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類型分類：: 科普知識

數(shù)據(jù)分類：: 汽車連接器

嵌入式實時操作系統(tǒng)最新進展

發(fā)布日期：2022-04-27 點擊率：138

    嵌入式實時操作系統(tǒng)保證了飛機、火車、汽車以及工廠設(shè)備的實時運行。一個嵌入式RTOS的核心就是確定性，它絕對保證了當接受到時鐘間隔或一個中斷信號時，系統(tǒng)可以正確的做出響應(yīng)。
　　但是如今只有這些還不夠，還要有安全性，保密性以及通訊范圍等其他要求。鑒于工業(yè)控制供應(yīng)商喬治亞州Norcross 的西門子能源和自動化公司（SEA）的經(jīng)驗，公司希望在其客戶的工廠內(nèi)配置一臺電腦。SEA負責工程軟件產(chǎn)品的產(chǎn)品市場部經(jīng)理Eric Kaczor說，工程師們很快發(fā)現(xiàn)一臺標準的辦公室用電腦并不能起作用。為了避免電腦有被撞壞以及被凍住的危險，他們決定使用RTOS。
　　然而，他們在選擇RTOS 時，很重要的一點就是看它是否還保留了辦公室電腦軟件的功能。“當我們選擇實時操作系統(tǒng)的時候，我們希望可以很方便地應(yīng)用我們的辦公室軟件。”Kaczor說。
　　比PLC 具有更多的功能
　　如今RTOS必須可以與多種型號相連，并且滿足安全性和保密性的要求，實際上，它現(xiàn)在就像是一臺辦公室里的個人電腦。作為對這些需求的反應(yīng)，RTOS銷售商提供了更多的功能，這些要求對于內(nèi)存和其他的一些約束性配件施加了很大的壓力。幸運的是，RTOS
可以進行“瘦身”，這樣就能保證其他功能的配件有足夠的地方。看一下現(xiàn)今的RTOS可以知道它在哪些地方進行了改變以迎合工業(yè)，自動化及控制領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用需求。
　　SEA 使用Ardence（一個在馬薩諸塞州Waltham的Citrix公司）公司RTX RTOS系統(tǒng)來一起制造其Simatic Microbox 420工業(yè)用電腦部件。RTOS 功能的拓展已經(jīng)超越了偶爾觀察RTOS 人的想象。“他們看著這個東西，然后他們認為它是一個PLC...，他們沒有意識到它的實際功能遠比PLC 強大。”Kaczor 說。
　　另外一個額外的功能就是可連接性。PaulChen 是在加利福尼亞州Alameda 的RTOS 銷售商Wind River Systems 公司的VxWorks 生產(chǎn)線經(jīng)理，他注意到，對于最新型的嵌入式實時操作系統(tǒng)來說，與外部世界相連是一個非常重要的功能需求。這包括一些用戶需要的技術(shù)如USB，工業(yè)以太網(wǎng)和無線通訊。最終用戶也希望有關(guān)的標準能對其安全性作出規(guī)定，這些標準諸如下一代因特網(wǎng)（IPv6），關(guān)于無線通訊的802.x 體系，關(guān)于移動通訊應(yīng)用的MIPv4 和MIPv6 以及IPsec 協(xié)議和HTTPS 協(xié)議。
　　顧客引導著RTOS供應(yīng)商。“如果實時操作系統(tǒng)軟件不能提供這些功能的話，我們的顧客可能自己編程來實現(xiàn)這些功能。”Chen 說。
  而危險在于，如果最終用戶或原始設(shè)備制造商（OEM）自己附加軟件有可能產(chǎn)生危險，如可能會對系統(tǒng)內(nèi)的行程安排軟件產(chǎn)生影響，而這個軟件是整個RTOS最重要的一部分用來確保整個系統(tǒng)的確定性。由于知道編碼，RTOS 的供應(yīng)商可以為他們的產(chǎn)品增加性能，而同時保留實時性。
　　這也同樣適用于安全與保密方面的功能。這項性能在機載系統(tǒng)，工業(yè)應(yīng)用以及醫(yī)用軟件中有需求，這些都寫在下面的規(guī)定中（這些規(guī)定都是三個字母的縮寫）：FAA DO-178B，IEC 61508, and FDA 510(k)。
　　增加的可連接性的功能使得嵌入式RTOS的功能更難實現(xiàn)，特別是它的安全性能。有種版本的安全性能原本是用于軍事方面的，以前這個版本對于不同的系統(tǒng)會有不同的安全性能等級。而如今人們需要試圖將所有等級的安全性能都放入一個硬件中，這就意味著硬件或軟件的集成信息將會變成最高機密。
　　安全性能的另外一個版本，雖然與任何一臺的辦公室電腦都很相似，然而程序可以錯誤的進入其他的存儲空間，然后外部的力量就可以攻擊它。
　　Chen 注意到了硬件的發(fā)展，在最先進的嵌入式RTOS內(nèi)的第三大驅(qū)動器可以幫助其避免類似問題。就拿一件事來說，半導體制造商正在往他們的芯片內(nèi)加入過程元素以便專用功能可以通過軟件來卸載。
　　其它的功能包括對安全性能的編碼和網(wǎng)絡(luò)病毒偵測的模式匹配。“專用的硬件通常比軟件運行的要快，因此RTOS軟件需要能夠支持協(xié)調(diào)不同的硬件引擎。”Chen 這樣說道。
　　他補充到，多核處理器現(xiàn)在對于嵌入式系統(tǒng)來說也變得可能了。由于將一個處理器變成多個相同的單元或內(nèi)核，微處理器制造商可以將升級周期大大加快，因此就能以低功耗完成高性能。因而，如果軟件支持多核處理器的話，嵌入式RTOS 可以從這些硬件中受益。
　　Robert Day(Lynuxworks公司在加州San Jose的市場部副經(jīng)理)，注意到先進的微處理器內(nèi)核供應(yīng)商非常注重內(nèi)存部分，他們使用磚結(jié)構(gòu)的劃分方式以保證每一個部分都是相互隔離的。這一概念也同樣可以延伸到使用小型RTOS 來作為一個超級監(jiān)控器以允許一個RTOS 及其應(yīng)用軟件在同一個儲存區(qū)間內(nèi)運行而同時非實時應(yīng)用軟件在其他區(qū)間運行。
　　作為RTOS 供應(yīng)商的，Dan Mender（加州Santa Barbara 的Green Hills 軟件公司RTOS商務(wù)開發(fā)的主管）注意到如果使用相互隔離的內(nèi)核的話，對于他們來說要支付額外的錢。他說：“同樣的原理（互相隔離并且使得外來的攻擊只能影響到系統(tǒng)的一部分）也可以用來編寫系統(tǒng)，以防該系統(tǒng)出現(xiàn)由于不經(jīng)意的編程錯誤導致的安全性問題。”
　　必需品
　　除了需要支持并利用這些硬件的更新，一個RTOS 必須能夠滿足可連接性，保密性及安全性能的需求。然而，Day 很快指出軟件的一些其他功能也絕對是必須的。特別是必須有幾種形式的通訊方式，以便在多任務(wù)情況下可以立即運行一個應(yīng)用軟件，并且不影響到其他程序。
　　“大多數(shù)有多任務(wù)需要的應(yīng)用軟件都有幾種任務(wù)間通信的方法，如隊列法，信號量及Mutexs，后者對于應(yīng)用軟件來說尤為重要，因為它可以阻止優(yōu)先權(quán)倒置（即允許低優(yōu)先權(quán)的任務(wù)阻礙系統(tǒng)重要功能的運行）”Day 說道。
　　對于在工業(yè)自動化方面的應(yīng)用，Day 補充道，RTOS 應(yīng)該允許單調(diào)速率調(diào)度及時間和空間的分
區(qū)。前者提供了一個報時鐘以便平均分配在每個窗口上的用時，而后者是保證重要任務(wù)可以得到一個時間常數(shù)窗口。
　　對于自動化應(yīng)用方面及設(shè)備，有一些通訊協(xié)議及特殊要求。由于其它的標準，如IPv4 和IPv6 可能就已經(jīng)足夠了，所以這些協(xié)議及特殊要求有可能并不需要。然而，如果用上這些協(xié)議的話會很有幫助。這些協(xié)議包括：控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（CAN），OPC，分布式通用對象模型（DCOM），無線通訊的工業(yè)無線局域網(wǎng)，Profinet或其他的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議及基于XML和SOAP協(xié)議（該協(xié)議組成了Web services 堆棧的基本層，為其提供一個基本的通訊框架以便可以創(chuàng)建更多的抽象層）的Web services。另外其他一些新的技術(shù)及標準，如無線通訊領(lǐng)域的ZigBee，已經(jīng)成為了RTOS的一部分。
　　Mark Hamilton（加州Santa Clara的中間件供應(yīng)商Real-Time Innovations 公司（RTI）的現(xiàn)場應(yīng)用工程師），給情報及軍事公司設(shè)計，開發(fā)及配置實時系統(tǒng)的有著相當豐富的經(jīng)驗。一個廣泛的可用協(xié)議范圍及其他的一些功能是很好的有時也是必須的，但是他提醒道對于加載一個RTOS 上的這些協(xié)議及功能的數(shù)量必須有個限制。
　　由于多功能已經(jīng)成為系統(tǒng)的一部分，因此現(xiàn)在需要注意的一點是哪個調(diào)度程序不可以簡單地運行軟件線程。在這種情況下，RTOS 的決定能力就會受到影響。那么系統(tǒng)的功能及操作與一臺臺式機就沒有什么兩樣了。
　　不出意料，他指出中間件可以通過應(yīng)用軟件間的通訊管理來避免這樣的問題。RTOS的這一功能可以使其通過其可連接性而不用通過提高調(diào)度程序的要求來卸載掉一些負載。中間件甚至可以對一些常見的問題提供現(xiàn)成的解決方法。
　　“中間件可以使得你系統(tǒng)中CPU 之間的數(shù)據(jù)移動變得可能，并且你不必擔心會需要寫很多的網(wǎng)絡(luò)代碼”Hamilton 說道。
　　這樣的卸載及分區(qū)功能除了調(diào)度程序的限制要求外還有個必須的理由。一個嵌入式RTOS 通常是使用在內(nèi)存及儲存器都是受到限制的情況下的。同時，由于設(shè)備都增加了新的功能，并且應(yīng)用的趨勢是功能的更多樣化。這樣的結(jié)果是RTOS 的存儲器的占用量在支持日益增長的設(shè)備功能的同時必須還維持在很小的占用量。
　　RTOS供應(yīng)商必須使用多種方法來滿足這兩個矛盾的要求。一個方法就是將最后的決定權(quán)放在開發(fā)者和最終用戶手上。RTOS 的最終配置是在搭建的時候增加一些或出去一些模塊來決定的，這樣就允許對功能與占用量之間的平衡進行細致的控制。這種方法就可以將潛在的節(jié)省變?yōu)楝F(xiàn)實。
　　比如，在開發(fā)及測試階段，用戶可能會選擇需要編程來顯示診斷信息。當開發(fā)完成，這些診斷信息可以刪除，這個有時候可能節(jié)省了占用量的百分比的兩位數(shù)。
　　一個必然的結(jié)論是模塊自身必須很小。這樣就能保證最終的搭建及RTOS本身可以集成。然而，通過仔細選擇適合的編程語言及編譯器也是為應(yīng)用軟件減肥的一種方法。這有可能使得應(yīng)用軟件的體積大幅度的減小。如美國國家儀器公司的LabView 的軟件，對于開發(fā)，集成及再使用都有現(xiàn)成的代碼可選，然后將RTOS 的設(shè)計面向翻譯：高海洋不同的目標。
　　由于RTOS 及應(yīng)用軟件占用空間的指示之間的相互作用，無論什么方法去讓其適應(yīng)這些限制到最后都將是在RTOS，應(yīng)用軟件，軟件工具及硬件的功能之間整合。Wilsonville 的電子自動化設(shè)計供應(yīng)商，Mentor Graphics集團公司，的Nucleus Kernals 生產(chǎn)線的產(chǎn)品市場部經(jīng)理，Todd Brian，注意到?jīng)]有一個RTOS的供應(yīng)商是絕對獨立的。所有的的工作都在一個生態(tài)系統(tǒng)下進行，這個系統(tǒng)對于嵌入式RTOS 能否得到最佳的運行性能來說是至關(guān)重要的。“一個供應(yīng)商需要合作伙伴一起集成在供應(yīng)商的操作系統(tǒng)內(nèi)。這樣的話，他們就不會被集成過程給束縛了。”Brian 說道。
　　這樣的整合對于RTOS供應(yīng)商及最終用戶來說是有利的，同樣也期待一個嵌入式RTOS和它的供應(yīng)

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