本文对四种实时操作系统(RTOS)特性进行分析和比较。它们是:Lynx实时系统公司的LynxOS、QNX软件系统有限公司的QNX以及两种具有代表性的实时Linux——新墨西哥工学院的RT-Linux和堪萨斯大学的KURT-Linux。

  近年来,实时操作系统在多媒体通信、在线事务处理、生产过程控制、交通控制等各个领域得到广泛的应用,因而越来越引起人们的重视。

  基本特征概述

  * QNX是一个分布式、嵌入式、可规模扩展的实时操作系统。它遵循POSIX.1
(程序接口)和POSIX.2
(Shell和工具)、部分遵循POSIX.1b(实时扩展)。它最早开发于1980年,到现在已相当成熟。

  *LynxOS是一个分布式、嵌入式、可规模扩展的实时操作系统,它遵循POSIX.1a、POSIX.1b和POSIX.1c标准。它最早开发于1988年。

  * RT-Linux是一个嵌入式硬实时操作系统,它部分支持POSIX.1b标准。

  *KURT-Linux不是为嵌入式应用设计的,不同于硬(hard)实时/软(soft)实时应用,他们提出“严格(firm)”实时应用的概念,如一些多媒体应用和ATM网络应用,KURT是为这样一些应用设计的“严格的”实时系统。

  体系结构异同

  实时系统的实现多为微内核体系结构,这使得核心小巧而可靠,易于ROM固化,并可模块化扩展。微内核结构系统中,OS服务模块在独立的地址空间运行,所以,不同模块的内存错误便被隔离开来。但它也有弱点,进程间通信和上下文切换的开销大大增加。相对于大型集成化内核系统来说,它必须靠更多地进行系统调用来完成相同的任务。

  *QNX是一个微内核实时操作系统,其核心仅提供4种服务:进程调度、进程间通信、底层网络通信和中断处理,其进程在独立的地址空间运行。所有其它OS服务,都实现为协作的用户进程,因此QNX核心非常小巧(QNX4.x大约为12Kb)而且运行速度极快。

  *LynxOS目前还不是一个微内核结构的操作系统,但它计划使用所谓的“Galaxy”技术将其从大型集成化内核改造成微内核,这一技术将在LynxOS
3.0中引入。新的28Kb微内核提供以下服务:核心启动和停止、底层内存管理、出错处理、中断处理、多任务、底层同步和互斥支持。

  *RT-Linux实现了一个小的实时核心,仅支持底层任务创建、中断服务例程的装入、底层任务通信队列、中断服务例程(ISR)和Linux进程。原来的非实时Linux核心作为一个可抢先的任务运行于这个小核心之上,所有的任务都在核心地址空间运行。它不同于微内核和大型内核,属于实时EXE
(realtime executive)体系结构。其可靠性和可维护性对电信服务系统来说都不够理想。

  *KURT-Linux核心包括两个部分:内核和实时模块。内核负责实时事件的调度,实时模块为用户进程提供特定的实时服务。它不属于微内核结构。

  调度策略分析

  任务调度策略是直接影响实时性能的因素。尽管调度算法多种多样,但大多由单调率算法(RM)和最早期限优先算法(EDF)变化而来。前者主要用于静态周期任务的调度,后者主要用于动态调度,在不同的系统状态下两种算法各有优劣。在商业产品中采用的实际策略常常是各种因素的折中。

  QNX 提供POSIX.1b标准进程调度:

  * 32个进程优先级;

  * 抢占式的、基于优先级的正文切换;

  * 可选调度策略:FIFO、轮转策略、适应性策略。

  LynxOS 其调度策略为:

  * LynxOS支持线程概念,提供256个全局用户线程优先级;

  *硬实时优先级调度:在每个优先级上实现了轮转调度、定量调度和FIFO调度策略;

  * 快速正文切换和阻塞时间短;

  * 抢占式的RTOS核心。

  RT-Linux
在操作系统之下实现了一个简单的实时核心,Linux本身作为一个可抢占的任务在核内运行,优先级最低,随时会被高优先级任务抢占。

  * 用户可自行编写调度程序,它们可实现为可加载的核心模块;

  * 已实现的调度程序有:基于优先级的抢占式调度和EDF调度;

  * 基于优先级的调度使用“单调率算法”,它直接支持周期任务。

  KURT-Linux
可运行在两种状态之下:通常状态和实时状态。在通常状态下,所有进程都可以运行,但某些核心服务将带来中断屏蔽的不可预期性。实时模式只允许实时进程运行。

  * 支持FIFO调度策略、轮转调度策略和UNIX分时调度策略;

  *增加了SCHED-KURT调度策略,这是一种静态调度策略,使用一个特殊的调度文件记录预先定义好的待调度进程的参数。

  从以上简略描述可以看出,前三种调度策略实现较规范,特别是两种商业RTOS,遵循或部分遵循POSIX.1b实时调度标准。

  操作系统服务比较

  QNX的系统服务:

  *多种资源管理器,包括各种文件系统和设备管理,支持多个文件系统同时运行,包括提供完全POSIX.1及UNIX语法的POSIX文件系统,支持多种闪存设备的嵌入式文件系统,支持对多种文件服务器(如Windows
NT/95、LAN Manager等)的透明访问的SMB文件系统、DOS文件系统、CD-ROM文件系统等。

  * 设备管理。在进程和终端设备间提供大吞吐量、低开销接口服务。

  * 图形/窗口支持。包括QNX Windows、X Window System for QNX、对MS
Windows NT/95和X Window系统的远程图形连接。

  * TCP/IP for QNX。

  *高性能、容错型QNX网络——FLEET,使得所有连入网络的计算机变成一个逻辑上的超级计算机。

  *透明的分布式处理。FLEET网络处理与消息传递和进程管理原语的集成,将本地和网络IPC统一起来,使得网络对IPC而言是透明的。

  LynxOS的系统服务:

  * 网络和通信。由于使用UNIX/POSIX
API,Lynx很适合于数据通信和Internet应用。又由于系统的开放性,网络软件很容易移植到Lynx上。同样,Lynx亦提供关键的电话通信协议,使之适用于电信系统的基础架构、操作和多媒体应用。

  * TCP/IP协议栈。Lynx自带优化的TCP/IP协议栈,提供高性能服务,如TCP头预测、高级路由算法、IP级多址广播和链路级高速缓冲。

  * Internet工具。包括,Telnet、Ftp、tftp、PPP、SLIP、实时调度的嵌入式Java虚拟机、嵌入式HTTP
server、bootp、ARP/RARP、DNS域名服务、电子邮件、Perl、电话通信协议等。

  * SVR3流。LynxOS流机制为开发和移植基于流的驱动程序和应用提供了核心支持。

  *文件系统。实时的类UNIX层次结构文件系统:连续结构文件、带缓冲/不带缓冲、原始分区和原始设备访问。

  * 基于Motif的图形用户接口。

  * 分布式计算资源。SCMP与VME总线上的多处理结合,PCI桥服务、CompactPCI
Hot-swap Services、Lynx/HA-DDS分布式数据系统。

  Linux的系统服务:

  近来,很多基于Linux的实时应用被开发出来,它具有成熟和丰富的资源。

  * UNIX用户的开发工具和应用软件都被移植到Linux上。

  * TCP/IP网络协议。

  * 各种Internet客户/服务端软件。

  * X Window。

  * C/C++、Java等语言编译器。

  上述系统的共同点是都提供了图形界面、各种网络支持等必要工具。QNX是一个更加符合传统“分布式”概念的操作系统,目标是把整个局域网变成一个大的超级计算机,使得网络的存在对用户透明,文件系统提供的服务也很丰富。但是,分布式的程度越高也意味着系统开销的增大。LynxOS则着意于提供丰富的网络服务,而Linux的最大优势则是经济,还可以通过新闻组或mailing
list快速地解决用户碰到的任何问题。

  系统开放性对比

  对于很多大、中型系统来说,大多数软件都是为UNIX平台编写的,因此RTOS是否提供POSIX/UNIX
API就显得很重要。

  QNX的开放性:

  * QNX的POSIX兼容性和其提供的UNIX特色的编译器、调试器、X
Window和TCP/IP都是UNIX程序员所熟悉的。

  * 支持多种CPU:AMD ElanSC300/310/400/410、Am386 DE/SE、Cyrix
MediaGX、x86处理器(386以上)、Pentium系列、STMicroelectronics 的STPC。

  * 多种总线:CompactPCI、EISA、ISA 、MPE (RadiSys)、STD、STD
32、PC/104、PC/104-Plus、PCI、PCMCIA、VESA、VME。

  * 各种外设:多种SCSI设备、IDE/EIDE驱动器、10M/100M以太网卡、Token
Ring网卡、FDDI接口卡、多种PCMCIA设备、闪存、声卡等等。

  LynxOS的开放性:

  * 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。

  *支持多种CPU主板:包括CompactPCI(6U/3U)和标准PCI、VME/Eurobus、PC/104和PC/AT硬件等。

  *各种外设适配器:10/100BaseT
Ethernet、SCSI接口、单/多通道串行控制器、单/双工并行口、时钟、计时器、IDE接口、高分辨率显示适配器等。

  Linux的开放性:

  * 用户可得到UNIX的全部开发工具。

  * 可使用市场上便宜又常见的硬件。

  通过分析,可以看到以上系统各有优势,因此,在平台搭造过程中,用户应根据自己的实际需要并结合性能价格比进行选择。
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