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實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）在各類(lèi)工業(yè)場(chǎng)景中發(fā)揮著中樞神經(jīng)系統(tǒng)的關(guān)鍵作用，是數(shù)字化工業(yè)的重要基礎(chǔ)。當(dāng)前，全球大部分工業(yè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)市場(chǎng)被國(guó)外廠(chǎng)商占據(jù)，圍繞主流RTOS產(chǎn)品內(nèi)核提供了完備的上下游軟件配套，并以嵌入式形式開(kāi)展了大量硬件捆綁，形成錨定。本文梳理了工業(yè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)軟件體系中關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)，為國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)加速發(fā)展提供參考。
一、RTOS概述
RTOS是面向工業(yè)應(yīng)用的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、軍事、電力、新能源等工業(yè)領(lǐng)域關(guān)鍵場(chǎng)景中，通常對(duì)處理器性能沒(méi)有較高要求，對(duì)資源的需求也相對(duì)有限，但在操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、并行性、可靠性、功耗等方面的要求較為嚴(yán)苛，其處理器芯片的更新?lián)Q代周期通常為幾年到幾十年。在工業(yè)產(chǎn)品或工業(yè)制造流程中，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)通常以嵌入式形態(tài)作為裝備或生產(chǎn)系統(tǒng)的“大腦”，對(duì)提高裝備與生產(chǎn)過(guò)程的智能化，滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)對(duì)于高效、可靠、實(shí)時(shí)、綠色等方面的要求具有顯著作用。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，RTOS并非單一、封閉的軟件工具，而是與硬件、協(xié)議、應(yīng)用軟件等廣泛連接和協(xié)同，形成縱橫連通的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)代RTOS應(yīng)重點(diǎn)考慮工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)泛在感知、互聯(lián)、智能環(huán)境下的人機(jī)物融合發(fā)展趨勢(shì)所帶來(lái)的新挑戰(zhàn)，例如在云邊端協(xié)同環(huán)境中的嵌入式軟硬件耦合、資源受限、硬件異構(gòu)、多類(lèi)別或無(wú)操作系統(tǒng)、通信方式各異等情況下，如何實(shí)現(xiàn)任務(wù)的優(yōu)化調(diào)度和任意遷移等。
二、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
隨著“工業(yè)4.0”和智能制造等國(guó)家戰(zhàn)略的推進(jìn)，對(duì)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的深入研究越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外科研團(tuán)隊(duì)的重視，取得了大量的研究成果。但是從整體上來(lái)看，國(guó)內(nèi)面向RTOS領(lǐng)域的研究還處于發(fā)展階段，依然有很多具有挑戰(zhàn)性的工作需進(jìn)一步深入探索。以下圍繞RTOS整體框架，對(duì)當(dāng)前相關(guān)研究現(xiàn)狀進(jìn)行闡述分析，并進(jìn)一步梳理目前全球主流的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)產(chǎn)品。
（一）相關(guān)研究工作當(dāng)前，國(guó)內(nèi)圍繞工業(yè)操作系統(tǒng)軟件整體框架設(shè)計(jì)開(kāi)展了大量研究，重點(diǎn)提升系統(tǒng)安全、可靠、可信等能力。為確保操作系統(tǒng)內(nèi)核的安全性和可靠性，華東師范大學(xué)團(tuán)隊(duì)將形式化方法引入操作系統(tǒng)內(nèi)核驗(yàn)證中，提出了一種通用性的操作系統(tǒng)內(nèi)核自動(dòng)化驗(yàn)證框架，輔助解決軟件系統(tǒng)基礎(chǔ)組件的安全可靠問(wèn)題。針對(duì)現(xiàn)有基于MILS架構(gòu)的嵌入式操作系統(tǒng)在出現(xiàn)運(yùn)行故障后無(wú)法有效進(jìn)行正確、安全遷移等問(wèn)題，西安航空計(jì)算技術(shù)研究所團(tuán)隊(duì)提出了一種嵌入式操作系統(tǒng)多級(jí)安全域動(dòng)態(tài)管理架構(gòu)，保證了任務(wù)的動(dòng)態(tài)遷移和功能重構(gòu)。浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了一種基于人工智能的高可信嵌入式操作系統(tǒng)，能夠在不同任務(wù)數(shù)量、類(lèi)別的情況下?lián)碛休^高的可信率、精準(zhǔn)率及召回率。
（二）此外，對(duì)于RTOS軟件框架研究逐漸細(xì)化深入，與重點(diǎn)行業(yè)典型場(chǎng)景緊密結(jié)合。如南京理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)搭建了一種基于Sylix OS嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的火控系統(tǒng)總體框架，實(shí)現(xiàn)了彈道解算和火控命中過(guò)程的仿真?；趯?duì)飛行器飛行控制軟件需求的分析結(jié)果，北京航天自動(dòng)控制研究所團(tuán)隊(duì)提出了一種基于戰(zhàn)星嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的多核分布式飛行控制軟件架構(gòu)，提高了飛行控制軟件的可靠性與安全性。針對(duì)目前相控陣天線(xiàn)控制系統(tǒng)通信方面的高速、高實(shí)時(shí)、高穩(wěn)定需求，西安交通大學(xué)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種基于Zynq-7000和RT-Thread操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)執(zhí)行處理的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。在船舶及海航相關(guān)領(lǐng)域，中船重工第713研究所團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種基于VxWorks的系統(tǒng)控制軟件，該軟件在穩(wěn)定性和快速性方面取得了較好的控制效果；南昌大學(xué)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式技術(shù)的船舶操作系統(tǒng)通用軟件架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了惡劣海洋環(huán)境下的船舶精確航線(xiàn)控制。
（三）國(guó)內(nèi)外主要產(chǎn)品
1.國(guó)外主要產(chǎn)品國(guó)外RTOS相關(guān)先進(jìn)技術(shù)及主流產(chǎn)品由美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)等國(guó)家掌握和主導(dǎo)，產(chǎn)品的成熟度與易用性較高，廣泛應(yīng)用于航天、船舶、能源等核心領(lǐng)域，占據(jù)高比例的國(guó)際市場(chǎng)份額。其中，美國(guó)方面的主要產(chǎn)品包括WindRiver公司的VxWorks、Micrium公司的μC/OS-II、TexasInstruments公司的TI-RTOS、GreenHillssoftware公司的INTEGRITYRTOS與μ-velOSityRTOS、Microsoft公司的AzureRTOS、LynxSoftware公司的LynxOS、DDC-I公司的DEOS、Amazon公司的AmazonFreeRTOS、MIPS公司的MIPSEmbeddedOS、FSMLabs公司的RTLinux等；英國(guó)方面的主要產(chǎn)品包括RTOS公司的FreeRTOS、ARM公司的MbedOS與RTX、WITTENSTEIN公司的SAFERTOS等；德國(guó)方面的主要產(chǎn)品包括Segger公司的embOS、SYSGO公司的PikeOS、Siemens公司的NucleusRTOS等。此外，瑞典EneaDataAB公司的ENEAOSE、瑞士SCIOPTASystems公司的SCIOPTA、加拿大BlackBerry公司的QNXNeutrinoRTOS、荷蘭NXP公司的MQXRTOS、Linux基金會(huì)的Zephyr、GPL組織的μClinux，以及TizenRT、OpenWrt、DuinOS、ApacheNuttX等在內(nèi)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)產(chǎn)品也占據(jù)了穩(wěn)定的市場(chǎng)份額。
2.國(guó)內(nèi)主要產(chǎn)品
近年來(lái)，我國(guó)RTOS產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)提升，涌現(xiàn)出了很多優(yōu)秀企業(yè)和產(chǎn)品，包括上海睿賽德RT-thread、科東軟件Intewell OS、翼輝信息Sylix OS、科銀京成Delta OS、中航計(jì)算所Acore OS天脈、凱思昊鵬Hopen OS、中船716所JARI-Works、中電科32所ReWorks、致遠(yuǎn)電子AworksS等代表性產(chǎn)品。
從整體上看，國(guó)內(nèi)工業(yè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)產(chǎn)品的水平依然落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，在產(chǎn)品可靠性、圖1國(guó)內(nèi)外主要工業(yè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)產(chǎn)品三維圖形支持能力等方面與國(guó)外軟件存在差距，同時(shí)缺乏完善的軟硬件生態(tài)系統(tǒng)。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)依然主要應(yīng)用美國(guó)VxWorks、μC/OS-Ⅱ等產(chǎn)品，關(guān)鍵領(lǐng)域國(guó)產(chǎn)化率較低。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)市場(chǎng)占比如圖2所示。
三、RTOS關(guān)鍵技術(shù)
RTOS產(chǎn)品體系主要由內(nèi)核層、中間件層、輔助設(shè)計(jì)工具3部分組成。
（一）實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核
內(nèi)核提供實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)最基本的功能，是操作系統(tǒng)工作的核心部分。內(nèi)核基于硬件進(jìn)行第一層軟件擴(kuò)充，主要實(shí)現(xiàn)任務(wù)管理、內(nèi)存管理、文件管理、隊(duì)列管理、時(shí)鐘管理等功能。工業(yè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)核具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性約束，要求其能夠快速處理外部請(qǐng)求，并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)對(duì)請(qǐng)求做出響應(yīng)，涉及任務(wù)調(diào)度、中斷管理、時(shí)鐘管理、同步與通信機(jī)制等關(guān)鍵技術(shù)。目前，大多實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核主要可劃分為微內(nèi)核和宏內(nèi)核兩類(lèi)。微內(nèi)核一般只包含必要的任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理等核心功能，而外設(shè)驅(qū)動(dòng)等服務(wù)在其他進(jìn)程中運(yùn)行，并可通過(guò)裸內(nèi)核相互傳遞消息，其主要優(yōu)勢(shì)是具備模塊化的靈活特性。宏內(nèi)核設(shè)計(jì)中的內(nèi)核和操作進(jìn)程共享空間，消息在進(jìn)程之間直接傳遞，具有集成特性，無(wú)需額外調(diào)解模塊之間的調(diào)用，具備一定的性能優(yōu)勢(shì)。
目前，廣泛應(yīng)用于各關(guān)鍵工業(yè)場(chǎng)景中的VxWorks等操作系統(tǒng)產(chǎn)品沿用了宏內(nèi)核設(shè)計(jì)，隨著硬件平臺(tái)資源有限性日益受到關(guān)注，越來(lái)越多新興的工業(yè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)產(chǎn)品采用了微內(nèi)核架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)其維護(hù)簡(jiǎn)單、修改方便、操作靈活等優(yōu)勢(shì)。
1.任務(wù)調(diào)度算法
任務(wù)調(diào)度算法是提升多任務(wù)管理實(shí)時(shí)性的關(guān)鍵，高效的調(diào)度算法可使系統(tǒng)在滿(mǎn)足高性能、高穩(wěn)定性的條件下快速完成任務(wù)調(diào)度和切換。
當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外科研團(tuán)隊(duì)圍繞實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核任務(wù)調(diào)度方面已取得了一定的研究成果與技術(shù)突破。上海理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了一種混合關(guān)鍵級(jí)任務(wù)半分區(qū)調(diào)度算法，該算法能夠?qū)Χ嗪颂幚砥鞯目臻e資源進(jìn)行回收計(jì)算，在觸發(fā)高關(guān)鍵級(jí)模式的情況下，為被拋棄的低關(guān)鍵級(jí)任務(wù)分配空閑時(shí)間片。此外，該高校團(tuán)隊(duì)提出了一種嵌入式多核系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)混合任務(wù)調(diào)度算法。該算法在改進(jìn)的邊界公平實(shí)時(shí)混合任務(wù)算法的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入松弛度參數(shù)來(lái)改進(jìn)判定任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，并進(jìn)一步提出了基于松弛度與啟發(fā)式策略相結(jié)合的啟發(fā)式算法改進(jìn)任務(wù)的分配策略，有效滿(mǎn)足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。北京郵電大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了一種基于多核操作系統(tǒng)的RTOS流數(shù)據(jù)任務(wù)調(diào)度模型，該模型采用實(shí)時(shí)流式處理任務(wù)包的結(jié)構(gòu)，提高了流數(shù)據(jù)處理的效率。河南大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了一種基于任務(wù)執(zhí)行時(shí)間的啟發(fā)式獨(dú)立任務(wù)調(diào)度算法，該算法通過(guò)對(duì)任務(wù)執(zhí)行時(shí)間矩陣的預(yù)處理、分解、預(yù)調(diào)度、調(diào)整等將任務(wù)分配至不同的資源，在擁有較低時(shí)間復(fù)雜度的同時(shí)節(jié)約了任務(wù)的完成時(shí)間。
2.中斷/異常管理
中斷/異常管理直接影響系統(tǒng)對(duì)外部事件的響應(yīng)及處理速度，以確保具有時(shí)間特性的功能部分得到及時(shí)運(yùn)行。主要包括面向應(yīng)用層和面向底層的兩個(gè)處理部分，同時(shí)可對(duì)用戶(hù)提供統(tǒng)一的中斷處理接口。
針對(duì)系統(tǒng)異常驗(yàn)證和中斷管理，北京控制工程研究所團(tuán)隊(duì)面向SPARC處理器架構(gòu)的操作系統(tǒng)提出了一種基于Hoare-logic的驗(yàn)證框架，該框架能夠用于證明SPARC處理器架構(gòu)操作系統(tǒng)異常管理的正確性；航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所團(tuán)隊(duì)提出了一種基于PowerPC處理器的操作系統(tǒng)異常處理方法，建立了一種PowerPC異常處理機(jī)制；云南大學(xué)團(tuán)隊(duì)圍繞Forth實(shí)時(shí)系統(tǒng)提出了一種新的中斷任務(wù)類(lèi)型，該中斷任務(wù)類(lèi)型能夠處理嵌入式操作系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)突發(fā)事件，并基于進(jìn)一步提出的任務(wù)調(diào)度算法來(lái)完成系統(tǒng)終端、后臺(tái)以及中斷任務(wù)的順利運(yùn)行；北京中控院團(tuán)隊(duì)提出了一種基于SPARCv8（可擴(kuò)展處理器架構(gòu)第8版）的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)異常管理驗(yàn)證方法，建立了一種Hoare式程序框架EMS，以北斗三號(hào)衛(wèi)星上實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)SpaceOS的執(zhí)行場(chǎng)景為例，利用該框架對(duì)異常管理進(jìn)行驗(yàn)證。
3.時(shí)鐘
時(shí)鐘是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的脈搏與心跳，其粒度大小及準(zhǔn)確性同時(shí)影響任務(wù)響應(yīng)的及時(shí)性和整個(gè)系統(tǒng)的效率。時(shí)鐘管理主要功能包括時(shí)間管理、定時(shí)管理、進(jìn)程賬務(wù)管理、負(fù)載管理等，時(shí)鐘中斷機(jī)制驅(qū)動(dòng)著操作系統(tǒng)中的時(shí)間與定時(shí)器，是系統(tǒng)中與時(shí)間相關(guān)所有操作的基礎(chǔ)。
時(shí)鐘管理相關(guān)研究方面，國(guó)防科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)時(shí)鐘管理方面取得了一定的突破，提出了一種面向MCU的輕量級(jí)精確時(shí)鐘同步協(xié)議實(shí)現(xiàn)技術(shù)，該技術(shù)采用共享存儲(chǔ)機(jī)制減少數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的拷貝，并使用移位操作實(shí)現(xiàn)的近似計(jì)算處理替換了部分精確計(jì)算處理，減少對(duì)計(jì)算和存儲(chǔ)資源的占用；中國(guó)航發(fā)控制系統(tǒng)研究所團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行時(shí)鐘同步精度影響因子分析的基礎(chǔ)上，提出了一種基于分布式仿真系統(tǒng)的高精度時(shí)鐘同步方法，該方法包含高精度邏輯時(shí)鐘構(gòu)建、網(wǎng)絡(luò)回路優(yōu)化、時(shí)鐘晶振頻率在線(xiàn)補(bǔ)償?shù)龋七M(jìn)了時(shí)鐘同步在分布式仿真系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用；布達(dá)佩斯大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了一種基于微控制器系統(tǒng)的便攜式PTP時(shí)鐘同步實(shí)現(xiàn)及其性能評(píng)估方法，該方法對(duì)PTP包時(shí)間戳、PPS信號(hào)生成和外部HW事件時(shí)間戳進(jìn)行了抽象，保證了良好的可移植性。
同步與通信機(jī)制同步與通信機(jī)制允許實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)和中斷的配合，以確保各任務(wù)的協(xié)同完成。涉及的技術(shù)包括優(yōu)先級(jí)置頂協(xié)議、優(yōu)先級(jí)集成182024年第03期第14卷科研創(chuàng)新ScientificResearchandInnovation協(xié)議等，可用于避免由于優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)、倒置等造成的延遲問(wèn)題。
在同步與通信機(jī)制研究方面，中國(guó)科學(xué)院微電子研究所團(tuán)隊(duì)于操作系統(tǒng)同步與通信機(jī)制方面取得了一定的突破，提出了一種基于多核通信接口框架的多核通信機(jī)制，該機(jī)制分為邏輯層、操作系統(tǒng)移植層、傳輸層和移植層，滿(mǎn)足嵌入式非對(duì)稱(chēng)多核處理器在上層應(yīng)用移植方面的需求；華東計(jì)算技術(shù)研究所團(tuán)隊(duì)提出了一種嵌入式操作系統(tǒng)確定性核間通信機(jī)制，該機(jī)制設(shè)計(jì)了端到端通信延遲的上限，可以滿(mǎn)足多核高安全嵌入式操作系統(tǒng)的要求；華北科技學(xué)院團(tuán)隊(duì)圍繞實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)同步與通信機(jī)制開(kāi)展了一系列研究，設(shè)計(jì)了一種基于FreeRTOS操作系統(tǒng)同步與通信機(jī)制的濃度監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置，以及一種基于μC/OS-Ⅲ同步與通信機(jī)制的人機(jī)交互終端；埃因霍芬理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了一種分布式多處理器實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)中XRCE-DDS通信標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的建模、實(shí)現(xiàn)和分析方法，建立了一種場(chǎng)景感知數(shù)據(jù)流模型，用于根據(jù)不同的執(zhí)行場(chǎng)景捕獲系統(tǒng)行為的動(dòng)態(tài)。
（二）中間件
中間件層位于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核和應(yīng)用軟件之間，用于協(xié)調(diào)和管理應(yīng)用程序之間的通信和交互，是否支持豐富的中間件成為影響實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可擴(kuò)展性的關(guān)鍵因素。中間件層為應(yīng)用軟件提供數(shù)據(jù)管理、應(yīng)用服務(wù)、消息傳遞等功能和服務(wù)，具體包括文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、圖形用戶(hù)界面、設(shè)備驅(qū)動(dòng)框架等。此外，面向航空、航天、汽車(chē)、電子等行業(yè)，存在大量行業(yè)專(zhuān)用的中間件及標(biāo)準(zhǔn)接口。從代碼量看，中間件開(kāi)發(fā)工作量遠(yuǎn)大于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，中間件層薄弱成為制約我國(guó)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)產(chǎn)品研發(fā)應(yīng)用的主要因素之一。
中間件相關(guān)研究方面，陜西國(guó)際商貿(mào)學(xué)院團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種基于發(fā)布/訂閱機(jī)制的實(shí)時(shí)中間件，該中間件具有基于分布式對(duì)象的數(shù)據(jù)同步功能與實(shí)時(shí)保障機(jī)制，以及基于以太網(wǎng)的發(fā)布訂閱通信機(jī)制，滿(mǎn)足了分布式應(yīng)用中數(shù)據(jù)分發(fā)對(duì)實(shí)時(shí)性方面的要求；復(fù)旦大學(xué)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種數(shù)據(jù)服務(wù)中間件，該中間件引入了虛擬實(shí)體和協(xié)議適配器，通過(guò)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境感知數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，消除了數(shù)據(jù)格式的異構(gòu)性；天津理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種混合計(jì)算中間件，能夠?qū)⒏卟l(fā)實(shí)時(shí)處理業(yè)務(wù)邏輯、批處理業(yè)務(wù)邏輯和跨層次動(dòng)態(tài)調(diào)用有效融合，縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間；圖森未來(lái)技術(shù)團(tuán)隊(duì)提出了一種結(jié)合高性能和高可靠性的機(jī)器人中間件，對(duì)比于傳統(tǒng)方法，該中間件能夠降低40%以上的通信延遲和CPU使用率。
相關(guān)產(chǎn)品方面，經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展后，Micrium等商業(yè)公司為其內(nèi)核配套了豐富的中間件，F(xiàn)reeRTOS等開(kāi)源項(xiàng)目在其OpenRTOS等商業(yè)項(xiàng)目發(fā)展中也積累了較完備的中間件，能夠構(gòu)建形成相對(duì)完整的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)軟件平臺(tái)。國(guó)內(nèi)RT-Thread等產(chǎn)品雖然提供posix接口、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、GUI、設(shè)備文件系統(tǒng)、shell、libc庫(kù)等中間件，但其中相當(dāng)大一部分依賴(lài)其他開(kāi)源組件，且缺乏相應(yīng)輔助設(shè)計(jì)和調(diào)試工具。
（三）輔助設(shè)計(jì)工具
成熟完備的輔助設(shè)計(jì)工具能夠顯著降低RTOS開(kāi)發(fā)難度和成本，提升整體設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的技術(shù)水平，是打造RTOS生態(tài)的重要基礎(chǔ)。輔助設(shè)計(jì)工具主要包括集成開(kāi)發(fā)環(huán)境、模擬器、測(cè)試框架等。集成開(kāi)發(fā)環(huán)境提供源代碼編譯器、工程管理工具等工具模塊；模擬器能夠模擬軟/硬件功能，從而實(shí)現(xiàn)嵌入式工業(yè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)軟/硬件協(xié)同驗(yàn)證；測(cè)試框架能夠有效提升開(kāi)發(fā)、執(zhí)行和報(bào)告自動(dòng)化測(cè)試腳本的效率。
輔助設(shè)計(jì)工具相關(guān)研究方面，武漢理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了一種基于知識(shí)圖譜的嵌入式操作系統(tǒng)測(cè)試用例推薦模型，該模型根據(jù)歷史用例知識(shí)設(shè)計(jì)本體模型，結(jié)合知識(shí)推薦建立復(fù)用推薦模型，節(jié)約了測(cè)試成本，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值；上海微小衛(wèi)星工程中心團(tuán)隊(duì)提出了一種嵌入式操作系統(tǒng)自動(dòng)化測(cè)試方法，該方法利用版本管理工具以及持續(xù)集成工具，實(shí)現(xiàn)了腳本自動(dòng)編譯、自動(dòng)運(yùn)行并記錄測(cè)試結(jié)果，提升了測(cè)試的自動(dòng)化水平；首都師范大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了一種面向ROS的差分模糊測(cè)試方法，該方法能夠精準(zhǔn)找出ROS不同版本功能包中的漏洞；北京計(jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用研究所團(tuán)隊(duì)提出了一種基于依賴(lài)要素比對(duì)的國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)兼容性測(cè)試方法，該方法對(duì)依賴(lài)要素進(jìn)行了分級(jí)，并通過(guò)比對(duì)兩個(gè)操作系統(tǒng)依賴(lài)要素的一致性獲得操作系統(tǒng)兼容性測(cè)試結(jié)果。
在開(kāi)發(fā)語(yǔ)言方面，目前國(guó)內(nèi)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)主要支持C和C++，相比國(guó)外主流產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品對(duì)于Python、JAVA、RUST等語(yǔ)言的支持較為欠缺。同時(shí)，面向機(jī)器人等專(zhuān)用領(lǐng)域，缺乏完備的上層仿真和輔助設(shè)計(jì)工具，導(dǎo)致設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí)間長(zhǎng)、控制算法和控制策略等現(xiàn)有成果難以充分利用等問(wèn)題仍然存在。結(jié)合嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜化和規(guī)?；厔?shì)，自動(dòng)的開(kāi)發(fā)配置和測(cè)試驗(yàn)證、離線(xiàn)仿真開(kāi)發(fā)等成為重要發(fā)展方向，可以有效提高開(kāi)發(fā)效率。
四、工業(yè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)
（一）輕量化趨勢(shì)
隨著RTOS應(yīng)用更加廣泛和深入，系統(tǒng)規(guī)模及復(fù)雜程度顯著增加，為系統(tǒng)靈活性、可靠性、可維護(hù)性以及硬件要求等各方面帶來(lái)挑戰(zhàn)，要求RTOS以更精簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)更多的功能集合。同時(shí)，用戶(hù)對(duì)RTOS的可裁剪性需求更加顯著，通過(guò)構(gòu)件的“即插即用”，實(shí)現(xiàn)基于硬件環(huán)境和應(yīng)用環(huán)境的靈活裁剪和配置，從而降低硬件開(kāi)銷(xiāo)，提升系統(tǒng)運(yùn)行效率及可靠性。RTOS輕量化靈活部署的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)強(qiáng)開(kāi)放性的支持，RTlinux、μClinux等基于Linux內(nèi)核開(kāi)發(fā)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有開(kāi)放源代碼優(yōu)勢(shì)，可利用Linux先進(jìn)的微內(nèi)核體系，實(shí)現(xiàn)層次結(jié)構(gòu)的靈活裁剪和便利的系統(tǒng)調(diào)試。同時(shí)，Linux生態(tài)積累了豐富的資源，對(duì)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的支持性較強(qiáng)，因而基于Linux的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)迅速發(fā)展，逐漸對(duì)傳統(tǒng)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)形成有力競(jìng)爭(zhēng)。
（二）虛擬化及云化趨勢(shì)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，主流的處理器架構(gòu)已經(jīng)從單核處理器過(guò)渡到了多核處理器，基于多核的硬件平臺(tái)正在迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。多核系統(tǒng)中多個(gè)運(yùn)算核心獨(dú)立運(yùn)行，每個(gè)核心上的任務(wù)以共享的方式使用緩存、內(nèi)存等系統(tǒng)資源，相比于同樣使用了并行任務(wù)計(jì)算模式的多處理器系統(tǒng)，共享部件可以提高硬件模塊的利用效率，減少硬件數(shù)量。這種片上資源的互聯(lián)提高了計(jì)算核心間的通信效率，也為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)資源使用和分配帶來(lái)了更多挑戰(zhàn)。伴隨著這一技術(shù)趨勢(shì)，嵌入式工業(yè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的虛擬化進(jìn)程正在加速，通過(guò)采用虛擬化技術(shù)來(lái)對(duì)不同子系統(tǒng)的功能進(jìn)行隔離，從而允許多個(gè)嵌入式系統(tǒng)在單個(gè)硬件之上的系統(tǒng)管理程序中運(yùn)行。此外，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等場(chǎng)景的應(yīng)用推動(dòng)了工業(yè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的云化發(fā)展，如將工業(yè)控制中對(duì)時(shí)間敏感的控制過(guò)程放至云端、邊緣端進(jìn)行集中管理，使控制過(guò)程之間的交互與合作更加便利，降低了系統(tǒng)成本，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。
（三）跨平臺(tái)移植及網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用嵌入式RTOS開(kāi)發(fā)過(guò)程中一大困難是代碼可重用性差，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)升級(jí)替代過(guò)程中涉及大量現(xiàn)有軟件的移植甚至重新開(kāi)發(fā)，已有的工作成果得不到充分利用，造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，因此相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作越來(lái)越引發(fā)重視。操作系統(tǒng)相關(guān)應(yīng)用的快速發(fā)展同樣對(duì)系統(tǒng)的自身性能提出了更高要求，單一處理器芯片的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已不能很好地滿(mǎn)足復(fù)雜實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)的需求?；赬86、ARM、MIPS、C-SKY、PPC、RISC-V架構(gòu)的不同硬件平臺(tái)以及龍芯處理器、飛騰處理器等國(guó)產(chǎn)硬件將得到更加廣泛地應(yīng)用，而RTOS也將更加注重跨平臺(tái)兼容性，以改善嵌入式軟件復(fù)用能力，提高系統(tǒng)的可移植性、可擴(kuò)展性。同時(shí)，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)將更加易于移植和聯(lián)網(wǎng)，基于配備的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)通信接口，提供TCP、UDP等協(xié)議支持，以及統(tǒng)一的MAC訪(fǎng)問(wèn)層接口，便于連接各種移動(dòng)計(jì)算設(shè)備。
五、總結(jié)
RTOS廣泛應(yīng)用于各類(lèi)關(guān)鍵場(chǎng)景，且相較于傳統(tǒng)軟件單品，更需要通過(guò)建設(shè)豐富的軟、硬件生態(tài)，進(jìn)一步滿(mǎn)足廣泛連接和多樣化負(fù)載的需求。在此背景下，統(tǒng)一而規(guī)范的接口和基礎(chǔ)設(shè)施是代碼移植和復(fù)用的前提，也是各種軟硬件協(xié)同合作的基礎(chǔ)，可使終端用戶(hù)在同一平臺(tái)上累積和復(fù)用軟件的使用習(xí)慣和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。國(guó)產(chǎn)RTOS應(yīng)通過(guò)強(qiáng)化多方協(xié)作補(bǔ)齊短板，加強(qiáng)系統(tǒng)的可用性、可靠性、可控性。一是加強(qiáng)關(guān)鍵共性技術(shù)研究，推動(dòng)RTOS內(nèi)核在高可信、高可用、強(qiáng)實(shí)時(shí)等方面的技術(shù)發(fā)展；二是共建開(kāi)放產(chǎn)品生態(tài)平臺(tái)，豐富通用及行業(yè)中間件生態(tài)，推動(dòng)軟硬件適配，完善集成化、可調(diào)試化的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)環(huán)境及工具集支持；三是強(qiáng)化質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)支撐保障，發(fā)展數(shù)據(jù)模型、接口及管理評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，提升第三方測(cè)評(píng)能力，加強(qiáng)開(kāi)源風(fēng)險(xiǎn)防控，推動(dòng)工業(yè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)規(guī)范化、安全化發(fā)展。
文章來(lái)源于：《新型工業(yè)化》
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