为何选择RTEMS

作者 Ray

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摘要

   为什么RTEMS非常适合嵌入式开发

在概论里面已经介绍过RTEMS的性能，为了连载的完整性，这里再介绍一下实时系统的特性以及为什么选择RTEMS。

在在国内，提到嵌入式系统，人们更多的想到的是Linux和ucOSII，一个是GPL的，一个是简单、开源的。但是另一方面，Linux很多设计理念更适合PC，所以资源占用较多，最后可能导致产品成本过高或者质量不可控。而uCOSII虽然开源，但是如果用于商业用途，则是要每个产品征收相应的费用（和Vxworks类似，但是要便宜不少）。不少人直接把uCOSII放在自己的产品中。而没有申请商业版的Licence，这实际是非法的。（当然，现在盗版光盘也非法，但是也有不少人买卖）

对于RTEMS,很多人都很陌生，其实真是藏在闺中无人识。我不知道上天的神州五号有没有使用RTEMS，但是不少军工项目是基于RTEMS的。国内也有一些单位和个人把RTEMS改装一下，然后号称自主知识产权，骗取xxxx基金。

那么，究竟RTEMS有什么独特之处，使他成为嵌入式系统里面的常青树呢，下面我将逐步介绍。

RTEMS诞生于20世纪80年代，最早用于美国国防部的导弹控制系统，他在诞生时就瞄准了高实时性和高可用性的标准，并且采用了面向对象技术、构件技术等到现在也非常先进的理念构造而成，不但有非常好的实时性和稳定性，也具有非常好的客复用性。当时RTEMS的全称是"实时导弹控制执行体"。现在RTEMS的全称是 "多处理器实时操作系统",是一个纯粹的32位系统（由于充分利用了32位的特性，所以无法像uCOSII那样用于低端的8位系统）。经过了20多年的持续开发，RTEMS拥有非常广泛的客户，也具有丰富的开发资源。尤其在实时性、稳定性、开发速度和多处理器支持上面都是非常优秀的。

实时系统是一种很特殊的系统，他在任务的调度上比普通操作系统如Linux和windows有更为严格的要求。实时系统最为关键的特性是他的实时性，所谓实时性指的是能够在规定的时间内处理外部的信息。有时候需要处理的信息可能是突发的大量信息，既可能是一串毫不相关的信息，也可能是一些相互关联具有同步关系的信息，还可能是循环信息。

实时嵌入式系统里任务的实时性可以分为硬实时和软实时，区分的标准是看任务在规定时间里面没有完成的时候的返回值。对于硬实时任务, 必须在规定时间里面处理完对应的任务，否则可能会会导致系统异常（例如，拦截导弹的系统在规定的时间没能计算出导弹轨道，或者没能发射拦截弹头）。软实时则在任务没有结束的时候会有可供系统处理的返回值。所以硬实时系统多用于对可靠性要求非常高的场合，例如工业控制，军工等。著名的硬实时系统包括ThreadX，MontaVisa, LynxOS 等。软实时系统则有WinCE

实时系统的另外一个特性是管理协调大规模并发进程的能力。任务是并发的，但是处理器以及硬件资源有限，指令只能一条一条的执行。虽然在现在的操作系统理论中提出了很多多进程并发执行的方法，但是多个进程间的同步和异步处理仍然让大多数设计者头疼，如果有了RTOS,设计者的工作就简单了很多。在RTEMS中一个执行程序可以包含了若干的进程，每个进程都是可控的。每个进程在逻辑上都是同步执行。系统组件提供了为多个进程管理协调硬件资源的能力。同时，进程管理组件也能接受硬件中断以及驱动程序中断。经过RTEMS的扩展，实时系统的设计变得简单。

如果有多个处理器，或者一个处理器中有多个内核（比如ARM+DSP），设计就变得更为麻烦。多个处理器间的通信以及多个处理器间的资源共享需要RTOS进行调度，在这一点上面，RTEMS做得比较好。RTEMS的多处理器扩展能协调分布在不同处理器上面的任务。通过扩展，系统的实时性更强，更加有效，也更为可靠。

RTEMS提供了多种API的接口，除了RTEMS本身的API以外，还提供了POSIX接口(Linux以及VxWorks的程序能方便移植),pSOS的API以及ITRON(小日本的咚咚)的API。这些API能让软件设计者摆脱对多任务和多处理器控制的底层细节。此外RTEMS还提供内存管理、消息管理、互斥变量管理、GDB调试等一系列的API。这些API使用户能专心开发应用程序，大大提高了效率。

此外，RTEMS另一个独特之处在于他是面向对象的，RTEMS的是第一个面向对象的实时嵌入式系统。在RTEMS中，任务、中断、内存等等都是对象，RTEMS提供了大量的对象控制API，能动态管理这些对象。这些API能大大缩短程序的代码量和开发周期。

不过RTEMS还是存在不少需要完善的地方，首先，对于消费电子领域，RTEMS用的比较少，所以对消费电子常用的处理器如ARM的支持也比较少。

此外，RTEMS缺乏一个合适的给予图形界面的开发和配置环境，让不少初学者望而却步。

此外，出于保密的要求，不少RTEMS的应用工程师无法将其为RTEMS编写的BSP和应用公布，导致RTEMS可用资源远不及Linux。