原创 如何提高操作系统的实时性

作者：朱建民, 华清远见嵌入式学院讲师。

对于一个好的操作系统，需要兼顾功能强大，用户易用性，可靠性，实时性，可维护性， 很多时候最后的设计是这些要求达成的一个平衡，今天我们讨论如何提高操作系统的实时性

    实时分为软实时与硬实时， 软实时要求平均响应时间要小于某一个值，硬实时要求最坏响应时间要小于某一个值，很多应用场景任务的实时要求非常高，比如汽车防抱死系统，差10毫秒就是人命关天，时间就是生命。 电信中主管网络损坏，我们需要在50毫秒之内倒换到备份网络之中，否则可能有成千上万个通话中断， 损失重大， 至于航天系统，实时的重要性要求不言而喻。其他的系统，如手机，太慢了用户感觉肯定不爽，我不希望按接电话键2秒钟都没反应，那样对方可能挂机了。我在华清远见从事讲师工作期间，参加培训的学员经常会聊到系统实时性的话题。

    如何提高操作系统的实时性呢。

    1． 缩短中断响应时间。几乎所有的实时事件都是通过中断上报的，当中断来临时，我们必须停止当前的一切任务，响应中断，我们把中断分成两部分：上半部分与下半部分，或者快中断部分与慢中断部分。上半部分屏蔽其他中断，处理那些紧急任务，如清除某些寄存器，保存中断现场，给相应进程发送消息等， 其他不太紧急的部分放在下半部分，此时所有中断打开，不影响其他任务的完成。

2．  缩短进程上下文切换时间。当CPU在执行某个任务时，实时任务到来，需要马上执行实时任务，我们不能等到当前任务时间片用完才去执行实时任务，那样黄花菜都凉了，必须在中断来临之时马上能过切换过去，保存当前进程的上下文如寄存器，内存，文件，信号等上下文，恢复实时任务的上下文。保存恢复上下文越快越好，这就要求两个进程的上下文共享的资源越少越好，如每个任务的内存是独立的，甚至寄存器也是独立的，这样互不干扰，切换最快了。

3．  缩短实时进程调度时间。一般进程都是按照优先级调度的，实时进程的优先级当然要比非实时的高， 不同实时进程按紧急度不同优先级也不同，实时进程调度算法最好与非实时部分有所区别，算法复杂度最好是O(1).

4．  缩短进程资源分配等待时间。对于一个多进程操作系统，很多资源是大家共享的，如果实时进程需要某个资源，发现那个资源被别的低优先级进程占用，非要等人家执行完才行，而此低优先级进程级别实在太低，其它的进程趁机抢占了CPU, 导致这个低优先级进程迟迟得不到执行，连累苦了我们的实时进程。这样就造成了优先级的反转， 解决优先级反转也有很多办法：主要有优先级继承与优先级极限两种， 原理都相同：此时迅速提高占有资源的低优先级进程的优先级，使其优先级至少与等待资源的实时进程相同。

5．  以空间换时间，减少资源的延迟分配。减少虚资源的分配， 要给就给实的，甚至可以预分配资源。通常进程创建时得到的内存都是虚的，适用malloc得到的资源也是虚拟内存，真正的内存只有当你读些到这个页时才分配，先产生缺页中断，在缺页中断里调用物理页面分配函数，不过这需要一定的时间，硬实时任务是等不及的，所以开始不能跟他玩虚的，狠狠心，开始就把它需要的物理资源备好，所以如果需要寄存器就不要拿Cache敷衍，
如果需要Cache就不要拿内存敷衍，如果需要内存就不要拿硬盘空间敷衍， 传统的以时间换空间的方法在这儿行不通的。在价格能够承受的情况下，尽量分配多级存贮系统的高速部分。

6. 尽量使操作系统简单，甚至定制，为了实时性，我们不得不牺牲他的其他功能，也减少用户易用性，如去掉图形界面部分，去掉虚拟内存管理，甚至去掉多进程，专注于一个任务效率当然最高， 理论证明，如果有多个实时任务，要保证他们都不会 miss deadline, 流出来的缓冲时间至少要达到30%, 这里还没考虑到上下文切换时间，实际需要的缓冲时间更多。

当前实时操作系统有DOS, Windows mobile, Windows CE, VxWorks, 各种实时Linux,  Qnux等。 我国我们的通用操作系统要考虑到实时性，必须在其设计的时候考虑到可裁减性，可配置性，这样到实时场合下，可以很方便的抛弃一切不必要的负担，全身的投入到实时任务之中。而这不是一个简单的要求。