什么是实时操作系统(RTOS)？
什么是实时操作系统(RTOS)？
实时操作系统（RTOS）是一种能够在严格的时间限制内处理数据并执行任务的操作系统，具有高度的可靠性和精度。在工业系统、汽车控制和医疗设备等领域，RTOS因其低延迟和高可靠性而被广泛应用。本文将详细介绍RTOS的基本概念、关键术语及其与通用操作系统的区别。
实时操作系统介绍
实时操作系统（RTOS）是一种专门设计用于运行时间精确且可靠性高的应用程序的操作系统。与通用操作系统不同，RTOS能够保证在严格的时间限制内完成关键操作，这对于延迟可能导致操作或安全隐患的场景至关重要。
“硬”实时操作系统与“软”实时操作系统
RTOS可以分为“硬”实时和“软”实时两类。硬实时操作系统能够绝对保证其执行操作的最大时限，而软实时操作系统则在大多数情况下能满足这一要求。例如，在汽车安全气囊系统中需要使用硬实时系统，而在流媒体视频接收设备中则可以接受偶尔的延迟，因此可以使用软实时操作系统。
选择RTOS的关键原因在于，只要编程正确，RTOS可保证程序按照非常一致的定时运行。实时操作系统为编程人员提供了对任务优先级的高度控制，通常还支持检查以确保满足重要时间节点。
重要的术语和概念
- 确定性：对于在硬实时操作系统上运行的应用程序（或应用程序的关键部分），如果其时间可保证在一定的误差范围内，则称为确定性应用。
- 硬实时与 软实时：能绝对保证其执行操作最长时限的操作系统称为硬实时操作系统。相比之下，通常能在一定时间内执行操作的操作系统称为软实时操作系统。
- 抖动：在程序或循环的连续迭代中，任务执行时间的误差量称为抖动。实时操作系统经过优化，可在正确编程的情况下实现较低的抖动；任务每次执行所需时间将非常接近。
图1：抖动是衡量任务执行时间在连续迭代中差异的指标。实时操作系统经过优化可将抖动降至最低水平。
实时应用程序范例
实时操作系统主要应用于两类应用：事件响应和闭环控制。事件响应应用（例如，装配线零件的自动目视检查）需要在一定时间内响应激励。闭环控制系统（例如，汽车巡航控制系统）则需要持续处理反馈数据以调整输出。
许多需要长时间运行的应用可以从RTOS的可靠性中受益。由于实时操作系统通常只运行少量程序，而非同时运行多个应用和进程，因此非常适合需要全天候运行、不允许停机或无法承受过长停机时间的系统。
探究事实：实时操作系统与通用操作系统的不同之处
Microsoft Windows和Mac OS等通用操作系统虽然可为开发和运行非关键测量和控制应用程序提供平台，但并不适合运行需要精确定时或长时间运行的应用程序。以下是两种操作系统之间的一些主要差异：
设置优先级
在通用操作系统中，虽然支持编程人员为整个应用以及应用内部的不同任务（线程）指定优先级，但并不总是严格遵循这些优先级。相比之下，实时操作系统会更严格地遵循编程人员的优先级设置。
中断延迟
实时操作系统的中断延迟必须有所限制，即所有中断必须在给定的最长时限内获得响应。而通用操作系统可能对给定中断的响应时间各不相同。
性能
虽然实时操作系统在某些情况下由于应用和服务之间的多任务操作较少而提供了更好的性能，但这并非普遍规律。实际应用程序性能取决于CPU速度、内存架构、程序特性等多个因素。尽管实时操作系统不一定会提高执行速度，但其能够提供比通用操作系统更精确和可预测的定时特性。