为什么航天器、导弹喜欢用单片机,而不是嵌入式系统?


道哥的第 029 篇原创

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一、前言

前几天和一个在某研究所的发小聊天,他说:现在的航空、航天和导弹等武器装备中,控制系统几乎都是用单片机,而不是嵌入式系统

乍一听,和我们的直觉有矛盾啊:那么高大上的设备,其中的控制逻辑一定很复杂,不用嵌入式系统怎么来完成那么复杂的功能控制啊?然后仔细了解了一下,才明白答案是:安全+可控

这篇文章我们就来聊一下关于单片机与嵌入式、操作系统与 RTOS 之间的那些事!通过这篇文章,让你操作系统的实时性有一个系统、全面的理解!

二、关于单片机与嵌入式系统之间界定

说实话,关于它俩的区分,没有人可以给出一个标准的、正确的答案。每个人理解的单片机与嵌入式系统,都是略有差别的。

抛开硬件,从应用程序开发的角度来看,我是这样来理解的:

单片机:可以直接使用状态机来实现程序框架,也可以利用一些 RTOS(ucOS、FreeRTOS、vxWorks、RT-Thread)等来完成一些调度功能。

嵌入式系统:利用嵌入式 Linux 操作系统以及一些变种来编写应用程序。

我知道自己的理解可能是不对的,至少不严谨、范围狭隘,既然没有标准答案,那姑且引用维基百科中的定义吧,毕竟概念是死的,更重要的是我们如何根据实际的需要来进行选择

1. 单片机

  1. 单片机,全称单片微型计算机(single-chip microcomputer),又称微控制器单元 MCU(microcontroller unit)。
  2. 把中央处理器、存储器、定时/计数器、各种输入输出接口等都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。
  3. 由于其发展非常迅速,旧的单片机的定义已不能满足,所以在很多应用场合被称为范围更广的微控制器;

2. 嵌入式系统

  1. 嵌入式系统(Embedded System),是一种嵌入机械或电气系统内部、具有专一功能和实时计算性能的计算机系统。
  2. 嵌入式系统常被用于高效控制许多常见设备,被嵌入的系统通常是包含数字硬件和机械部件的完整设备,例如汽车的防锁死刹车系统。
  3. 现代嵌入式系统通常是基于微控制器(如含集成内存和/或外设接口的中央处理单元)的,但在较复杂的系统中普通微处理器(使用外部存储芯片和外设接口电路)也很常见。

3. 嵌入式Linux

  1. 嵌入式Linux(英语:Embedded Linux)是一类嵌入式操作系统的概称,这类型的操作系统皆以Linux内核为基础,被设计来使用于嵌入式设备。
  2. 与电脑端运行的linux系统本质上是一样的,虽然经过了一些功能上的裁剪,但是本质上是一样的,主要利用 Linux 内核中的的任务调度、内存管理、硬件抽象等功能。

4. RTOS

  1. 实时操作系统(RTOS),又称即时操作系统,它会按照排序运行、管理系统资源,并为开发应用程序提供一致的基础。
  2. 实时操作系统与一般的操作系统相比,最大的特色就是“实时性”,如果有一个任务需要执行,实时操作系统会马上(在较短时间内)执行该任务,不会有较长的延时。这种特性保证了各个任务的及时执行。

三、非实时、软实时、硬实时

首先要明白什么叫实时性?实时性考虑的不是速度、性能、吞吐量,而是确定性,也就是说:当一个事件发生的时候,可以确定性的保证在多长时间内得到处理,只要能满足这个要求,就可以成为硬实时。比如:

操作系统1:当中断发生时,可以保证在 1 秒内得到这里,那么它就是硬实时系统,虽然响应时间长,但它是确定的;
操作系统2:当中断发生时,几乎都可以在 1 毫秒内完成,那么那就不能成为硬实系统,虽然响应时间短,但是它不确定。

也看到有文章说:应该取消软实时这个模棱两可的说法,要么是实时,要么是非实时!

操作系统包含的功能很多:任务调度、内存管理、文件管理等等,其中最核心的就是任务调度,这也是非实时、软实时、硬实时的最大区别。

也就是说,衡量实时性的指标就是:

1. 中断延时:一个外部事件引发的中断发生时,到相应的中断处理程序第一条指令被执行时,所经过的时间;
2. 任务抢占延时:当一个高优先级的任务准备就绪时,从正在执行的低优先级任务中抢夺 CPU 资源所经过的时间;

不同的操作系统,其任务调度机制也是不一样的,而这个调度机制的策略,又是与实际的使用场景相关的。因此,并不存在哪个好、哪个不好这样的说法,合适的就是最好的

比如:我们的桌面系统,需要考虑的是多任务、并发,需要同时执行多个程序,哪个程序慢一点,用户无所谓,甚至觉察不到;但是对于一个导弹控制系统,当一个外部传感器输入信号,触发一个事件时,对应的处理必须立刻执行,否则耽搁 1 毫秒,结果可能就是差之千里!

四、x86 Linux 系统的调度策略

我们日常使用的 PC 机,它的主要目标是并行执行多任务,强调的是吞吐率(尽可能多的执行很多应用程序的代码),因此,采用的是分时操作系统,也就是每个任务都有一个时间片,当一个任务分配的时间片用完了,就自动换出(调度),然后执行下一个任务。

我们平常在写 x86 平台上写普通的客户端程序时,很少需要指定应用程序的调度策略和优先级,使用的是系统默认的调度机制。反过来说,也就是在某些需要的场合下,是可以设置进程的调度策略和优先级的。

例如在 Linux 系统中,可以通过 sched_setscheduler() 系统函数 设置 3 种调度策略:

  1. SCHED_OTHER: 系统默认的调度策略,计算动态优先级(counter+20-nice),当时间片用完之后放在就绪队列尾;
  2. SCHED_FIFO: 实时调度策略,根据优先级进行调度,一旦占用CPU就一直执行,直到自己放弃执行或者有更高优先级的任务需要执行;
  3. SCHED_RR: 也是实时调度策略,在 SCHED_FIFO 的基础上添加了时间片。在执行时,可以被更高优先级的任务打断,如果没有更高优先级的任务,那么当任务的执行时间片用完之后,就会查找相同优先级的任务来执行。

1. 为什么 Linux 系统是软实时的?

可能有小伙伴会有疑问:既然 Linux 系统中提供了 SCHED_FIFO 基于优先级的调度策略,为什么仍然不能称之为真正的硬实时操作系统?这就要从 Linux 的发展历史说起了。

Linux 操作系统在设计之初,就是为了桌面应用而开发的,在那个时代,多个终端(电传打字机和屏幕)连接到同一个电脑主机,需要处理的是多任务、并行操作,并不需要考虑实时性,因此,在 Linux 内核中的一些基因,严重影响了它的实时性,例如有如下几个因素:

(1) 内核不可抢占

我们知道,一个应用程序在执行时,可以在用户态和内核态执行(当调用一个系统函数,例如:write 时,就会进入内核态执行),此时任务是不可抢占的。

即使有优先级更高的任务准备就绪,当前的任务也不能立刻停止执行。而是必须等到当前这个任务返回到用户态,或者在内核态中需要等待某个资源而睡眠时,高优先级任务才可以执行。

因此,这就很显然无法保证高优先级任务的实时性了。

(2) 自旋锁

自旋锁是用于多线程同步的一种锁,用来对共享资源的一种同步机制,线程反复检查锁变量是否可用。由于线程在这一过程中保持执行,因此是一种忙等待。一旦获取了自旋锁,线程会一直保持该锁,直至显式释放自旋锁。

自旋锁避免了进程上下文的调度开销,因此对于线程只会阻塞很短时间的场合是有效的,也就是说,只能在阻塞很短的时间才适合使用自旋锁。

但是,在自旋锁期间,任务抢占将会失效,这就是说,即使自旋锁的阻塞时间很短,但是这仍然会增加任务抢占延时,让调度变得不确定

(3) 中断的优先级是最高的

任何时刻,只要中断发生,就会立刻执行中断服务程序,也就是中断的优先级是最高的。只有当所有的外部中断和软终端都处理结束了,正常的任务才能得到执行。

这看起来是好事情,但是想一想,如果有比中断优先级更高的任务呢?假如系统在运行中,网口持续接收到数据,那么中断就一直被执行,那么其他任务就可能一直得不到执行的机会,这是影响 Linux 系统实时性的巨大挑战。

(4) 同步操作时关闭中断

如果去看 Linux 内核的代码,可以看到在很多地方都执行了关中断指令,如果在这期间发生了中断,那么中断响应时间就没法保证了。

2. Linux 系统如何改成硬实时?

以上描述的几个因素,对 Linux 实现真正的实时性构成了很大的障碍,但是现实世界又的确有很多场合需要 Linux 具有硬实时,那么就要针对上面的每一个因素提出解决方案

目前主流的解决方案有 2 个:

  1. 单内核解决方案:给 Linux 内核打补丁,解决上面提到的几个问题,例如:RT-Preempt;
  2. 双内核解决方案:在硬件抽象层之上,运行 2 个内核:实时内核 + Linux 内核,它们分别向上层提供 API 函数,例如:Xenomai;

这 2 种解决方案分别有不同的实现,从调研情况来看,RT-Preempt 和 Xenomai 是使用比较多的,下面分别来看一下他们的优缺点。

(1)RT-Preempt

这种方式主要是对 Linux 内核进行打补丁,解决了上面所说的几个问题:内核不可抢占、自旋锁、关中断以及终端优先级的问题。

至于每一个问题是如何解决的,由于篇幅关系,这里就不介绍了,感兴趣的小伙伴如果需要的话,可以深入了解一下。

由于是直接在 Linux 内核上打补丁(以后肯定会合并到主分支中的),因此对于应用程序开发来说,操作系统向上层提供的 API 接口函数可以保持不变,这对应用程序开发来说是一件好事情。

(2)Xenomai

Xenomai是一个 Linux 内核的实时开发框架,它希望通过无缝地集成到 Linux 环境中来给用户空间应用程序提供全面的,与接口无关的硬实时性能。下面是 Xenomai 的架构图:

在硬件抽象层之上,是 2 个并列的域(内核),这 2 个内核分别向上层提供自己的 API 接口函数

图中 glibc 是 Linux 系统提供的库函数,应用程序通过调用库函数和系统调用来编写程序。

Xenomai 也提供了相应的库函数 libcobalt ,这个库函数是需要我们在用户层编译、安装的,就像安装第三方库一样。

此外,Xenomai 还参考不同的操作系统风格,提供了好几套 API 函数(之前的说法是:皮肤),API 接口函数在这里

从图中可以看到,Alchemy API 这套接口提供的功能更完善,提供了:定时器、内存管理、条件变量、事件、互斥锁、消息队列、任务(可以理解为线程)等 API 函数。
这一套 API 函数中具体的功能与 POSIX 标准大体相同,在一些细节上存在一些差异。

由于 Xenomai 向应用层提供的 API 函数是独立的一套,因此,如果我们需要创建实时任务,那么就要调用这一套接口函数来创建任务,包括使用其中的一些资源(例如:内存分配)。而且文档中也提出了一些注意点,例如:某些资源不能在 Xenomai 与 Linux 系统之间混用。

五、RTOS 的优势

上面已经说到,Linux 桌面系统的主要目标是吞吐量,在单位时间内执行更多的代码。

但是对于单片机来说,首要目标不是吞吐量,而是确定性,因此衡量一个实时操作系统坚固性的重要指标,是系统从接收一个任务,到完成该任务所需的时间。也就是说,任务调度才是第一考量要素

在单片机开发中,一般有 2 种编程模型:基于状态机(裸跑),基于 RTOS

如果基于状态机,就不存在任务调度问题了,因为只有一个执行序列,所有的操作都是串行执行的,唯一需要注意的控制流程就是中断处理

如果基于 RTOS,主要利用的就是任务调度,实现真正的硬实时。这方面最牛逼的就是VxWorks了,当然价格也是非常可观的,有些公司购买之后,甚至会把除了任务调度模块之外的其他模块全部重写一遍,这也足以证明了 VxWorks 在任务调度处理上的确很厉害,这也是它的看家本领!

当然,对于简单、需要严格控制执行序列的关键程序来说,使用有限状态机的编程框架,一切都在自己的掌握中。只要代码中没有 bug,那么理论上,一切行为都是在控制之中的,这也是为什么很多军事设备上使用单片机的原因!

六、总结

关于任务调度的问题,是一个操作系统的重中之重,其中需要学习的内容还有很多,最近刚买了一本陈海波老师的新书,也就是华为的鸿蒙系统背后的灵魂人物。

如果有新的学习心得,再跟大家分享。

参考文献:

https://linuxfoundation.org/blog/intro-to-real-time-linux-for-embedded-developers/
https://wiki.archlinux.org/index.php/Realtime_kernel_patchset
http://www.faqs.org/faqs/realtime-computing/faq/
https://xenomai.org/documentation/xenomai-3/html/README.INSTALL/

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