操作系统（二）：实时系统介绍与实例分析

一.概念

1.1 分类

1.2 主要指标

二.实现原理

三.主流实时系统对比

一.概念

实时系统（Real-Time System, RTS）是一类以时间确定性为核心目标的计算机系统，其设计需确保在严格的时间约束内完成任务响应。

根据时间约束的严格程度，实时系统可分为以下两类，见下表。

实时系统分类
序号	类别	定义	示例
1	硬实时系统（Hard Real-Time）	要求任务必须在绝对截止时间前完成，超时将导致系统失效或严重后果。	1.汽车安全气囊控制系统传感器触发后，系统需在毫秒级时间内完成气囊展开操作。 2.飞行器导航系统姿态控制指令的延迟可能导致坠机风险。
2	软实时系统（Soft Real-Time）	允许偶发性延迟，但需保证整体性能达标	1.视频流处理单帧丢失可能引起画面卡顿，但不影响整体功能。 2.在线交易系统短暂延迟可能导致用户体验下降，但不会引发系统性崩溃。

关键指标
序号	指标	描述
1	中断响应时间	从接收中断信号到执行中断服务程序的时间（硬实时系统通常要求<10μs）
2	任务切换时间	不同优先级任务间CPU控制权转移的耗时（如VxWorks为3.8μs，RT-Linux为25μs）

实时系统的设计围绕确定性调度和资源控制展开，其实现原理包含以下关键技术。

关键技术
序号	关键技术	描述
1	任务调度机制	1.优先级抢占式调度高优先级任务可立即抢占低优先级任务资源。例如VxWorks采用256级优先级，支持动态优先级调整。 2.时间片轮转（Round-Robin）在相同优先级任务间分配固定时间片，避免单一任务长时间占用CPU。
2	内核架构优化	1.可抢占内核允许中断内核代码执行以响应高优先级任务，减少不可抢占区域（如Linux的PREEMPT-RT补丁通过优化自旋锁实现微秒级延迟）。 2.中断管理采用中断嵌套和快速中断服务程序（Fast ISR），避免长时间关闭中断。例如QNX的中断处理层仅关闭部分中断。
3	同步与通信机制	1.优先级继承协议防止低优先级任务持有高优先级任务所需资源时引发的优先级反转问题（如FreeRTOS的互斥量设计）。 2.实时信号量与邮箱提供任务间高效通信方式，确保数据传递的时效性。
4	资源预留与隔离	1.CPU核隔离通过isolcpus参数将特定CPU核心专用于实时任务，避免非实时任务干扰。 2.内存管理优化采用静态内存分配或实时内存池（如VxWorks的memPartLib库），减少动态内存分配的不确定性。

注：isolcpus 是 Linux 内核提供的一种 CPU 核心隔离机制，用于将指定的 CPU 核心从系统默认调度中排除，确保这些核心仅运行用户显式指定的进程或线程。其核心目标是为关键任务提供独占的 CPU 资源，减少干扰（如上下文切换、中断），提升性能稳定性。

主流实时系统对比
序号	实时系统	类型	特点	应用领域
1	VxWorks	硬实时	高可靠性、支持动态加载模块、NASA火星探测器采用	航空航天、国防
2	QNX	硬实时	微内核架构、容错性强、符合ISO 26262汽车安全标准	汽车电子、医疗设备
3	FreeRTOS	软/硬实时	开源轻量、支持多种处理器架构、Amazon FreeRTOS集成AWS物联网服务	嵌入式设备、IoT
4	RT-Linux	软实时	基于Linux内核改造（如PREEMPT-RT补丁）、保留生态兼容性	工业自动化、音视频处理
5	uC/OS-II	硬实时	代码精简（<10KB）、可移植性强、适合资源受限场景	智能家居、小型控制器