LabVIEW 什么是实时操作系统 （RTOS）？

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一般而言，操作系统的任务是管理计算机的硬件资源和应用程序。 实时操作系统会执行这些任务，但是运行时间精度和可靠度都*。 在实际应用中，有的系统失常代价高昂，甚至会引起安全事故。这时，操作系统的时间精度和可靠度都显得格外重要。

顾名思义，实时操作系统必须在已知的关键时间内完成关键操作，至少要在大多数情况下在已知时间内完成关键操作。 部分这类操作包括操作系统调用和中断处理。 *在时间内完成关键性操作的实时操作系统，被称为“硬实时”操作系统。大多数情况下能满足在时间内完成关键性操作的实时操作系统，被称为“软实时”操作系统。 实际情况中，上述分类的指导意义有限。每个实时操作系统都有*的性能特征，用户在决定使用某个实时操作系统之前需要仔细研究这些特征。

下面通过列子来帮助理解实时操作系统的概念。 假设您在为一款新车设计安全气囊系统。 在该情况下，极小的时间误差（太早或太迟）都会产生灾难性后果，甚至导致人员伤亡。 因此，需要一个硬实时系统；在系统设计上要确保没有任何操作的优先级可以*于时间限制之上。 另一方面，如要设计一个接收流媒体手机，在保持大致不丢失流媒体数据的前提下可以偶尔遗失少量数据。 在这种应用中，一个软实时操作系统就可满足要求。

如果编程合理，实时操作系统可保证程序运行在时间上的稳定可靠性。 实时操作系统向用户提供任务优先级排序的高度控制权，也通常会允许用户检查任务执行是否符合时间上设定的要求。

与实时操作系统相比，个人电脑上zui常见的操作系统称为通用操作系统，例如，Windows。 下面将详尽阐述实时操作系统和通用操作系统的区别。在此之前，要先了解两种操作系统的优劣。 Windows等操作系统通过运行多个程序和服务来维持对用户操作的响应，实时操作系统通过精确和可靠度定时机制（关注编程人员设定的优先级）来运行关键性应用程序。

重要的术语和概念

确定性：运行在实时操作系统上的应用程序（或应用程序的关键性片段），如能保证时间精度，就认为是确定性的程序。

软实时和硬实时：完*保证时间精度的操作系统，称为硬实时操作系统。 多数情况下能保证时间精度的操作系统，称为软实时操作系统。

抖动：程序开始时，*循环相对于后续循环在时间上的差异，称为抖动。 实时操作系统可确保在编程合理的情况下，抖动为zui小水平；任务*执行与后续循环执行所用的时间非常接近。

图1：抖动指一次任务执行和后续任务执行之间在时间上的差异。 实时操作系统通过各种优化方式使抖动zui小化。

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2. 实时应用程序范例

实时操作系统用于两类应用：事件响应和闭环控制。 事件响应类应用需要在的时间内对外界触发条件作出响应。例如，生产线上自动视觉模式识别。 在视觉识别系统中，必须在生产线移动之前对待测部分进行拍照和分析。

对运行在硬实时操作系统上的程序进行严格的设计和调试之后，在事件响应上工作的设计人员可保证响应的确定性（在时间内发生）。 在视觉识别案例中，使用通用操作系统可能会导致无法及时检测待测部分，从而降低生产线速度、强制报废待测品，甚至交付潜在的次品。

在闭环控制系统中，例如，汽车巡航控制系统会连续处理反馈数据，调整输出。 因为输出数据取决于是否能在时间内处理完输入数据。在时间内完成任务至为重要，只有这样才能有正确的输出。 如果巡航系统无法在给定时间点上判断合适的油门设置，会发生什么情况？ 硬实时系统可保证在时间内及时处理控制系统的输入数据。

还必须指出，很多程序必须运行多个周期后才能充分体现实时操作系统的可靠性。 与通用操作系统同时处理多个程序和进程不同，实时操作系统上只有少量程序运行。实时操作系统适用于宕机代价高昂的全天候系统。

如要在项目中使用实时操作系统，请查看我是否需要实时系统？

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3. 探究事实：实时操作系统与通用操作系统有哪些不同之处

Windows、Mac OS等操作系统是开发和运行非实时测量和控制应用程序的优秀平台。 这些操作系统使用于实时操作系统之外的使用场合。对于要求精确定时和长时间稳定运行的系统而言，通用操作系统不是理想的平台。 下面将阐述两种操作系统之间的区别，以及编写实时应用程序时的注意事项。

设置优先级

编写应用程序时，大多数操作系统都允许程序员应用程序的总体优先级，以及应用程序中不同任务（线程）的优先级。 这些优先级设置将程序和任务的重要性告知操作系统。 如两个任务同时运行，操作系统将优先运行优先级设置较高的任务。

在实际应用中，通用操作系统不会始终严格按照程序设置的优先级执行。 因为通用操作系统可同时运行多个应用程序和进程，所有任务都会被分配到一些处理时间。 在某些情况下，低优先级任务的临时优先级可能会比高优先级任务更高。 这样，每个任务都会分配到一定的运行时间。这会违背程序设计人员的设计初衷。

实时操作系统可严格按照程序员设置的优先级执行程序。 在多数实时操作系统上，如果一个高优先级任务占用率*的处理器资源，低优先级任务将一直等待直到高优先级任务完成。 因此，设计实时应用程序时，必须谨慎、合理设置优先级。 在一个典型的实时应用程序中，设计者应该将实时代码放置在高优先级的部分。 写入磁盘、网络通信等较低优先级的代码应该放在较低优先级的部分。

中断延迟

设备生成一个中断和设备中断发生之间的时间，称为中断延迟。 通用操作系统响应中断需要的时间不固定，实时操作系统必须确保在一个固定的时间内响应中断。 也就是说，实时操作系统的延迟必须是已知的固定的值。

性能

一个常见的误解是实时操作系统的性能高于通用操作系统。 在某些情况下，因为不需要在多个应用程序和服务之间进行多任务操作，实时操作系统的性能更好。这并不是的规律。 实际应用程序的性能取决于CPU主频、内存架构、程序特征，等等。

即使实时操作系统对执行速度没有直接影响，但是它与通用操作系统相比具有更精确和更可靠的时间特性。

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