如何提高操作系統(tǒng)的實時性

對于一個好的操作系統(tǒng)，需要兼顧功能強大，用戶易用性，可靠性，實時性，可維護(hù)性， 很多時候最后的設(shè)計是這些要求達(dá)成的一個平衡，今天我們討論如何提高操作系統(tǒng)的實時性

實時分為軟實時與硬實時， 軟實時要求平均響應(yīng)時間要小于某一個值，硬實時要求最壞響應(yīng)時間要小于某一個值，很多應(yīng)用場景任務(wù)的實時要求非常高，比如汽車防抱死系統(tǒng)，差10毫秒就是人命關(guān)天，時間就是生命。 電信中主管網(wǎng)絡(luò)損壞，我們需要在50毫秒之內(nèi)倒換到備份網(wǎng)絡(luò)之中，否則可能有成千上萬個通話中斷， 損失重大， 至于航天系統(tǒng)，實時的重要性要求不言而喻。其他的系統(tǒng)，如手機(jī)，太慢了用戶感覺肯定不爽，我不希望按接電話鍵2秒鐘都沒反應(yīng)，那樣對方可能掛機(jī)了。我在華清遠(yuǎn)見從事講師工作期間，參加培訓(xùn)的學(xué)員經(jīng)常會聊到系統(tǒng)實時性的話題。

如何提高操作系統(tǒng)的實時性呢。

1. 縮短中斷響應(yīng)時間。幾乎所有的實時事件都是通過中斷上報的，當(dāng)中斷來臨時，我們必須停止當(dāng)前的一切任務(wù)，響應(yīng)中斷，我們把中斷分成兩部分：上半部分與下半部分，或者快中斷部分與慢中斷部分。上半部分屏蔽其他中斷，處理那些緊急任務(wù)，如清除某些寄存器，保存中斷現(xiàn)場，給相應(yīng)進(jìn)程發(fā)送消息等， 其他不太緊急的部分放在下半部分，此時所有中斷打開，不影響其他任務(wù)的完成。

2. 縮短進(jìn)程上下文切換時間。當(dāng)CPU在執(zhí)行某個任務(wù)時，實時任務(wù)到來，需要馬上執(zhí)行實時任務(wù)，我們不能等到當(dāng)前任務(wù)時間片用完才去執(zhí)行實時任務(wù)，那樣黃花菜都涼了，必須在中斷來臨之時馬上能過切換過去，保存當(dāng)前進(jìn)程的上下文如寄存器，內(nèi)存，文件，信號等上下文，恢復(fù)實時任務(wù)的上下文。保存恢復(fù)上下文越快越好，這就要求兩個進(jìn)程的上下文共享的資源越少越好，如每個任務(wù)的內(nèi)存是獨立的，甚至寄存器也是獨立的，這樣互不干擾，切換最快了。

3. 縮短實時進(jìn)程調(diào)度時間。一般進(jìn)程都是按照優(yōu)先級調(diào)度的，實時進(jìn)程的優(yōu)先級當(dāng)然要比非實時的高， 不同實時進(jìn)程按緊急度不同優(yōu)先級也不同，實時進(jìn)程調(diào)度算法最好與非實時部分有所區(qū)別，算法復(fù)雜度最好是O(1).

4. 縮短進(jìn)程資源分配等待時間。對于一個多進(jìn)程操作系統(tǒng)，很多資源是大家共享的，如果實時進(jìn)程需要某個資源，發(fā)現(xiàn)那個資源被別的低優(yōu)先級進(jìn)程占用，非要等人家執(zhí)行完才行，而此低優(yōu)先級進(jìn)程級別實在太低，其它的進(jìn)程趁機(jī)搶占了CPU, 導(dǎo)致這個低優(yōu)先級進(jìn)程遲遲得不到執(zhí)行，連累苦了我們的實時進(jìn)程。這樣就造成了優(yōu)先級的反轉(zhuǎn)， 解決優(yōu)先級反轉(zhuǎn)也有很多辦法：主要有優(yōu)先級繼承與優(yōu)先級極限兩種， 原理都相同：此時迅速提高占有資源的低優(yōu)先級進(jìn)程的優(yōu)先級，使其優(yōu)先級至少與等待資源的實時進(jìn)程相同。

5. 以空間換時間，減少資源的延遲分配。減少虛資源的分配， 要給就給實的，甚至可以預(yù)分配資源。通常進(jìn)程創(chuàng)建時得到的內(nèi)存都是虛的，適用malloc得到的資源也是虛擬內(nèi)存，真正的內(nèi)存只有當(dāng)你讀些到這個頁時才分配，先產(chǎn)生缺頁中斷，在缺頁中斷里調(diào)用物理頁面分配函數(shù)，不過這需要一定的時間，硬實時任務(wù)是等不及的，所以開始不能跟他玩虛的，狠狠心，開始就把它需要的物理資源備好，所以如果需要寄存器就不要拿Cache敷衍，

如果需要Cache就不要拿內(nèi)存敷衍，如果需要內(nèi)存就不要拿硬盤空間敷衍， 傳統(tǒng)的以時間換空間的方法在這兒行不通的。在價格能夠承受的情況下，盡量分配多級存貯系統(tǒng)的高速部分。

6. 盡量使操作系統(tǒng)簡單，甚至定制，為了實時性，我們不得不犧牲他的其他功能，也減少用戶易用性，如去掉圖形界面部分，去掉虛擬內(nèi)存管理，甚至去掉多進(jìn)程，專注于一個任務(wù)效率當(dāng)然最高， 理論證明，如果有多個實時任務(wù)，要保證他們都不會 miss deadline, 流出來的緩沖時間至少要達(dá)到30%, 這里還沒考慮到上下文切換時間，實際需要的緩沖時間更多。

當(dāng)前實時操作系統(tǒng)有DOS, Windows mobile, Windows CE, VxWorks, 各種實時Linux, Qnux等。 我國我們的通用操作系統(tǒng)要考慮到實時性，必須在其設(shè)計的時候考慮到可裁減性，可配置性，這樣到實時場合下，可以很方便的拋棄一切不必要的負(fù)擔(dān)，全身的投入到實時任務(wù)之中。而這不是一個簡單的要求。