什么是实时操作系统 (RTOS)？

这些系统在工业自动化、机器人技术、医疗设备以及嵌入式系统等应用中至关重要，因为在这些领域中，延迟或故障都可能带来严重后果。实时操作系统也常用于高风险环境（例如航空航天和国防领域），在这些环境中，实时响应对于保障安全和性能至关重要。

通用操作系统 (GPOS) 和实时操作系统 (RTOS) 都协调系统硬件资源（例如 CPU、内存、I/O 设备、存储），但它们的侧重点和功能差异很大。

操作系统（例如 Microsoft Windows、Linux 和 Unix）专注于最大限度地提高整体系统效率并支持多任务处理，但它们依赖于非确定性调度。作为非实时系统，它们可能无法总是按时完成任务，特别是在高负载下或在资源共享的虚拟机 (VM) 环境中。

与通用操作系统相比，实时操作系统专为实时应用而设计，能保证任务满足严格的时序要求，通常在微秒级以内。实时系统中的资源通过确定性调度进行管理，以确保即使在工作繁忙的情况下，也能在特定的时间范围内完成高优先级任务。虽然 RTOS 可以支持虚拟机，但虚拟化的开销可能会影响其满足实时需求的能力。

实时作系统于 1960 年代和 1970 年代开始发展，旨在满足对时间敏感型应用的需求，这些需求主要出现在军事、航空航天和工业领域。传统操作系统并非为可预测、快速的响应而设计，因此实时操作系统应运而生，以确保任务能够在严格的截止时间内完成，并以最小的延迟处理外部事件。这一时期的关键创新包括抢占式调度算法，以及在任务优先级划分和中断处理方面的改进。

到了 20 世纪 80 年代和 90 年代，商业实时操作系统产品（例如 VxWorks、QNX）得到了广泛应用，特别是在电信、汽车和嵌入式系统等行业。POSIX 实时扩展等标准化工作有助于统一实时操作系统的设计。进入 21 世纪后，物联网 (IoT) 和嵌入式系统的增长推动了轻量级实时操作系统（例如 FreeRTOS）的普及。

如今，实时操作系统在确保从医疗设备到与关键基础设施相连的工业控制系统等广泛应用中的可靠、实时运行方面发挥着至关重要的作用。此外，许多实时操作系统正在融入人工智能 (AI) 和机器学习 (ML) 技术，以应对更加动态、自适应和复杂的系统。例如，具备 AI 功能的实时操作系统可以分析数据模式、预测故障，并根据系统条件实时优化任务调度。

到 2024 年，RTOS 市场规模估计为 59.7 亿美元。此外，预计该市场将从 2025 年的 64.1 亿美元增长到 2034 年的 122.1 亿美元，预测期（2025-2034 年）复合年增长率 (CAGR) 为 7.41%。¹

实时操作系统 (RTOS) 的关键功能包括以下内容：

• 确定性：RTOS 可确保任务在可预测的固定时段内执行，这对时间敏感型应用至关重要。

• 多任务处理：RTOS 中的多任务包括调度和管理多个任务，确定任务的执行顺序，并在任务之间快速切换，给人并行执行的感觉。

• 内存管理：实时操作系统能够防止任务之间相互干扰对方的内存空间，从而提高系统的稳定性和安全性。

• 最小延迟：RTOS 缩短对外部事件或中断的响应时间，确保在实时环境中快速反应并最大限度地减少中断延迟。RTOS 中的高效上下文切换进一步最大限度地减少了任务切换延迟，允许任务快速换入和换出 CPU，从而减少执行之间的延迟并提高整体系统响应度。

• 基于优先级的调度：RTOS 先执行优先级较高的任务，然后再执行优先级较低的任务，确保关键任务首先得到处理。

• 资源分配：RTOS 可有效处理内存分配、处理能力和其他系统资源，以支持实时性能。

• 中断处理： RTOS 使用 RTOS 应用程序编程接口 (API) 机制快速有效地响应硬件或软件中断。这一能力能够最大限度地减少处理中断所花费的时间，并确保实时任务的完成。

• 任务同步：RTOS通过信号量和消息队列等机制提供任务间通信 (ITC)，以同步任务并确保多个任务之间安全地共享资源。

实时操作系统 (RTOS) 主要有三种类型，每种类型都旨在处理不同水平的定时精度（通常以毫秒为单位）以及对错过截止日期的容忍度：

• 硬实时操作系统

• 固实时操作系统

• 软实时操作系统

硬实时作系统在设计时具有严格的定时约束，这对于满足截止日期至关重要。任何不能按期完成的任务都会造成严重后果，因此可靠性至关重要。硬实时作系统的常见应用包括航空航天、机器人和工业控制系统。为了满足这些严格的要求，通常会对硬实时系统中的文件系统进行简化，以减少开销，确保在严格的定时约束内访问或写入数据。

固实时作系统通常需要按时完成任务，但它们可以容忍偶尔的延迟，而不会导致重大问题。此类系统的示例包括多媒体播放、联网和某些工业自动化应用。

软实时操作系统注重及时执行，但错过截止期限并不会产生严重后果。系统仍能正常运行，只是性能会有所下降。示例包括桌面操作系统、网络服务器和一些办公自动化工具。

实时操作系统 (RTOS) 提供了众多主要优点，使其成为关键、资源受限之应用的理想选择：

• 可靠性和可预测性

• 最低开销

• 容错

• 提高系统效率

• 提高安全性

• 可扩展性

• 系统稳定性

实时操作系统被广泛应用于各种行业，在这些行业中，精确的计时、可靠性和可预测的行为对于关键应用至关重要：

• 航天

• 机器人

• 工业控制系统

• 医疗保健设备

• 汽车系统

• 电信业

• 国防和军事

实时操作系统用于航空航天系统的飞行控制、导航和任务关键型应用；这些应用中，定时精度至关重要。使用高性能计算 (HPC)，这些关键系统可以实时处理来自各种传感器的复杂数据，确保对安全和性能至关重要的快速、准确的响应。

在机器人技术中，实时操作系统确保机器人运动、传感器处理和通信的实时控制。此类系统需要以高精度和低延迟运行，尤其是在工业自动化、医疗机器人和自动驾驶汽车方面。

RTOS 通常应用于工业控制系统，如制造流程、工厂自动化和装配线。这些系统对时间限制要求严格，需要实时监测传感器和其他设备。

RTOS 被应用于医疗设备中，如心脏起搏器、输液泵和诊断设备，在这些设备中，及时且可预测的操作对于确保患者安全和设备可靠性至关重要。

在汽车应用中，实时操作系统支持自动驾驶系统和高级驾驶辅助系统 (ADAS) 等关键功能，此类功能中，安全性和响应能力至关重要。

RTOS 在电信基础设施（包括移动设备基站和卫星通信系统）中至关重要，其中实时处理和低延迟性能对于维持稳定和快速的连接是必不可少的。

在国防和军事应用中，RTOS 被用于雷达系统、武器控制和监视系统，在这些系统中，操作的准确性和速度对于确保任务成功和安全至关重要。

这些常用的实时操作系统 (RTOS) 旨在满足各个行业的特定需求。它们经过优化，可在 Intel 和 ARM 处理器上运行，确保在不同的应用中实现高性能、可靠性和效率：

• VxWorks：这种高度可靠的 RTOS，用于航空航天、国防和工业自动化领域，以其可扩展性、安全性和安全特性而闻名。

• QNX：这种模块化、符合 POSIX 标准的 RTOS 具有可靠性和容错性，深受汽车、医疗和工业领域的青睐

• FreeRTOS：这种开源的轻量级 RTOS 非常适合嵌入式系统、微控制器、IoT 设备和消费电子产品，以其简单性和效率为显著特征。

• RTEMS：这个开源的 RTOS 专为高性能嵌入式系统而设计，通常部署在航空航天、电信和机器人应用中。

• embOS：这款紧凑型 RTOS 以其可扩展性和确定性性能而闻名，它常用于可靠性至关重要的工业和医疗系统。

• Zephyr：这是由 Linux 基金会开发的开源、可扩展的实时操作系统，专为小型、资源受限的设备（如物联网设备和可穿戴设备）进行了优化。

• ThreadX：这款高性能 RTOS 以其极小的存储空间占用和高效的资源管理而闻名，经常用于消费电子、汽车和工业系统。