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嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)最新進(jìn)展

發(fā)布日期：2022-04-27 點(diǎn)擊率：96

    嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)保證了飛機(jī)、火車、汽車以及工廠設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行。一個(gè)嵌入式RTOS的核心就是確定性，它絕對(duì)保證了當(dāng)接受到時(shí)鐘間隔或一個(gè)中斷信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)可以正確的做出響應(yīng)。
　　但是如今只有這些還不夠，還要有安全性，保密性以及通訊范圍等其他要求。鑒于工業(yè)控制供應(yīng)商喬治亞州Norcross 的西門子能源和自動(dòng)化公司（SEA）的經(jīng)驗(yàn)，公司希望在其客戶的工廠內(nèi)配置一臺(tái)電腦。SEA負(fù)責(zé)工程軟件產(chǎn)品的產(chǎn)品市場(chǎng)部經(jīng)理Eric Kaczor說(shuō)，工程師們很快發(fā)現(xiàn)一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的辦公室用電腦并不能起作用。為了避免電腦有被撞壞以及被凍住的危險(xiǎn)，他們決定使用RTOS。
　　然而，他們?cè)谶x擇RTOS 時(shí)，很重要的一點(diǎn)就是看它是否還保留了辦公室電腦軟件的功能。“當(dāng)我們選擇實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的時(shí)候，我們希望可以很方便地應(yīng)用我們的辦公室軟件。”Kaczor說(shuō)。
　　比PLC 具有更多的功能
　　如今RTOS必須可以與多種型號(hào)相連，并且滿足安全性和保密性的要求，實(shí)際上，它現(xiàn)在就像是一臺(tái)辦公室里的個(gè)人電腦。作為對(duì)這些需求的反應(yīng)，RTOS銷售商提供了更多的功能，這些要求對(duì)于內(nèi)存和其他的一些約束性配件施加了很大的壓力。幸運(yùn)的是，RTOS  
可以進(jìn)行“瘦身”，這樣就能保證其他功能的配件有足夠的地方。看一下現(xiàn)今的RTOS可以知道它在哪些地方進(jìn)行了改變以迎合工業(yè)，自動(dòng)化及控制領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用需求。
　　SEA 使用Ardence（一個(gè)在馬薩諸塞州Waltham的Citrix公司）公司RTX RTOS系統(tǒng)來(lái)一起制造其Simatic Microbox 420工業(yè)用電腦部件。RTOS 功能的拓展已經(jīng)超越了偶爾觀察RTOS 人的想象。“他們看著這個(gè)東西，然后他們認(rèn)為它是一個(gè)PLC...，他們沒(méi)有意識(shí)到它的實(shí)際功能遠(yuǎn)比PLC 強(qiáng)大。”Kaczor 說(shuō)。
　　另外一個(gè)額外的功能就是可連接性。PaulChen 是在加利福尼亞州Alameda 的RTOS 銷售商Wind River Systems 公司的VxWorks 生產(chǎn)線經(jīng)理，他注意到，對(duì)于最新型的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，與外部世界相連是一個(gè)非常重要的功能需求。這包括一些用戶需要的技術(shù)如USB，工業(yè)以太網(wǎng)和無(wú)線通訊。最終用戶也希望有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)能對(duì)其安全性作出規(guī)定，這些標(biāo)準(zhǔn)諸如下一代因特網(wǎng)（IPv6），關(guān)于無(wú)線通訊的802.x 體系，關(guān)于移動(dòng)通訊應(yīng)用的MIPv4 和MIPv6 以及IPsec 協(xié)議和HTTPS 協(xié)議。
　　顧客引導(dǎo)著RTOS供應(yīng)商。“如果實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)軟件不能提供這些功能的話，我們的顧客可能自己編程來(lái)實(shí)現(xiàn)這些功能。”Chen 說(shuō)。
  而危險(xiǎn)在于，如果最終用戶或原始設(shè)備制造商（OEM）自己附加軟件有可能產(chǎn)生危險(xiǎn)，如可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的行程安排軟件產(chǎn)生影響，而這個(gè)軟件是整個(gè)RTOS最重要的一部分用來(lái)確保整個(gè)系統(tǒng)的確定性。由于知道編碼，RTOS 的供應(yīng)商可以為他們的產(chǎn)品增加性能，而同時(shí)保留實(shí)時(shí)性。
　　這也同樣適用于安全與保密方面的功能。這項(xiàng)性能在機(jī)載系統(tǒng)，工業(yè)應(yīng)用以及醫(yī)用軟件中有需求，這些都寫在下面的規(guī)定中（這些規(guī)定都是三個(gè)字母的縮寫）：FAA DO-178B，IEC 61508, and FDA 510(k)。
　　增加的可連接性的功能使得嵌入式RTOS的功能更難實(shí)現(xiàn)，特別是它的安全性能。有種版本的安全性能原本是用于軍事方面的，以前這個(gè)版本對(duì)于不同的系統(tǒng)會(huì)有不同的安全性能等級(jí)。而如今人們需要試圖將所有等級(jí)的安全性能都放入一個(gè)硬件中，這就意味著硬件或軟件的集成信息將會(huì)變成最高機(jī)密。
　　安全性能的另外一個(gè)版本，雖然與任何一臺(tái)的辦公室電腦都很相似，然而程序可以錯(cuò)誤的進(jìn)入其他的存儲(chǔ)空間，然后外部的力量就可以攻擊它。
　　Chen 注意到了硬件的發(fā)展，在最先進(jìn)的嵌入式RTOS內(nèi)的第三大驅(qū)動(dòng)器可以幫助其避免類似問(wèn)題。就拿一件事來(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體制造商正在往他們的芯片內(nèi)加入過(guò)程元素以便專用功能可以通過(guò)軟件來(lái)卸載。
　　其它的功能包括對(duì)安全性能的編碼和網(wǎng)絡(luò)病毒偵測(cè)的模式匹配。“專用的硬件通常比軟件運(yùn)行的要快，因此RTOS軟件需要能夠支持協(xié)調(diào)不同的硬件引擎。”Chen 這樣說(shuō)道。
　　他補(bǔ)充到，多核處理器現(xiàn)在對(duì)于嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)也變得可能了。由于將一個(gè)處理器變成多個(gè)相同的單元或內(nèi)核，微處理器制造商可以將升級(jí)周期大大加快，因此就能以低功耗完成高性能。因而，如果軟件支持多核處理器的話，嵌入式RTOS 可以從這些硬件中受益。
　　Robert Day(Lynuxworks公司在加州San Jose的市場(chǎng)部副經(jīng)理)，注意到先進(jìn)的微處理器內(nèi)核供應(yīng)商非常注重內(nèi)存部分，他們使用磚結(jié)構(gòu)的劃分方式以保證每一個(gè)部分都是相互隔離的。這一概念也同樣可以延伸到使用小型RTOS 來(lái)作為一個(gè)超級(jí)監(jiān)控器以允許一個(gè)RTOS 及其應(yīng)用軟件在同一個(gè)儲(chǔ)存區(qū)間內(nèi)運(yùn)行而同時(shí)非實(shí)時(shí)應(yīng)用軟件在其他區(qū)間運(yùn)行。
　　作為RTOS 供應(yīng)商的，Dan Mender（加州Santa Barbara 的Green Hills 軟件公司RTOS商務(wù)開(kāi)發(fā)的主管）注意到如果使用相互隔離的內(nèi)核的話，對(duì)于他們來(lái)說(shuō)要支付額外的錢。他說(shuō)：“同樣的原理（互相隔離并且使得外來(lái)的攻擊只能影響到系統(tǒng)的一部分）也可以用來(lái)編寫系統(tǒng)，以防該系統(tǒng)出現(xiàn)由于不經(jīng)意的編程錯(cuò)誤導(dǎo)致的安全性問(wèn)題。”
　　必需品
　　除了需要支持并利用這些硬件的更新，一個(gè)RTOS 必須能夠滿足可連接性，保密性及安全性能的需求。然而，Day 很快指出軟件的一些其他功能也絕對(duì)是必須的。特別是必須有幾種形式的通訊方式，以便在多任務(wù)情況下可以立即運(yùn)行一個(gè)應(yīng)用軟件，并且不影響到其他程序。
　　“大多數(shù)有多任務(wù)需要的應(yīng)用軟件都有幾種任務(wù)間通信的方法，如隊(duì)列法，信號(hào)量及Mutexs，后者對(duì)于應(yīng)用軟件來(lái)說(shuō)尤為重要，因?yàn)樗梢宰柚箖?yōu)先權(quán)倒置（即允許低優(yōu)先權(quán)的任務(wù)阻礙系統(tǒng)重要功能的運(yùn)行）”Day 說(shuō)道。
　　對(duì)于在工業(yè)自動(dòng)化方面的應(yīng)用，Day 補(bǔ)充道，RTOS 應(yīng)該允許單調(diào)速率調(diào)度及時(shí)間和空間的分 
區(qū)。前者提供了一個(gè)報(bào)時(shí)鐘以便平均分配在每個(gè)窗口上的用時(shí)，而后者是保證重要任務(wù)可以得到一個(gè)時(shí)間常數(shù)窗口。
　　對(duì)于自動(dòng)化應(yīng)用方面及設(shè)備，有一些通訊協(xié)議及特殊要求。由于其它的標(biāo)準(zhǔn)，如IPv4 和IPv6 可能就已經(jīng)足夠了，所以這些協(xié)議及特殊要求有可能并不需要。然而，如果用上這些協(xié)議的話會(huì)很有幫助。這些協(xié)議包括：控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（CAN），OPC，分布式通用對(duì)象模型（DCOM），無(wú)線通訊的工業(yè)無(wú)線局域網(wǎng)，Profinet或其他的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議及基于XML和SOAP協(xié)議（該協(xié)議組成了Web services 堆棧的基本層，為其提供一個(gè)基本的通訊框架以便可以創(chuàng)建更多的抽象層）的Web services。另外其他一些新的技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)，如無(wú)線通訊領(lǐng)域的ZigBee，已經(jīng)成為了RTOS的一部分。
　　Mark Hamilton（加州Santa Clara的中間件供應(yīng)商Real-Time Innovations 公司（RTI）的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師），給情報(bào)及軍事公司設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)及配置實(shí)時(shí)系統(tǒng)的有著相當(dāng)豐富的經(jīng)驗(yàn)。一個(gè)廣泛的可用協(xié)議范圍及其他的一些功能是很好的有時(shí)也是必須的，但是他提醒道對(duì)于加載一個(gè)RTOS 上的這些協(xié)議及功能的數(shù)量必須有個(gè)限制。
　　由于多功能已經(jīng)成為系統(tǒng)的一部分，因此現(xiàn)在需要注意的一點(diǎn)是哪個(gè)調(diào)度程序不可以簡(jiǎn)單地運(yùn)行軟件線程。在這種情況下，RTOS 的決定能力就會(huì)受到影響。那么系統(tǒng)的功能及操作與一臺(tái)臺(tái)式機(jī)就沒(méi)有什么兩樣了。
　　不出意料，他指出中間件可以通過(guò)應(yīng)用軟件間的通訊管理來(lái)避免這樣的問(wèn)題。RTOS的這一功能可以使其通過(guò)其可連接性而不用通過(guò)提高調(diào)度程序的要求來(lái)卸載掉一些負(fù)載。中間件甚至可以對(duì)一些常見(jiàn)的問(wèn)題提供現(xiàn)成的解決方法。
　　“中間件可以使得你系統(tǒng)中CPU 之間的數(shù)據(jù)移動(dòng)變得可能，并且你不必?fù)?dān)心會(huì)需要寫很多的網(wǎng)絡(luò)代碼”Hamilton 說(shuō)道。
　　這樣的卸載及分區(qū)功能除了調(diào)度程序的限制要求外還有個(gè)必須的理由。一個(gè)嵌入式RTOS 通常是使用在內(nèi)存及儲(chǔ)存器都是受到限制的情況下的。同時(shí)，由于設(shè)備都增加了新的功能，并且應(yīng)用的趨勢(shì)是功能的更多樣化。這樣的結(jié)果是RTOS 的存儲(chǔ)器的占用量在支持日益增長(zhǎng)的設(shè)備功能的同時(shí)必須還維持在很小的占用量。
　　RTOS供應(yīng)商必須使用多種方法來(lái)滿足這兩個(gè)矛盾的要求。一個(gè)方法就是將最后的決定權(quán)放在開(kāi)發(fā)者和最終用戶手上。RTOS 的最終配置是在搭建的時(shí)候增加一些或出去一些模塊來(lái)決定的，這樣就允許對(duì)功能與占用量之間的平衡進(jìn)行細(xì)致的控制。這種方法就可以將潛在的節(jié)省變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
　　比如，在開(kāi)發(fā)及測(cè)試階段，用戶可能會(huì)選擇需要編程來(lái)顯示診斷信息。當(dāng)開(kāi)發(fā)完成，這些診斷信息可以刪除，這個(gè)有時(shí)候可能節(jié)省了占用量的百分比的兩位數(shù)。
　　一個(gè)必然的結(jié)論是模塊自身必須很小。這樣就能保證最終的搭建及RTOS本身可以集成。然而，通過(guò)仔細(xì)選擇適合的編程語(yǔ)言及編譯器也是為應(yīng)用軟件減肥的一種方法。這有可能使得應(yīng)用軟件的體積大幅度的減小。如美國(guó)國(guó)家儀器公司的LabView 的軟件，對(duì)于開(kāi)發(fā)，集成及再使用都有現(xiàn)成的代碼可選，然后將RTOS 的設(shè)計(jì)面向翻譯：高海洋不同的目標(biāo)。
　　由于RTOS 及應(yīng)用軟件占用空間的指示之間的相互作用，無(wú)論什么方法去讓其適應(yīng)這些限制到最后都將是在RTOS，應(yīng)用軟件，軟件工具及硬件的功能之間整合。Wilsonville 的電子自動(dòng)化設(shè)計(jì)供應(yīng)商，Mentor Graphics集團(tuán)公司，的Nucleus Kernals 生產(chǎn)線的產(chǎn)品市場(chǎng)部經(jīng)理，Todd Brian，注意到?jīng)]有一個(gè)RTOS的供應(yīng)商是絕對(duì)獨(dú)立的。所有的的工作都在一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)下進(jìn)行，這個(gè)系統(tǒng)對(duì)于嵌入式RTOS 能否得到最佳的運(yùn)行性能來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。“一個(gè)供應(yīng)商需要合作伙伴一起集成在供應(yīng)商的操作系統(tǒng)內(nèi)。這樣的話，他們就不會(huì)被集成過(guò)程給束縛了。”Brian 說(shuō)道。
　　這樣的整合對(duì)于RTOS供應(yīng)商及最終用戶來(lái)說(shuō)是有利的，同樣也期待一個(gè)嵌入式RTOS和它的供應(yīng)

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