单片机/嵌入式系统实时性的问题解析

965 内核嵌入式单片机 CPU单片机

问答对人有帮助，内容完整，我也想知道答案 0 怎样去区分单片机和嵌入式呢？实时操作RTOS系统的实时性有哪些呢？ 0
2022-1-26 06:55:42　　评论淘帖0 邀请回答您可以邀请以下用户，快速回答问题 × heks 该类别下有 20 个回答。邀请回答新星之火12138 该类别下有 18 个回答。邀请回答 wang21cj 该类别下有 17 个回答。邀请回答 hgimtk 该类别下有 16 个回答。邀请回答科源机电该类别下有 15 个回答。邀请回答 liutiefu 该类别下有 15 个回答。邀请回答 kghfh 该类别下有 14 个回答。邀请回答 dgfdf 该类别下有 13 个回答。邀请回答 723662364d 该类别下有 13 个回答。邀请回答一巷清苑该类别下有 13 个回答。邀请回答 chm5 该类别下有 13 个回答。邀请回答 h1654155275.6473 该类别下有 12 个回答。邀请回答 hjhdf 该类别下有 12 个回答。邀请回答 efwedfd 该类别下有 12 个回答。邀请回答小华同学该类别下有 12 个回答。邀请回答 jsqueh 该类别下有 12 个回答。邀请回答红旧衫该类别下有 12 个回答。邀请回答早知该类别下有 12 个回答。邀请回答 Ehunt 该类别下有 12 个回答。邀请回答张峰9998 该类别下有 12 个回答。邀请回答举报 123 相关推荐 • 嵌入式实时操作系统Small RTOS51怎么样？ 1786 • 单片机和嵌入式有哪些差别 1655 • 嵌入式系统电子的实时性是什么？ 3564 • 嵌入式单片机视频报警系统的工作原理是什么？ 3684 • 嵌入式系统的实时性与快速性有关 2112 • 嵌入式系统的实时性问题有哪些？ 1398 • 如何利用ARM7嵌入式单片机设计视频报警系统？ 1396 • 嵌入式系统的发展历史 3235 • Python在实时嵌入式系统中有什么作用？ 1309 • 单片机/ARM/FPGA/嵌入式系统的特点 1652 1个回答

答案对人有帮助，有参考价值 0 1 前言最近有一组学弟学妹问我一个问题，他们做的飞控系统，实时性总是达不到标准，来问我是怎么回事。这涉及到了单片机/嵌入式系统实时性的问题，学长在这做一个系统性的解答。 2 单片机和嵌入式说实话，关于它俩的区分，没有人可以给出一个标准的、正确的答案。每个人理解的单片机与嵌入式系统，都是略有差别的。抛开硬件，从应用程序开发的角度来看，我是这样来理解的：单片机：可以直接使用状态机来实现程序框架，也可以利用一些 RTOS(ucOS、FreeRTOS、vxWorks、RT-Thread)等来完成一些调度功能。嵌入式系统：利用嵌入式 Linux 操作系统以及一些变种来编写应用程序。我知道自己的理解可能是不对的，至少不严谨、范围狭隘，既然没有标准答案，那姑且引用维基百科中的定义吧，毕竟概念是死的，更重要的是我们如何根据实际的需要来进行选择。 2.1 单片机单片机，全称单片微型计算机(single-chip microcomputer)，又称微控制器单元 MCU(microcontroller unit)。把中央处理器、存储器、定时/计数器、各种输入输出接口等都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。由于其发展非常迅速，旧的单片机的定义已不能满足，所以在很多应用场合被称为范围更广的微控制器; 2.2 嵌入式系统嵌入式系统(Embedded System)，是一种嵌入机械或电气系统内部、具有专一功能和实时计算性能的计算机系统。嵌入式系统常被用于高效控制许多常见设备，被嵌入的系统通常是包含数字硬件和机械部件的完整设备，例如汽车的防锁死刹车系统。现代嵌入式系统通常是基于微控制器(如含集成内存和/或外设接口的中央处理单元)的，但在较复杂的系统中普通微处理器(使用外部存储芯片和外设接口电路)也很常见。 2.3 嵌入式Linux 嵌入式Linux(英语：Embedded Linux)是一类嵌入式操作系统的概称，这类型的操作系统皆以Linux内核为基础，被设计来使用于嵌入式设备。与电脑端运行的linux系统本质上是一样的，虽然经过了一些功能上的裁剪，但是本质上是一样的，主要利用 Linux 内核中的的任务调度、内存管理、硬件抽象等功能。 2.4 RTOS 实时操作系统(RTOS)，又称即时操作系统，它会按照排序运行、管理系统资源，并为开发应用程序提供一致的基础。实时操作系统与一般的操作系统相比，最大的特色就是“实时性”，如果有一个任务需要执行，实时操作系统会马上(在较短时间内)执行该任务，不会有较长的延时。这种特性保证了各个任务的及时执行。 3 系统实时性：非实时、软实时、硬实时首先要明白什么叫实时性? 实时性考虑的不是速度、性能、吞吐量，而是确定性，也就是说：当一个事件发生的时候，可以确定性的保证在多长时间内得到处理，只要能满足这个要求，就可以成为硬实时。比如：操作系统1：当中断发生时，可以保证在 1 秒内得到这里，那么它就是硬实时系统，虽然响应时间长，但它是确定的; 操作系统2：当中断发生时，几乎都可以在 1 毫秒内完成，那么那就不能成为硬实系统，虽然响应时间短，但是它不确定。也看到有文章说：应该取消软实时这个模棱两可的说法，要么是实时，要么是非实时! 操作系统包含的功能很多：任务调度、内存管理、文件管理等等，其中最核心的就是任务调度，这也是非实时、软实时、硬实时的最大区别。也就是说，衡量实时性的指标就是：中断延时：一个外部事件引发的中断发生时，到相应的中断处理程序第一条指令被执行时，所经过的时间; 任务抢占延时：当一个高优先级的任务准备就绪时，从正在执行的低优先级任务中抢夺 CPU 资源所经过的时间; 不同的操作系统，其任务调度机制也是不一样的，而这个调度机制的策略，又是与实际的使用场景相关的。因此，并不存在哪个好、哪个不好这样的说法，合适的就是最好的! 比如：我们的桌面系统，需要考虑的是多任务、并发，需要同时执行多个程序，哪个程序慢一点，用户无所谓，甚至觉察不到;但是对于一个导弹控制系统，当一个外部传感器输入信号，触发一个事件时，对应的处理必须立刻执行，否则耽搁 1 毫秒，结果可能就是差之千里! 4 x86 Linux 系统的调度策略我们日常使用的 PC 机，它的主要目标是并行执行多任务，强调的是吞吐率(尽可能多的执行很多应用程序的代码)，因此，采用的是分时操作系统，也就是每个任务都有一个时间片，当一个任务分配的时间片用完了，就自动换出(调度)，然后执行下一个任务。我们平常在写 x86 平台上写普通的客户端程序时，很少需要指定应用程序的调度策略和优先级，使用的是系统默认的调度机制。反过来说，也就是在某些需要的场合下，是可以设置进程的调度策略和优先级的。例如在 Linux 系统中，可以通过 sched_setscheduler() 系统函数设置 3 种调度策略： SCHED_OTHER: 系统默认的调度策略，计算动态优先级(counter+20-nice)，当时间片用完之后放在就绪队列尾; SCHED_FIFO: 实时调度策略，根据优先级进行调度，一旦占用CPU就一直执行，直到自己放弃执行或者有更高优先级的任务需要执行; SCHED_RR: 也是实时调度策略，在 SCHED_FIFO 的基础上添加了时间片。在执行时，可以被更高优先级的任务打断，如果没有更高优先级的任务，那么当任务的执行时间片用完之后，就会查找相同优先级的任务来执行。 4.1 为什么说Linux 系统是软实时的? 可能有小伙伴会有疑问：既然 Linux 系统中提供了 SCHED_FIFO 基于优先级的调度策略，为什么仍然不能称之为真正的硬实时操作系统?这就要从 Linux 的发展历史说起了。 Linux 操作系统在设计之初，就是为了桌面应用而开发的，在那个时代，多个终端(电传打字机和屏幕)连接到同一个电脑主机，需要处理的是多任务、并行操作，并不需要考虑实时性，因此，在 Linux 内核中的一些基因，严重影响了它的实时性，例如有如下几个因素： (1) 内核不可抢占我们知道，一个应用程序在执行时，可以在用户态和内核态执行(当调用一个系统函数，例如：write 时，就会进入内核态执行)，此时任务是不可抢占的。即使有优先级更高的任务准备就绪，当前的任务也不能立刻停止执行。而是必须等到当前这个任务返回到用户态，或者在内核态中需要等待某个资源而睡眠时，高优先级任务才可以执行。因此，这就很显然无法保证高优先级任务的实时性了。 (2) 自旋锁自旋锁是用于多线程同步的一种锁，用来对共享资源的一种同步机制，线程反复检查锁变量是否可用。由于线程在这一过程中保持执行，因此是一种忙等待。一旦获取了自旋锁，线程会一直保持该锁，直至显式释放自旋锁。自旋锁避免了进程上下文的调度开销，因此对于线程只会阻塞很短时间的场合是有效的，也就是说，只能在阻塞很短的时间才适合使用自旋锁。但是，在自旋锁期间，任务抢占将会失效，这就是说，即使自旋锁的阻塞时间很短，但是这仍然会增加任务抢占延时，让调度变得不确定。 (3) 中断的优先级是最高的任何时刻，只要中断发生，就会立刻执行中断服务程序，也就是中断的优先级是最高的。只有当所有的外部中断和软终端都处理结束了，正常的任务才能得到执行。这看起来是好事情，但是想一想，如果有比中断优先级更高的任务呢?假如系统在运行中，网口持续接收到数据，那么中断就一直被执行，那么其他任务就可能一直得不到执行的机会，这是影响 Linux 系统实时性的巨大挑战。 (4) 同步操作时关闭中断如果去看 Linux 内核的代码，可以看到在很多地方都执行了关中断指令，如果在这期间发生了中断，那么中断响应时间就没法保证了。 4.2 Linux 系统如何改成硬实时? 以上描述的几个因素，对 Linux 实现真正的实时性构成了很大的障碍，但是现实世界又的确有很多场合需要 Linux 具有硬实时，那么就要针对上面的每一个因素提出解决方案。目前主流的解决方案有 2 个：单内核解决方案：给 Linux 内核打补丁，解决上面提到的几个问题，例如：RT-Preempt; 双内核解决方案：在硬件抽象层之上，运行 2 个内核：实时内核 + Linux 内核，它们分别向上层提供 API 函数，例如：Xenomai; 这 2 种解决方案分别有不同的实现，从调研情况来看，RT-Preempt 和 Xenomai 是使用比较多的，下面分别来看一下他们的优缺点。 (1)RT-Preempt 这种方式主要是对 Linux 内核进行打补丁，解决了上面所说的几个问题：内核不可抢占、自旋锁、关中断以及终端优先级的问题。至于每一个问题是如何解决的，由于篇幅关系，这里就不介绍了，感兴趣的小伙伴如果需要的话，可以深入了解一下。由于是直接在 Linux 内核上打补丁(以后肯定会合并到主分支中的)，因此对于应用程序开发来说，操作系统向上层提供的 API 接口函数可以保持不变，这对应用程序开发来说是一件好事情。 (2)Xenomai Xenomai是一个 Linux 内核的实时开发框架，它希望通过无缝地集成到 Linux 环境中来给用户空间应用程序提供全面的，与接口无关的硬实时性能。下面是 Xenomai 的架构图：在硬件抽象层之上，是 2 个并列的域(内核)，这 2 个内核分别向上层提供自己的 API 接口函数。图中 glibc 是 Linux 系统提供的库函数，应用程序通过调用库函数和系统调用来编写程序。 Xenomai 也提供了相应的库函数 libcobalt ，这个库函数是需要我们在用户层编译、安装的，就像安装第三方库一样。

2022-1-26 14:05:21 评论举报张怡