在這個現代(dai)時代(dai)，我(wo)們看到(dao)了(le)許(xu)多需(xu)要(yao)操作系統(tong)的軟(ruan)件和硬(ying)件解決(jue)方(fang)案(an)。操作系統(tong)幫助(zhu)這些(xie)設(she)備平穩(wen)運行並(bing)處(chu)理(li)大量(liang)不同(tong)的任務(wu)。但是(shi)，作為電子(zi)愛好(hao)者，您(nin)很可(ke)能需(xu)要(yao)更(geng)深(shen)入(ru)地了(le)解(jie)您的項目(mu)需(xu)要(yao)哪(na)種(zhong)類(lei)型(xing)的操作系統(tong)。謝天謝地，我(wo)們有(you)妳(ni)需(xu)要(yao)的東(dong)西。在(zai)本(ben)文中，您將(jiang)找(zhao)到(dao)有(you)關(guan) RTOS 與(yu) GPOS、它(ta)們的比較(jiao)以及各(ge)種(zhong)類型(xing)的應用程序的所有(you)信息。此外，如果您只是想(xiang)了(le)解(jie)更(geng)多有(you)關(guan)這些(xie)操作系統(tong)的信息，那(na)麽您來(lai)對(dui)地方了(le)。

準備好？讓(rang)我(wo)們開始。

通(tong)用操作系統(tong) (GPOS)

GPOS 是壹種操作系統(tong)，可以管理(li)大量(liang)進程並在(zai)單(dan)位(wei)時間內(nei)完(wan)成壹次執行(xing)——我(wo)們喜(xi)歡(huan)稱(cheng)之(zhi)為(wei)吞吐量(liang)。有(you)時，通(tong)用操作系統(tong)會延(yan)遲(chi)壹個高優(you)先級(ji)線程的執行(xing)，以執行(xing)五(wu)個或六個低(di)優(you)先級(ji)進程。 

電腦(nao)工作(zuo)站

來源：Pixabay

因此，為了(le)實現必(bi)要(yao)的高吞吐量(liang)，它(ta)將為五個低(di)優(you)先級(ji)任務(wu)提(ti)供(gong)服(fu)務(wu)，而不(bu)是執行(xing)壹個高優(you)先級(ji)進程。換(huan)句(ju)話(hua)說(shuo)，如果多個低(di)優(you)先級(ji)任務(wu)排隊(dui)等待執行(xing)，GPOS 將(jiang)允許(xu)這些(xie)任務(wu)先運行，以保(bao)持(chi)其高(gao)吞吐量(liang)。

現在(zai)，大(da)多數通(tong)用操作系統(tong)使用公平(ping)策略將(jiang)進(jin)程和線(xian)程(cheng)傳(chuan)送到 CPU。 

此外，此策略允許(xu) GPOS 提(ti)供(gong)桌(zhuo)面(mian)和服(fu)務(wu)器應用程序高(gao)效工作(zuo)所需(xu)的整體高(gao)輸出(chu)。 

但是(shi)，它(ta)不能保證(zheng)高(gao)優(you)先級(ji)任務(wu)或時間關(guan)鍵線程會在(zai)低(di)優(you)先級(ji)線程之(zhi)前執行(xing)。因(yin)此，通(tong)用操作系統(tong)更(geng)適(shi)合(he)同(tong)時執行(xing)多項(xiang)任務(wu)的設備。

個人電腦(nao)（PC）

來源：Pixabay

實時操作系統(tong) (RTOS)

另(ling)壹方面(mian)，RTOS 的設計(ji)能夠(gou)以高(gao)精(jing)度處(chu)理(li)對(dui)時間要(yao)求(qiu)嚴(yan)格的應用程序。對(dui)於(yu)屬(shu)於(yu)此類別的操作系統(tong)，它(ta)執行(xing)的每個關(guan)鍵操作都必(bi)須有(you)壹個最長的時間段(duan)。換(huan)句(ju)話(hua)說(shuo)，它(ta)是壹個有(you)時限(xian)的系統(tong)。

實時操作系統(tong)相當(dang)復雜。不(bu)過別擔(dan)心，我(wo)們會(hui)為妳(ni)分(fen)解(jie)。RTOS 具有(you)三個基本(ben)功能，即(ji)調(tiao)度(du)程序、RTOS 服(fu)務(wu)、同(tong)步(bu)和消(xiao)息傳(chuan)遞(di)。

調(tiao)度(du)器

調(tiao)度(du)器具有(you)三種狀(zhuang)態(tai)：第(di)壹個是準備運行狀(zhuang)態(tai)，適(shi)用於(yu)可(ke)以在(zai)必(bi)要(yao)時切換(huan)到(dao)運行狀(zhuang)態(tai)的就(jiu)緒(xu)任務(wu)。其次(ci)是運行狀(zhuang)態(tai)，適(shi)用於(yu)任務(wu)執行(xing)時的狀(zhuang)態(tai)。最後(hou)，阻塞狀(zhuang)態(tai)是(shi)任務(wu)無法運行並(bing)被發(fa)送(song)到(dao)阻(zu)塞狀(zhuang)態(tai)。

此外，還有(you)三種類型(xing)的調(tiao)度(du)技術，它(ta)們是：

搶占式(shi)任務(wu)調(tiao)度(du)方法/基於(yu)優(you)先級(ji)的調(tiao)度(du)

搶占式(shi)調(tiao)度(du)技術涉(she)及依賴(lai)於(yu)優(you)先級(ji)的時間分(fen)配。在這裏(li)，您(nin)可以為(wei)每(mei)個任務(wu)分(fen)配壹個唯(wei)壹的優(you)先級(ji)。 

合(he)作(zuo)調(tiao)度(du)

在這(zhe)裏(li)，您(nin)可以為(wei)每(mei)個任務(wu)分(fen)配壹個固定的插槽(cao)。但(dan)是(shi)，如果任務(wu)沒有(you)完(wan)成執行(xing)，它(ta)將丟失生成的數據並(bing)等(deng)待下(xia)壹輪。

最後(hou)，內(nei)核負(fu)責創(chuang)建(jian)任務(wu)、更(geng)改任務(wu)的優(you)先級(ji)、更(geng)改任務(wu)的狀(zhuang)態(tai)以及刪(shan)除(chu)任務(wu)。

實時操作系統(tong)服(fu)務(wu)

每個操作系統(tong)的核心(xin)都(dou)是內(nei)核。內(nei)核負(fu)責管理(li)和分(fen)配操作系統(tong)的資源。然而，任務(wu)並不(bu)總是能(neng)引(yin)起 CPU 的註意(yi)，因(yin)此內(nei)核必(bi)須提(ti)供(gong)其他服(fu)務(wu)，如時間服(fu)務(wu)、輸入(ru)輸出(chu)服(fu)務(wu)、中斷(duan)處(chu)理(li)服(fu)務(wu)、內(nei)存管理(li)服(fu)務(wu)和設(she)備管理(li)服(fu)務(wu)。

內(nei)核圖

來源：維(wei)基(ji)共享(xiang)資源

消息傳(chuan)遞(di)和同(tong)步(bu)

消息傳(chuan)遞(di)功能為(wei) RTOS 在(zai)任務(wu)之(zhi)間(jian)與(yu)其(qi)他系統(tong)通(tong)信提(ti)供(gong)了(le)壹種方(fang)式(shi)。消息傳(chuan)遞(di)服(fu)務(wu)包(bao)括郵(you)箱(xiang)、管道、消(xiao)息隊(dui)列(lie)、事件標誌(zhi)和信(xin)號(hao)量。 

郵(you)箱(xiang)、消(xiao)息隊(dui)列(lie)和管道可(ke)以在(zai)任務(wu)之(zhi)間(jian)發送消息，而(er)事件標誌(zhi)可以同(tong)步(bu)所有(you)任務(wu)間活(huo)動(dong)。此外，信號(hao)量可(ke)以同(tong)步(bu)對(dui)共享(xiang)資源的訪問(wen)。

RTOS（實時操作系統(tong)）與(yu) GPOS（通(tong)用操作系統(tong)）

RTOS 和 GPOS 之(zhi)間(jian)的基本(ben)區別在(zai)於(yu)應用程序的性質(zhi)（是(shi)否(fou)對(dui)時間要(yao)求(qiu)嚴(yan)格或(huo)單(dan)壹或多用途）。時間關(guan)鍵型系統(tong)的壹個很好的例子(zi)是自(zi)動(dong)櫃員(yuan)機。按(an)下(xia)確認(ren)按(an)鈕(niu)後，壹個人會等(deng)待(dai) 4 或 5 秒(miao)才(cai)能從 ATM 取錢(qian)。沒有(you)人願意(yi)在按(an)下(xia)確認(ren)按(an)鈕(niu)後等(deng)待五(wu)分(fen)鐘(zhong)。

自(zi)動(dong)櫃員(yuan)機

另(ling)壹方面(mian)，PC 有(you)多種(zhong)用途，使(shi)其(qi)成為壹個對(dui)時間不(bu)敏感(gan)的系統(tong)。您可(ke)以使(shi)用 PC 同(tong)時運行各(ge)種(zhong)應用程序。此外，沒有(you)特別(bie)的時間在(zai) PC 甚(shen)至智能手(shou)機(ji)上(shang)做(zuo)任何事情(qing)。例如，在某(mou)些(xie)情(qing)況(kuang)下(xia)，保存文檔(dang)可能(neng)需(xu)要(yao)幾秒鐘(zhong)或(huo)幾(ji)分(fen)鐘(zhong)。但(dan)是(shi)，這(zhe)取決(jue)於(yu)正(zheng)在(zai)運行的進程(cheng)和任務(wu)的數量。

手(shou)機(ji) 

因此，通(tong)用操作系統(tong)適(shi)用於(yu)非時間關(guan)鍵的應用程序和系統(tong)，如 Linux、Windows 等。

Linux系統(tong)

雖然(ran)實時操作系統(tong)適(shi)用於(yu)需(xu)要(yao)快(kuai)速和可(ke)預測響(xiang)應的時間關(guan)鍵型應用程序，例(li)如UCOS、VxWorks等。

以下(xia)是進(jin)壹步(bu)解釋兩種(zhong)操作系統(tong)之(zhi)間(jian)差(cha)異(yi)的類別(bie)：

任務(wu)調(tiao)度(du)

在任務(wu)調(tiao)度(du)類別(bie)中，GPOS 不關(guan)註優(you)先級(ji)。它(ta)以提(ti)供(gong)高吞吐量(liang)的方式(shi)處(chu)理(li)調(tiao)度(du)。而在(zai) RTOS 的情況(kuang)下(xia)，調(tiao)度(du)總是側重於(yu)優(you)先級(ji)。與(yu) GPOS 不(bu)同(tong)，所有(you)高優(you)先級(ji)進程都在任何低(di)優(you)先級(ji)任務(wu)之(zhi)前執行(xing)。

視(shi)窗(chuang)

延遲(chi)問題(ti)

這是(shi)困擾 GPOS 的壹個主要(yao)問題(ti)。大多數 GPOS 具有(you)無限(xian)的調(tiao)度(du)延遲(chi)——這意味著(zhe)要(yao)調(tiao)度(du)的線程(cheng)越(yue)多，延(yan)遲(chi)加起(qi)來(lai)就(jiu)越(yue)多。RTOS 不(bu)存在所(suo)有(you)線程(cheng)和進(jin)程(cheng)都(dou)有(you)有(you)限(xian)延(yan)遲(chi)（線程將在設定(ding)的時間限(xian)制(zhi)內(nei)執行(xing)）的問題(ti)。

經(jing)濟(ji)和硬(ying)件因素

RTOS 適(shi)用於(yu)自(zi)動(dong)售(shou)貨(huo)機或 ATM 等獨立(li)和低(di)端(duan)系統(tong)。此外，與(yu) GPOS 相(xiang)比，RTOS 體積小(xiao)、重量(liang)輕(qing)。此外，GPOS 適(shi)用於(yu)壹般用途和高(gao)端(duan)設備，如工作(zuo)站或個人計(ji)算(suan)機。

高端(duan)設備

來源：維(wei)基(ji)共享(xiang)資源

搶占式(shi)內(nei)核

首(shou)先(xian)涉及高(gao)優(you)先級(ji)進程執行(xing)時的壹個主要(yao)問題(ti)是可(ke)搶占內(nei)核。因(yin)此，如果內(nei)核不(bu)可(ke)搶(qiang)占，那(na)麽來自(zi)該(gai)內(nei)核的請(qing)求(qiu)將(jiang)立(li)即覆(fu)蓋(gai)所有(you)其他正在運行的進程(cheng)。雖(sui)然 RTOS 的內(nei)核是(shi)可(ke)搶(qiang)占的，但 GPOS 的內(nei)核不(bu)是(shi)。 

換(huan)句(ju)話(hua)說(shuo)，GPOS 中的高優(you)先級(ji)進程執行(xing)不(bu)能搶(qiang)占內(nei)核調(tiao)用，而 RTOS 中的高優(you)先級(ji)進程總是會(hui)在(zai)必(bi)要(yao)時搶占低(di)優(you)先級(ji)任務(wu)，並將(jiang)內(nei)核調(tiao)用之(zhi)外的任務(wu)視(shi)為(wei)外部任務(wu)過程(cheng)。

RTOS 與(yu) GPOS—— 評(ping)估和選(xuan)擇(ze)用於(yu)嵌(qian)入(ru)式(shi)產品(pin)開發的 RTOS

在評(ping)估滿(man)足(zu)嵌(qian)入(ru)式(shi)系統(tong)所有(you)要(yao)求(qiu)的嵌(qian)入(ru)式(shi) RTOS 之(zhi)前，請(qing)確保您(nin)檢(jian)查預期(qi)的 RTOS 支(zhi)持(chi)壹些(xie)重要(yao)功能。 

為(wei)了(le)讓(rang)您更(geng)輕松(song)，以下(xia)是這(zhe)些(xie)關(guan)鍵功能的概(gai)述：

RTOS vs GPOS—— 調(tiao)度(du)器

操作系統(tong)的調(tiao)度(du)程序負(fu)責決(jue)定(ding)操作系統(tong)應該在(zai)什麽時間執行(xing)每(mei)個任務(wu)。調(tiao)度(du)程序可(ke)以根據可用資源和優(you)先級(ji)暫停(ting)和恢復任何任務(wu)。因此，嵌(qian)入(ru)式(shi) RTOS 必(bi)須具有(you)內(nei)置調(tiao)度(du)程序。它(ta)將允許(xu) RTOS 執行(xing)任務(wu)的實時執行(xing)。

軟(ruan)件定時器

顧(gu)名思義，軟(ruan)件定時器可(ke)以在(zai)指(zhi)定的時間窗(chuang)口內(nei)執行(xing)功能。為(wei)您(nin)的 RTOS 手(shou)動(dong)創(chuang)建軟(ruan)件計(ji)時器並(bing)不容(rong)易(yi)或不(bu)可(ke)取，因此請(qing)確保您(nin)選擇(ze)具有(you)內(nei)置軟(ruan)件計(ji)時器的 RTOS。

RTOS vs GPOS—— 排隊(dui)機制

隊(dui)列(lie)允許(xu)任務(wu)交(jiao)換(huan)信(xin)息。具有(you)內(nei)置排隊(dui)機制的 RTOS 將支(zhi)持(chi)任務(wu)之(zhi)間(jian)的消息交(jiao)換(huan)。

Ë xecution跟(gen)蹤工具 

使用跟蹤工具，您可以輕(qing)松(song)觀察(cha)實時系統(tong)的實時行為(wei)。因此，您的開發團(tuan)隊(dui)可(ke)以跟(gen)蹤和檢(jian)測任何錯(cuo)誤和任務(wu)的執行(xing)。

RTOS 與(yu) GPOS——低(di)內(nei)存占用

由於(yu)您(nin)需(xu)要(yao)將 RTOS 集成到 MCU 平臺中，因此預期(qi)的 RTOS 應該具有(you)較(jiao)低(di)的內(nei)存占用。這意(yi)味著(zhe)總大小(xiao)不(bu)應超過(guo) MCU 總大小(xiao)的 10%。

實時操作系統(tong)架(jia)構

來(lai)源：維(wei)基(ji)共享(xiang)資源

包(bao)起來(lai)

簡而言(yan)之(zhi)，RTOS 和 GPOS 在(zai)為(wei)它(ta)們設計(ji)的應用程序中運行良好(hao)。盡(jin)管 RTOP 的吞吐量(liang)可能(neng)低(di)於(yu) GPOS，但(dan)這(zhe)並(bing)不意味著(zhe)其吞吐量(liang)低(di)。 

GPOS 處(chu)理(li)大量(liang)繁重的進程(cheng)，而(er) RTOP 處(chu)理(li)的任務(wu)較(jiao)少(shao)，吞吐量(liang)相對(dui)於(yu)系統(tong)負載而言(yan)。

然而(er)，RTOS 的主要(yao)關(guan)註點是提(ti)供(gong)更(geng)可預測的執行(xing)模(mo)式(shi)和及時的執行(xing)——而(er)不是(shi)高吞吐量(liang)。不過(guo)，GPOS 的情況(kuang)正(zheng)好相反(fan)。好吧(ba)，這(zhe)總結了(le)有(you)關(guan) GPOS 與(yu) RTOS 的所有(you)內(nei)容。如果您有(you)任何意(yi)見(jian)或問(wen)題(ti)，請(qing)隨(sui)時與(yu)我(wo)們聯(lian)系。我(wo)們很(hen)樂意提(ti)供(gong)幫助(zhu)。