古人云：“天時、地利、人和，缺一不可”。嵌入式RTOS（Real Time Operating System，實時操作系統）便借風起勢，在最近幾年大放異彩。

嵌入式MCU，早已脫離主頻只有8MHz的時代，當下嵌入式主控芯片里面，主頻已經可以高達600MHz，而普通MCU也可以輕松運行在64MHz。不止主頻有質的飛躍，而且Arm Cortex-M系列的MCU，其在內核設計初期亦添加了支持RTOS的原生內核指令。

不過，雖然說RTOS叫“實時操作系統”，真的實時（Real-time）嗎？這里的實時又指代什么？最近，EEWorld論壇的工程師圍繞RTOS這一話題，進行了一次討論，話題包括RTOS能做什么，實時性指的是是什么，根據實時性RTOS分為幾種，自己對于RTOS的理解是什么。（原帖地址： https://www.eeworld.com.cn/a0a54CC ）

付斌｜編輯

電子工程世界（ID：EEworldbbs）｜出品

搞清裸機、RTOS、GPOS

想要搞清楚RTOS的“實時”，先要明白目前嵌入式領域三種開發形式——裸機開發（Bare Metal）、RTOS、GPOS（General-Purpose Operating System，通用操作系統），其主要特點如下：

裸機：裸機系統不使用操作系統。相反，應用程序代碼直接在硬件上運行，無需操作系統支持，代碼可以直接與硬件交互并訪問硬件。裸機開發在資源受限的場景效果非常好，比如8位、16位MCU，或者只有32KB閃存、2KB RAM時。當然，資源很豐富時候也可以采用裸機開發，就比如系統擁有高度的實時要求。目前，EEWorld論壇便擁有許多青睞于在裸機上開發的工程師。

RTOS：顧名思義，旨在為實時應用程序提供服務，這些應用程序提供可預測的執行時間和時間敏感型應用程序，其的關鍵特征在于響應性和確定性。相比裸機，RTOS更方便。要使用RTOS，系統應至少擁有 64 KB閃存、4 KB RAM和80 MHz或更高的處理器時鐘。

RTOS通常用于比裸機更復雜時序要求的系統，通常需處理TCP/IP、MQTT、USB、Wi-Fi 等通信堆棧時管理實時需求。雖然裸機也能開發這種系統，但RTOS可以簡化設計，加快上市時間，并使軟件維護更容易。RTOS的另外關鍵點在于軟件開發添加的功能，如務管理、任務同步、調度和任務間通信。RTOS允許考慮相互搶占的任務，從而允許更復雜的應用程序設計。

GPOS：主要包括Linux、Windows等，旨在運行各種軟件應用程序。這些操作系統專為用戶交互而設計，提供某種界面，無論是命令行界面 （CLI） 還是圖形用戶界面 （GUI），旨在運行多個應用程序（通常具有多線程），并提供其他優勢，例如資源/文件管理和設備驅動程序。用戶交互通常是 GPOS 設計的主要關注點，因此一些延遲是可以接受的。同時，硬件也通常是32位以上處理器，主頻達到200MHz以上，閃存達到數兆。

因為Linux本身比較復雜，所以也誕生了介于RTOS和Linux之間的實時Linux（如Ubuntu的實時Linux）。實時Linux的核心概念是“搶占”，也就是中斷當前執行線程，立即處理優先級較高的事件。RTOS和實時Linux之間的選擇取決于系統特定延遲要求，以及對開銷和資源效率的需求。雖然實時Linux為許多場景提供了強大的解決方案，但在某些關鍵的嵌入式系統中，專用 RTOS可能仍然更可取。如果項目需要在實時需求和運行各種應用程序的靈活性之間取得平衡，那么實時Linux將提供更通用的解決方案。

RTOS不能做什么

從裸機到RTOS，實際上工程師會存在許多困惑，EEWorld論壇中，工程師jorya_txj就曾用自己過去的經歷，訴說自己對于RTOS的理解：

他表示，目前接觸了幾位從裸機轉向RTOS的人士，接觸了一些項目，有一些感想，對于不了解RTOS的人，可能感覺這個東西很神秘，能解決任何裸奔解決不了的事情，可事情往往不是這樣的。

裸奔只做一件事情是最有效率的，如果干一件事情裸奔都很吃力，rtos解決不了硬件負債的事情，相反使用rtos會更差。舉例說明，假設系統有一個20us頻率的中斷在cortex-m3 上面，中斷內最大耗時10us。那中斷內留給rtos的只有10us了，這10us內還需要調用rtos的隊列發送api。雖然有的系統能響應20us中斷，但是保證不了10us內能完成api的調用以及出中斷處理。即使能保證，外面任務的執行效率將會很差很差。

絕大部分的RTOS做不了1us以內的中斷響應。也就是說中斷發生了之后，需要1us就能處理用戶的中斷函數。

上面兩個例子只能從硬件設計上去著手，從根本上去解決這個問題。比如第一個問題可以采用專用的芯片或者控制器去降低中斷的頻率。第二個問題可以采用FPGA去完成精確地定時等等。

RTOS更像一個軍隊管理決策者，而不是一個沖鋒在前面的勇士。一個系統越趨向復雜RTOS的優勢越大，一個系統越趨向簡單，ROTS越無用武之地。RTOS很多時候不是救命稻草,硬件設計的問題還是需要硬件設計去解決，不能僥幸帶到軟件這邊去解決，即使軟件僥幸能解決這一次，下一次可能又解決不了了，不具備通用性。

關于實時，工程師的疑問

EEWorld論壇上，資深工程師辛昕曾發帖專門討論過這樣的問題——“實時”到底是什么。

當有人問他，“實時”到底是啥時，他一股腦地回答道：“就是反應快唄，比如打開網頁，最好是1ms都不要等......”但得來的回應是連實時是啥都不懂。實際上，實時性是指在規定的時間內響應，而不是說什么越快越好。

根據響應時間在微秒、毫秒和秒級的不同，系統的實時性響應分為三種，RTOS屬于硬實時：

• 第一種是硬實時（Hard real-time），是對即時的事件作出反應，絕對不能錯過事件處理時限，任何錯過的最后期限視為系統故障。就是接近我們平素談到的RTOS的及時響應，它不是強調反映有多快，而是要在規定的死限時間之前完成就可以了。

• 第二種是軟實時（Soft real-time），是允許經常錯過最后期限，只要任務及時執行，它們的結果就會繼續有價值。接近WINDOWS、Linux桌面版這類常用系統，軟實時是指統計意義上的實時，一般整體吞吐量大或整體響應速度快，但不能保證特定的任務在指定的時間內完成。

• 第三種是準實時（Firm real-time），即使系統未能滿足最后期限，可能不止一次（即對于多個請求），系統也不會被視為失敗。此外，一旦特定請求的截止日期已過，對請求的響應（對查詢的答復、任務的結果等）將毫無價值（在截止日期之后結果的有用性為零）。

其他工程師則對實時也有自己理解。他們認為，實時就是系統對事件的響應時間能滿足需求，這樣就可以看作是實時，因為事件總是能夠在限定的時間內得到響應處理。具體的說，每一個事件的響應時間，跟現實時間是確定關系。在正常工作環境中，不會出現不確定，這樣的系統就叫做實時系統。

所以，可以說，所謂的實時，并非真的實時。知名嵌入式工程師StrongerHuang也同樣寫過：嚴格來說，RTOS也不是實時響應并處理緊急的事情，只是在很短時間（一般ms級別）就做出了響應，給人感覺就是實時在響應。

比如說，RTOS實時響應的重要配置系統滴答（SysTick），按理來說，系統滴答值（節拍）越大響應越快，但系統調度也需要占用時間，所以，滴答值也不是越大越好。再比如，用中斷就能做到實時響應，但硬件中斷只能做出一個“緊急通知”，不能做出（耗時的）執行動作。

另據其他工程師分享，RTOS的實時是指時間可控，能在某個需求時間窗口內執行完成。而不是指立刻執行，所以RTOS是實時操作系統。硬件中斷退出后立即執行高優先級任務，所以優先級配置合理的話，能在us甚至ns級響應。其實寫得好得裸機響應跟RTOS差不多，但RTOS最大的優勢在于任務調度，當功能復雜時可以通過操作系統調度而不用擔心任務沖突。

RTOS的四種分類

實際上，RTOS本身也會按響應級別分為四種類型，它們用于不同類型的嵌入式系統：

1.硬實時操作系統（Hard RTOS）：硬實時操作系統廣泛用于負責處理關鍵任務和要求精確時間限制的嵌入式解決方案。這意味著某些事件必須在預定的時刻執行，而不是早或晚一秒執行，因為這會導致嚴重問題甚至對系統造成物理損壞。案例包括汽車巡航控制和鐵路信號系統。

2. 軟實時操作系統（Soft RTOS）：軟實時操作系統適用于嵌入式系統，其中缺少預定義的時間限制不會嚴重影響相關流程和整體系統運行。它允許設置執行特定任務的時間截止日期，但錯過這些截止日期不會停止系統運行。例如機上娛樂和語音聊天應用程序。

3. 準實時操作系統（Firm RTOS）：準實時操作系統是硬RTOS和軟RTOS的中間地帶，其工作原理如下：使用準RTOS時，系統任務可能會錯過最后期限，而不會對流程和系統運行產生影響。然而，可以錯過的任務數量是有限的，如果它們超過允許的數量，將導致嚴重的系統錯誤和延遲。例子包括機器人裝配線和電信網絡。

4. 確定性實時操作系統（Deterministic RTOS）：確定性實時操作系統與時序必須始終精確的嵌入式系統完美匹配。這種類型的實時嵌入式編程允許預測執行不同優先級和復雜性的任務所需的時間。確定性調度將使我們能夠設置準確執行關鍵任務的時間框架。它使嵌入式系統運行可預測、穩定可靠。

參考文獻

[1] https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1300391-1-1.html

[2] https://bbs.eeworld.com.cn/thread-473427-1-1.html

[3] https://bbs.eeworld.com.cn/thread-428154-1-1.html

[4] https://www.digikey.com/en/maker/projects/what-is-a-realtime-operating-system-rtos/28d8087f53844decafa5000d89608016

[5] https://www.beningo.com/how-to-choose-between-bare-metal-rtos-and-gpos/

[6]

[7] https://lembergsolutions.com/blog/choosing-right-rtos-your-embedded-system

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