要用于靜態(tài)周期任務的調(diào)度，后者主要用于動態(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)品中采用的實際策略常常是各種因素的折中。

QNX提供POSIX.1b標準進程調(diào)度：

＊32個進程優(yōu)先級；

＊搶占式的、基于優(yōu)先級的正文切換；

＊可選調(diào)度策略：FIFO、輪轉(zhuǎn)策略、適應性策略。

LynxOS其調(diào)度策略為：

＊LynxOS支持線程概念，提供256個全局用戶線程優(yōu)先級；

＊硬實時優(yōu)先級調(diào)度：在每個優(yōu)先級上實現(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間短；

＊搶占式的RTOS核心。

RT－Linux在操作系統(tǒng)之下實現(xiàn)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(nèi)運行，優(yōu)先級最低，隨時會被高優(yōu)先級任務搶占。

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

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

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

KURT－Linux可運行在兩種狀態(tài)之下：通常狀態(tài)和實時狀態(tài)。在通常狀態(tài)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(diào)度策略、輪轉(zhuǎn)調(diào)度策略和UNIX分時調(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，使用一個特殊的調(diào)度文件記錄預先定義好的待調(diào)度進程的參數(shù)。

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

操作系統(tǒng)服務比較

QNX的系統(tǒng)服務：

＊多種資源管理器，包括各種文件系統(tǒng)和設備管理，支持多個文件系統(tǒng)同時運行，包括提供完全POSIX.1及UNIX語法的POSIX文件系統(tǒng)，支持多種閃存設備的嵌入式文件系統(tǒng)，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(tǒng)、DOS文件系統(tǒng)、CD－ROM文件系統(tǒng)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(tǒng)的遠程圖形連接。

＊TCP/IP for QNX.

＊高性能、容錯型QNX網(wǎng)絡——FLEET，使得所有連入網(wǎng)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(wǎng)絡處理與消息傳遞和進程管理原語的集成，將本地和網(wǎng)絡IPC統(tǒng)一起來，使得網(wǎng)絡對IPC而言是透明的。

LynxOS的系統(tǒng)服務：

＊網(wǎng)絡和通信。由于使用UNIX/POSIX API，Lynx很適合于數(shù)據(jù)通信和Internet應用。又由于系統(tǒng)的開放性，網(wǎng)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(xié)議，使之適用于電信系統(tǒng)的基礎架構、操作和多媒體應用。

＊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，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(diào)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(xié)議等。

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

＊文件系統(tǒng)。實時的類UNIX層次結構文件系統(tǒng)：連續(xù)結構文件、帶緩沖/不帶緩沖、原始分區(qū)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(shù)據(jù)系統(tǒng)。

Linux的系統(tǒng)服務：

近來，很多基于Linux的實時應用被開發(fā)出來，它具有成熟和豐富的資源。

＊UNIX用戶的開發(fā)工具和應用軟件都被移植到Linux上。

＊TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)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(tǒng)的共同點是都提供了圖形界面、各種網(wǎng)絡支持等必要工具。QNX是一個更加符合傳統(tǒng)“分布式”概念的操作系統(tǒng)，目標是把整個局域網(wǎng)變成一個大的超級計算機，使得網(wǎng)絡的存在對用戶透明，文件系統(tǒng)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(tǒng)開銷的增大。LynxOS則著意于提供豐富的網(wǎng)絡服務，而Linux的最大優(yōu)勢則是經(jīng)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(tǒng)開放性對比

對于很多大、中型系統(tǒng)來說，大多數(shù)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(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：多種SCSI設備、IDE/EIDE驅(qū)動器、10M/100M以太網(wǎng)卡、Token Ring網(wǎng)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：

＊用戶可得到UNIX的全部開發(fā)工具。

＊可使用市場上便宜又常見的硬件。

通過分析，可以看到以上系統(tǒng)各有優(yōu)勢，因此，在平臺搭造過程中，用戶應根據(jù)自己的實際需要并結合性能價格比進行選擇。