RTOS正在縮小與Linux的差距

嵌入式大雜燴

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RTOS與Linux的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備操作系統(tǒng)之爭已經(jīng)持續(xù)了很多年。Linux以其強大的計算能力和豐富的軟件生態(tài)，在需要復(fù)雜處理和軟件支持的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上占據(jù)一席之地；RTOS憑借實時響應(yīng)和資源節(jié)約的特性，在對實時性和資源占用有嚴(yán)格要求的場景中獨領(lǐng)風(fēng)騷。
如果時間倒回五年前，那時候IoT徹底火了，但大型科技公司在面對RTOS和Linux的抉擇中，對RTOS不感興趣，更加青睞Linux，并把它推成主流。不過，在最近一段時間，風(fēng)評反轉(zhuǎn)了，實時操作系統(tǒng) （RTOS）在嵌入式IoT領(lǐng)域開始重新復(fù)興。
在開源計劃、大型科技公司支持、對低延遲和資源受限應(yīng)用程序不斷增長的需求的推動下，RTOS 正在迅速縮小與Linux的差距。很多開發(fā)人員發(fā)現(xiàn)，在選擇操作系統(tǒng)時，規(guī)模并非越大越好，隨著更多傳感器在時間關(guān)鍵型的應(yīng)用程序中上線，越來越多人發(fā)現(xiàn)RTOS有著改變邊緣世界的力量。
付斌｜作者
電子工程世界（ID：EEworldbbs）｜出品

嵌入式的新變革


全面而精簡，是RTOS被人注視的最大原因，畢竟誰又不喜歡“小而美”。并且，這幾年，隨著RTOS在保持實時響應(yīng)性的同時，其在可用性、安全性和可擴(kuò)展性等方面也取得進(jìn)展。目前，有將近三分之二的嵌入式系統(tǒng)都在使用RTOS，而RTOS迄今已經(jīng)擁有了100多種不同的商業(yè)和開源產(chǎn)品，比如VxWorks、PX5、EmbOS、SafeRTOS等商業(yè)RTOS，再比如Eclipse ThreadX、RT-Thread、mbed OS、UCOS-II、NuttX、eCos、Zephyr等開源RTOS。對于未來幾年的市場，很多業(yè)內(nèi)人士都很樂觀嗎，并表示RTOS在未來三年內(nèi)每年或可增長10%。之所以能夠有這種市場表現(xiàn)的原因在于大廠不斷布局RTOS，幫助提升了RTOS開發(fā)環(huán)境，提供了增強的綜合工具、強大的社區(qū)支持等，持續(xù)促進(jìn)市場增長。
首先，是微軟。2019年4月18日，ThreadX這一有名的RTOS被微軟看中，其所有者Express Logic 被整體收購。從那時起，它的名字也被改為Azure RTOS。去年11月，微軟宣布將Azure RTOS托管至Eclipse基金會，更名為Eclipse ThreadX，并過渡到開源模式。其次，是亞馬遜。2017年 FreeRTOS由亞馬遜收購，并成為亞馬遜Web Services（AWS）的一部分，進(jìn)一步推動了其在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）領(lǐng)域的應(yīng)用。同時，亞馬遜宣布在FreeRTOS_V10內(nèi)核基礎(chǔ)上建立MIT licensed的Amazon FreeRTOS操作系統(tǒng)”。最后，是MCU廠商。比如，樂鑫將FreeRTOS作為組件集成到ESP-IDF中，因為原生FreeRTOS是單核RTOS，而ESP32是雙核的，因此樂鑫為了支持多核，將FreeRTOS 內(nèi)核移植到ESP芯片的所有可用架構(gòu)中；Linux基金會的Zephyr RTOS在Intel、NXP 和 Nordic等廠商的努力下，正在逐漸發(fā)展壯大，成為行業(yè)新主流；為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的lwIP（輕型IP）這樣的RTOS IP堆棧正變得越來越強大；MbedTLS這樣的加密庫現(xiàn)在可以與OpenSSL的功能相媲美，OpenSSL長期以來一直是Linux系統(tǒng)的領(lǐng)導(dǎo)者。

RTOS和Linux的異同


RTOS和Linux都屬于嵌入式領(lǐng)域，二者的根本區(qū)別在于它們的設(shè)計理念。RTOS追求的是輕量級和極致的實時性（Real-time），通常是專為實時應(yīng)用程序構(gòu)建的，優(yōu)先考慮任務(wù)執(zhí)行的確定性和可預(yù)測性，使其在醫(yī)療、核能或航空航天等關(guān)鍵任務(wù)行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。同時，輕量化的設(shè)計，使得其在資源受限的嵌入式系統(tǒng)中非常受歡。所謂實時性指的是操作系統(tǒng)（OS）在有限的響應(yīng)時間內(nèi)提供所需服務(wù)級別的能力。在實時系統(tǒng)中，計算的正確性不僅取決于結(jié)果的邏輯正確性，還取決于它產(chǎn)生結(jié)果的時間。與通用操作系統(tǒng)不同，RTOS側(cè)重于確定性響應(yīng)時間和對任務(wù)調(diào)度的精確控制。相比來說，RTOS擅長管理任務(wù)優(yōu)先級，允許關(guān)鍵任務(wù)優(yōu)先于對時間不太敏感的流程，在系統(tǒng)必須保證運營在特定時間范圍內(nèi)時，這種優(yōu)先級至關(guān)重要。企業(yè)通常在任務(wù)關(guān)鍵型場景中使用RTOS，此外，它同樣適用于無法容忍任何形式系統(tǒng)故障的關(guān)鍵系統(tǒng)應(yīng)用程序中。Linux則更為通用，支持多用戶和多任務(wù)處理，并提供了豐富的網(wǎng)絡(luò)功能和設(shè)備獨立性，也針對性地推出了實時Linux。不過，畢竟Linux需要處理大量系統(tǒng)調(diào)度和其它任務(wù)，實時性相對會差一些。實時Linux的核心概念是“搶占”，也就是中斷當(dāng)前執(zhí)行線程，立即處理優(yōu)先級較高的事件。在沒有內(nèi)核搶占的情況下，在Linux中無法實現(xiàn)確定性響應(yīng)時間。RTOS和實時Linux之間的選擇取決于系統(tǒng)特定延遲要求，以及對開銷和資源效率的需求。雖然實時Linux為許多場景提供了強大的解決方案，但在某些關(guān)鍵的嵌入式系統(tǒng)中，專用 RTOS可能仍然更可取。如果項目需要在實時需求和運行各種應(yīng)用程序的靈活性之間取得平衡，那么實時Linux將提供更通用的解決方案。

RTOS和Linux未來依然會共生


RTOS此時此刻的優(yōu)勢是明顯的。對于構(gòu)建時間敏感型應(yīng)用程序的開發(fā)人員來說，RTOS的低延遲和可預(yù)測的實時任務(wù)執(zhí)行比通用操作系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢。此外，隨著復(fù)雜軟件堆棧中的安全漏洞不斷浮出水面，RTOS的精簡架構(gòu)減少了攻擊面。由于應(yīng)用程序直接編譯到操作系統(tǒng)中，因此與動態(tài)加載的程序相比，代碼注入的可能性大大降低。更重要的是，開發(fā)人員不再需要為了性能和安全性而犧牲可用性。從云到加密，RTOS解決方案正在迅速成熟，使開發(fā)人員能夠構(gòu)建安全、響應(yīng)迅速且可擴(kuò)展的嵌入式系統(tǒng)。

不過，要說RTOS徹底取代Linux，那也是完全不可能的。畢竟，實時不會帶來優(yōu)化的性能，而且Linux在復(fù)雜的高端嵌入式系統(tǒng)中無法被取代。RTOS通常是專業(yè)且資源密集型的，與通用操作系統(tǒng)相比，功能有限。在需要超出實時約束的不同應(yīng)用程序的場景中，這可能是一個缺點。而且，現(xiàn)在實時Linux開始集成一些補丁（比如Ubuntu的PREEMPT_RT補�。�，能夠有效地為大多數(shù)實際的低延遲、低抖動工作負(fù)載提供服務(wù)，同時實現(xiàn)均衡的解決方案，從而減少開銷并保持響應(yīng)能力，最終減少維護(hù)成本，并使用有限的資源最大限度地提高�？傊�，正是因為RTOS和Linux非�；パa，開發(fā)人員才有了更多選擇，能夠自由地選擇用什么系統(tǒng)，對開發(fā)者來說才是一次真正的勝利。參考文獻(xiàn)
[1] https://www.embedded.com/the-rtos-renaissance-closing-the-os-gap-with-linux-in-iot
[2] https://www.embedded.com/will-zephyr-become-the-dominant-rtos
[3] https://developer.aliyun.com/article/1528219
[4] https://ubuntu.com/blog/real-time-linux-vs-rtos
[5] https://ubuntu.com/blog/real-time-linux-vs-rtos-2
[6] https://mp.weixin.qq.com/s/vx3N6lmeLoFhIuTarQckZQ

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