為什么航天器、導(dǎo)彈喜歡用單片機(jī)，而不是嵌入式系統(tǒng)？

作者：道哥 2021-03-16 07:56:12

前幾天和一個(gè)在某研究所的發(fā)小聊天，他說(shuō)：現(xiàn)在的航空、航天和導(dǎo)彈等武器裝備中，控制系統(tǒng)幾乎都是用單片機(jī)，而不是嵌入式系統(tǒng)。

[[387805]]

一、前言

乍一聽(tīng)，和我們的直覺(jué)有矛盾啊：那么高大上的設(shè)備，其中的控制邏輯一定很復(fù)雜，不用嵌入式系統(tǒng)怎么來(lái)完成那么復(fù)雜的功能控制啊?然后仔細(xì)了解了一下，才明白答案是：安全+可控。

這篇文章我們就來(lái)聊一下關(guān)于單片機(jī)與嵌入式、操作系統(tǒng)與 RTOS 之間的那些事!通過(guò)這篇文章，讓你操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性有一個(gè)系統(tǒng)、全面的理解!

二、關(guān)于單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)之間界定

說(shuō)實(shí)話，關(guān)于它倆的區(qū)分，沒(méi)有人可以給出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的、正確的答案。每個(gè)人理解的單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)，都是略有差別的。

拋開(kāi)硬件，從應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的角度來(lái)看，我是這樣來(lái)理解的：

單片機(jī)：可以直接使用狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)程序框架，也可以利用一些 RTOS(ucOS、FreeRTOS、vxWorks、RT-Thread)等來(lái)完成一些調(diào)度功能。
嵌入式系統(tǒng)：利用嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)以及一些變種來(lái)編寫應(yīng)用程序。

我知道自己的理解可能是不對(duì)的，至少不嚴(yán)謹(jǐn)、范圍狹隘，既然沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)答案，那姑且引用維基百科中的定義吧，畢竟概念是死的，更重要的是我們?nèi)绾胃鶕?jù)實(shí)際的需要來(lái)進(jìn)行選擇。

1. 單片機(jī)

單片機(jī)，全稱單片微型計(jì)算機(jī)(single-chip microcomputer)，又稱微控制器單元 MCU(microcontroller unit)。

把中央處理器、存儲(chǔ)器、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、各種輸入輸出接口等都集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)。

由于其發(fā)展非常迅速，舊的單片機(jī)的定義已不能滿足，所以在很多應(yīng)用場(chǎng)合被稱為范圍更廣的微控制器;

2. 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)(Embedded System)，是一種嵌入機(jī)械或電氣系統(tǒng)內(nèi)部、具有專一功能和實(shí)時(shí)計(jì)算性能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)常被用于高效控制許多常見(jiàn)設(shè)備，被嵌入的系統(tǒng)通常是包含數(shù)字硬件和機(jī)械部件的完整設(shè)備，例如汽車的防鎖死剎車系統(tǒng)。

現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)通常是基于微控制器(如含集成內(nèi)存和/或外設(shè)接口的中央處理單元)的，但在較復(fù)雜的系統(tǒng)中普通微處理器(使用外部存儲(chǔ)芯片和外設(shè)接口電路)也很常見(jiàn)。

3. 嵌入式Linux

嵌入式Linux(英語(yǔ)：Embedded Linux)是一類嵌入式操作系統(tǒng)的概稱，這類型的操作系統(tǒng)皆以Linux內(nèi)核為基礎(chǔ)，被設(shè)計(jì)來(lái)使用于嵌入式設(shè)備。

與電腦端運(yùn)行的linux系統(tǒng)本質(zhì)上是一樣的，雖然經(jīng)過(guò)了一些功能上的裁剪，但是本質(zhì)上是一樣的，主要利用 Linux 內(nèi)核中的的任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理、硬件抽象等功能。

4. RTOS

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)，又稱即時(shí)操作系統(tǒng)，它會(huì)按照排序運(yùn)行、管理系統(tǒng)資源，并為開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序提供一致的基礎(chǔ)。

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與一般的操作系統(tǒng)相比，最大的特色就是“實(shí)時(shí)性”，如果有一個(gè)任務(wù)需要執(zhí)行，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)會(huì)馬上(在較短時(shí)間內(nèi))執(zhí)行該任務(wù)，不會(huì)有較長(zhǎng)的延時(shí)。這種特性保證了各個(gè)任務(wù)的及時(shí)執(zhí)行。

三、非實(shí)時(shí)、軟實(shí)時(shí)、硬實(shí)時(shí)

首先要明白什么叫實(shí)時(shí)性?實(shí)時(shí)性考慮的不是速度、性能、吞吐量，而是確定性，也就是說(shuō)：當(dāng)一個(gè)事件發(fā)生的時(shí)候，可以確定性的保證在多長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)得到處理，只要能滿足這個(gè)要求，就可以成為硬實(shí)時(shí)。比如：

操作系統(tǒng)1：當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，可以保證在 1 秒內(nèi)得到這里，那么它就是硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)，雖然響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，但它是確定的;

操作系統(tǒng)2：當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，幾乎都可以在 1 毫秒內(nèi)完成，那么那就不能成為硬實(shí)系統(tǒng)，雖然響應(yīng)時(shí)間短，但是它不確定。

也看到有文章說(shuō)：應(yīng)該取消軟實(shí)時(shí)這個(gè)模棱兩可的說(shuō)法，要么是實(shí)時(shí)，要么是非實(shí)時(shí)!

操作系統(tǒng)包含的功能很多：任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理、文件管理等等，其中最核心的就是任務(wù)調(diào)度，這也是非實(shí)時(shí)、軟實(shí)時(shí)、硬實(shí)時(shí)的最大區(qū)別。

也就是說(shuō)，衡量實(shí)時(shí)性的指標(biāo)就是：

1. 中斷延時(shí)：一個(gè)外部事件引發(fā)的中斷發(fā)生時(shí)，到相應(yīng)的中斷處理程序第一條指令被執(zhí)行時(shí)，所經(jīng)過(guò)的時(shí)間;

2. 任務(wù)搶占延時(shí)：當(dāng)一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)準(zhǔn)備就緒時(shí)，從正在執(zhí)行的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)中搶奪 CPU 資源所經(jīng)過(guò)的時(shí)間;

不同的操作系統(tǒng)，其任務(wù)調(diào)度機(jī)制也是不一樣的，而這個(gè)調(diào)度機(jī)制的策略，又是與實(shí)際的使用場(chǎng)景相關(guān)的。因此，并不存在哪個(gè)好、哪個(gè)不好這樣的說(shuō)法，合適的就是最好的!

比如：我們的桌面系統(tǒng)，需要考慮的是多任務(wù)、并發(fā)，需要同時(shí)執(zhí)行多個(gè)程序，哪個(gè)程序慢一點(diǎn)，用戶無(wú)所謂，甚至覺(jué)察不到;但是對(duì)于一個(gè)導(dǎo)彈控制系統(tǒng)，當(dāng)一個(gè)外部傳感器輸入信號(hào)，觸發(fā)一個(gè)事件時(shí)，對(duì)應(yīng)的處理必須立刻執(zhí)行，否則耽擱 1 毫秒，結(jié)果可能就是差之千里!

四、x86 Linux 系統(tǒng)的調(diào)度策略

我們?nèi)粘Ｊ褂玫?PC 機(jī)，它的主要目標(biāo)是并行執(zhí)行多任務(wù)，強(qiáng)調(diào)的是吞吐率(盡可能多的執(zhí)行很多應(yīng)用程序的代碼)，因此，采用的是分時(shí)操作系統(tǒng)，也就是每個(gè)任務(wù)都有一個(gè)時(shí)間片，當(dāng)一個(gè)任務(wù)分配的時(shí)間片用完了，就自動(dòng)換出(調(diào)度)，然后執(zhí)行下一個(gè)任務(wù)。

我們平常在寫 x86 平臺(tái)上寫普通的客戶端程序時(shí)，很少需要指定應(yīng)用程序的調(diào)度策略和優(yōu)先級(jí)，使用的是系統(tǒng)默認(rèn)的調(diào)度機(jī)制。反過(guò)來(lái)說(shuō)，也就是在某些需要的場(chǎng)合下，是可以設(shè)置進(jìn)程的調(diào)度策略和優(yōu)先級(jí)的。

例如在 Linux 系統(tǒng)中，可以通過(guò) sched_setscheduler() 系統(tǒng)函數(shù) 設(shè)置 3 種調(diào)度策略：

1. SCHED_OTHER: 系統(tǒng)默認(rèn)的調(diào)度策略，計(jì)算動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)(counter+20-nice)，當(dāng)時(shí)間片用完之后放在就緒隊(duì)列尾;

2. SCHED_FIFO: 實(shí)時(shí)調(diào)度策略，根據(jù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行調(diào)度，一旦占用CPU就一直執(zhí)行，直到自己放棄執(zhí)行或者有更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)需要執(zhí)行;

3. SCHED_RR: 也是實(shí)時(shí)調(diào)度策略，在 SCHED_FIFO 的基礎(chǔ)上添加了時(shí)間片。在執(zhí)行時(shí)，可以被更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)打斷，如果沒(méi)有更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，那么當(dāng)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間片用完之后，就會(huì)查找相同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)來(lái)執(zhí)行。

1. 為什么 Linux 系統(tǒng)是軟實(shí)時(shí)的?

可能有小伙伴會(huì)有疑問(wèn)：既然 Linux 系統(tǒng)中提供了 SCHED_FIFO 基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度策略，為什么仍然不能稱之為真正的硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)?這就要從 Linux 的發(fā)展歷史說(shuō)起了。

Linux 操作系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初，就是為了桌面應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的，在那個(gè)時(shí)代，多個(gè)終端(電傳打字機(jī)和屏幕)連接到同一個(gè)電腦主機(jī)，需要處理的是多任務(wù)、并行操作，并不需要考慮實(shí)時(shí)性，因此，在 Linux 內(nèi)核中的一些基因，嚴(yán)重影響了它的實(shí)時(shí)性，例如有如下幾個(gè)因素：

(1) 內(nèi)核不可搶占

我們知道，一個(gè)應(yīng)用程序在執(zhí)行時(shí)，可以在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)執(zhí)行(當(dāng)調(diào)用一個(gè)系統(tǒng)函數(shù)，例如：write 時(shí)，就會(huì)進(jìn)入內(nèi)核態(tài)執(zhí)行)，此時(shí)任務(wù)是不可搶占的。

即使有優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)準(zhǔn)備就緒，當(dāng)前的任務(wù)也不能立刻停止執(zhí)行。而是必須等到當(dāng)前這個(gè)任務(wù)返回到用戶態(tài)，或者在內(nèi)核態(tài)中需要等待某個(gè)資源而睡眠時(shí)，高優(yōu)先級(jí)任務(wù)才可以執(zhí)行。

因此，這就很顯然無(wú)法保證高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的實(shí)時(shí)性了。

(2) 自旋鎖

自旋鎖是用于多線程同步的一種鎖，用來(lái)對(duì)共享資源的一種同步機(jī)制，線程反復(fù)檢查鎖變量是否可用。由于線程在這一過(guò)程中保持執(zhí)行，因此是一種忙等待。一旦獲取了自旋鎖，線程會(huì)一直保持該鎖，直至顯式釋放自旋鎖。

自旋鎖避免了進(jìn)程上下文的調(diào)度開(kāi)銷，因此對(duì)于線程只會(huì)阻塞很短時(shí)間的場(chǎng)合是有效的，也就是說(shuō)，只能在阻塞很短的時(shí)間才適合使用自旋鎖。

但是，在自旋鎖期間，任務(wù)搶占將會(huì)失效，這就是說(shuō)，即使自旋鎖的阻塞時(shí)間很短，但是這仍然會(huì)增加任務(wù)搶占延時(shí)，讓調(diào)度變得不確定。

(3) 中斷的優(yōu)先級(jí)是最高的

任何時(shí)刻，只要中斷發(fā)生，就會(huì)立刻執(zhí)行中斷服務(wù)程序，也就是中斷的優(yōu)先級(jí)是最高的。只有當(dāng)所有的外部中斷和軟終端都處理結(jié)束了，正常的任務(wù)才能得到執(zhí)行。

這看起來(lái)是好事情，但是想一想，如果有比中斷優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)呢?假如系統(tǒng)在運(yùn)行中，網(wǎng)口持續(xù)接收到數(shù)據(jù)，那么中斷就一直被執(zhí)行，那么其他任務(wù)就可能一直得不到執(zhí)行的機(jī)會(huì)，這是影響 Linux 系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的巨大挑戰(zhàn)。

(4) 同步操作時(shí)關(guān)閉中斷

如果去看 Linux 內(nèi)核的代碼，可以看到在很多地方都執(zhí)行了關(guān)中斷指令，如果在這期間發(fā)生了中斷，那么中斷響應(yīng)時(shí)間就沒(méi)法保證了。

2. Linux 系統(tǒng)如何改成硬實(shí)時(shí)?

以上描述的幾個(gè)因素，對(duì) Linux 實(shí)現(xiàn)真正的實(shí)時(shí)性構(gòu)成了很大的障礙，但是現(xiàn)實(shí)世界又的確有很多場(chǎng)合需要 Linux 具有硬實(shí)時(shí)，那么就要針對(duì)上面的每一個(gè)因素提出解決方案。

目前主流的解決方案有 2 個(gè)：

單內(nèi)核解決方案：給 Linux 內(nèi)核打補(bǔ)丁，解決上面提到的幾個(gè)問(wèn)題，例如：RT-Preempt;
雙內(nèi)核解決方案：在硬件抽象層之上，運(yùn)行 2 個(gè)內(nèi)核：實(shí)時(shí)內(nèi)核 + Linux 內(nèi)核，它們分別向上層提供 API 函數(shù)，例如：Xenomai;

這 2 種解決方案分別有不同的實(shí)現(xiàn)，從調(diào)研情況來(lái)看，RT-Preempt 和 Xenomai 是使用比較多的，下面分別來(lái)看一下他們的優(yōu)缺點(diǎn)。

(1)RT-Preempt

這種方式主要是對(duì) Linux 內(nèi)核進(jìn)行打補(bǔ)丁，解決了上面所說(shuō)的幾個(gè)問(wèn)題：內(nèi)核不可搶占、自旋鎖、關(guān)中斷以及終端優(yōu)先級(jí)的問(wèn)題。

至于每一個(gè)問(wèn)題是如何解決的，由于篇幅關(guān)系，這里就不介紹了，感興趣的小伙伴如果需要的話，可以深入了解一下。

由于是直接在 Linux 內(nèi)核上打補(bǔ)丁(以后肯定會(huì)合并到主分支中的)，因此對(duì)于應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)，操作系統(tǒng)向上層提供的 API 接口函數(shù)可以保持不變，這對(duì)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)是一件好事情。

(2)Xenomai

Xenomai是一個(gè) Linux 內(nèi)核的實(shí)時(shí)開(kāi)發(fā)框架，它希望通過(guò)無(wú)縫地集成到 Linux 環(huán)境中來(lái)給用戶空間應(yīng)用程序提供全面的，與接口無(wú)關(guān)的硬實(shí)時(shí)性能。下面是 Xenomai 的架構(gòu)圖：

在硬件抽象層之上，是 2 個(gè)并列的域(內(nèi)核)，這 2 個(gè)內(nèi)核分別向上層提供自己的 API 接口函數(shù)。

圖中 glibc 是 Linux 系統(tǒng)提供的庫(kù)函數(shù)，應(yīng)用程序通過(guò)調(diào)用庫(kù)函數(shù)和系統(tǒng)調(diào)用來(lái)編寫程序。

Xenomai 也提供了相應(yīng)的庫(kù)函數(shù) libcobalt ，這個(gè)庫(kù)函數(shù)是需要我們?cè)谟脩魧泳幾g、安裝的，就像安裝第三方庫(kù)一樣。

此外，Xenomai 還參考不同的操作系統(tǒng)風(fēng)格，提供了好幾套 API 函數(shù)(之前的說(shuō)法是：皮膚)，API 接口函數(shù)在這里：

從圖中可以看到，Alchemy API 這套接口提供的功能更完善，提供了：定時(shí)器、內(nèi)存管理、條件變量、事件、互斥鎖、消息隊(duì)列、任務(wù)(可以理解為線程)等 API 函數(shù)。這一套 API 函數(shù)中具體的功能與 POSIX 標(biāo)準(zhǔn)大體相同，在一些細(xì)節(jié)上存在一些差異。

由于 Xenomai 向應(yīng)用層提供的 API 函數(shù)是獨(dú)立的一套，因此，如果我們需要?jiǎng)?chuàng)建實(shí)時(shí)任務(wù)，那么就要調(diào)用這一套接口函數(shù)來(lái)創(chuàng)建任務(wù)，包括使用其中的一些資源(例如：內(nèi)存分配)。而且文檔中也提出了一些注意點(diǎn)，例如：某些資源不能在 Xenomai 與 Linux 系統(tǒng)之間混用。

五、RTOS 的優(yōu)勢(shì)

上面已經(jīng)說(shuō)到，Linux 桌面系統(tǒng)的主要目標(biāo)是吞吐量，在單位時(shí)間內(nèi)執(zhí)行更多的代碼。

但是對(duì)于單片機(jī)來(lái)說(shuō)，首要目標(biāo)不是吞吐量，而是確定性，因此衡量一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)堅(jiān)固性的重要指標(biāo)，是系統(tǒng)從接收一個(gè)任務(wù)，到完成該任務(wù)所需的時(shí)間。也就是說(shuō)，任務(wù)調(diào)度才是第一考量要素。

在單片機(jī)開(kāi)發(fā)中，一般有 2 種編程模型：基于狀態(tài)機(jī)(裸跑)，基于 RTOS。

如果基于狀態(tài)機(jī)，就不存在任務(wù)調(diào)度問(wèn)題了，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)執(zhí)行序列，所有的操作都是串行執(zhí)行的，唯一需要注意的控制流程就是中斷處理。

如果基于 RTOS，主要利用的就是任務(wù)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)真正的硬實(shí)時(shí)。這方面最牛逼的就是VxWorks了，當(dāng)然價(jià)格也是非常可觀的，有些公司購(gòu)買之后，甚至?xí)殉巳蝿?wù)調(diào)度模塊之外的其他模塊全部重寫一遍，這也足以證明了 VxWorks 在任務(wù)調(diào)度處理上的確很厲害，這也是它的看家本領(lǐng)!

當(dāng)然，對(duì)于簡(jiǎn)單、需要嚴(yán)格控制執(zhí)行序列的關(guān)鍵程序來(lái)說(shuō)，使用有限狀態(tài)機(jī)的編程框架，一切都在自己的掌握中。只要代碼中沒(méi)有 bug，那么理論上，一切行為都是在控制之中的，這也是為什么很多軍事設(shè)備上使用單片機(jī)的原因!