實時操作系統(tǒng)(RTOS)是指具有實時性能的操作系統(tǒng)。不可預測的外部事件或數(shù)據(jù)產生后，能在可預測的時間內被接受，并以足夠快的速度進行處理，處理結果能在規(guī)定時間內控制生產過程或快速響應處理系統(tǒng)，并能調度一切可用資源完成實時任務。與一般的操作系統(tǒng)相比，實時操作系統(tǒng)更加“實時”，即當一個任務需要執(zhí)行時，實時操作系統(tǒng)會在很短的時間內執(zhí)行，不會有很長的延遲，保證了每個任務都會及時執(zhí)行。

實時操作系統(tǒng)的研究可以追溯到20世紀60年代，經(jīng)歷了早期實時操作系統(tǒng)、專用實時操作系統(tǒng)和通用實時操作系統(tǒng)三個階段。21世紀，實時操作系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應用于軍事、冶煉、發(fā)電、化工、機械等自動控制領域。

實時操作系統(tǒng)模型可以分為單片模型、層次模型和微內核模型。它具有實時性、交互性、安全性、可靠性和復用性的特點，可以實現(xiàn)任務管理、定時器管理、內存管理、資源管理、事件管理、消息管理和隊列管理等功能。

任務：實時操作系統(tǒng)中任務的概念類似于分時操作系統(tǒng)中進程的概念，是指占用系統(tǒng)資源的可獨立執(zhí)行的程序。在調度時，任務可以分為各種“狀態(tài)”，這些狀態(tài)可以分為四種類型:

任務優(yōu)先級：優(yōu)先級是指操作系統(tǒng)分配給任務的優(yōu)先級，決定了任務在使用資源時的優(yōu)先級。在實時系統(tǒng)中，任務優(yōu)先級反映了任務的重要性和緊迫性。任務的初始優(yōu)先級是在創(chuàng)建任務時定義的，任務的優(yōu)先級可以更改。

任務調度：調度是指當系統(tǒng)只有一個CPU時，在單個CPU的情況下，多個線程按照一定的順序執(zhí)行。在操作系統(tǒng)中，每個任務每時每刻都處于某種“狀態(tài)”，任務調度負責管理和調度系統(tǒng)中運行的任務。實時調度的主要關注點是確保任務滿足截止日期。此外，它還應該為周期性、非周期性和偶然性任務提供調度和管理機制。

暫停：中斷由外部設備產生，為中斷提供服務的例程稱為中斷服務例程(ISR)。在實時系統(tǒng)中，用硬性截止日期中斷任務可能會導致任務錯過截止日期。同時，在實時系統(tǒng)中不允許長時間中斷禁用，所以ISR一般都很短很快。常見的方法是將ISR視為實時操作系統(tǒng)調度的另一個高優(yōu)先級任務。

存儲器分配：實時操作系統(tǒng)需要有效地管理內存。常見的內存管理方法包括堆分區(qū)、固定分區(qū)和簡單分區(qū)。堆分區(qū)提供靈活的內存分配，但分配和釋放時間不確定；固定分區(qū)提供了一定的分配和釋放時間，但可能會浪費內存；簡單分區(qū)適用于只需要一次分配，但不支持內存釋放的場景。

按字段

根據(jù)應用領域的不同，實時操作系統(tǒng)可以分為實時控制系統(tǒng)和實時信息系統(tǒng)。實時控制系統(tǒng):實時控制系統(tǒng)的主要特點是響應速度快，可靠性高。主要應用于工業(yè)控制、軍事控制等領域。例如，火箭飛行控制系統(tǒng)要求飛行數(shù)據(jù)的采集時間和燃油噴射時間要非常精確，通常時間精度要控制在微秒以下.實時信息系統(tǒng):由于在實時信息處理系統(tǒng)中會有多個終端用戶同時請求服務，因此實時信息系統(tǒng)還具有分時操作系統(tǒng)的復用性、交互性和排他性的特點。主要應用于銀行聯(lián)網(wǎng)存取款、民航機票預訂、信息檢索、網(wǎng)絡視頻服務等領域。在這類“事務處理”應用中，計算機要對用戶的服務請求做出快速響應，并能及時修改和處理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)。

根據(jù)實時性能

實時操作系統(tǒng)通常分為軟實時操作系統(tǒng)和硬實時操作系統(tǒng)。硬實時操作系統(tǒng):在硬實時任務中，系統(tǒng)必須滿足任務的截止期要求，否則可能會出現(xiàn)不可預知的結果，比如導彈防御系統(tǒng)，如果反應慢就會造成嚴重的損失。硬實時操作系統(tǒng)包括RTEMS、VxWorks、ThreadXNucleus、QNX、OSE、LynxOS、RTLinux、RTAI等。軟實時操作系統(tǒng):也和一個期限有關，但不嚴格。如果偶爾錯過一個任務的截止日期，對系統(tǒng)的影響不會太大。比如流水線就算癱瘓了，也只會賠錢。軟實時操作系統(tǒng)包括WinCE和Linux2.6x。

根據(jù)系統(tǒng)結構

集中式實時操作系統(tǒng):集中式實時操作系統(tǒng)的基本運行環(huán)境是一臺計算機的實時操作系統(tǒng)。它具有實時操作系統(tǒng)最基本的實時多任務調度功能和I/O管理功能，并提供了一個應用開發(fā)環(huán)境，因此該系統(tǒng)應用廣泛。典型的集中式實時多任務操作系統(tǒng)是iRMX。

基于網(wǎng)絡的實時操作系統(tǒng):基于網(wǎng)絡的實時操作系統(tǒng)在集中式系統(tǒng)的實時性和可靠性的基礎上，增加了網(wǎng)絡驅動和通信、負載均衡調整和容錯能力，使系統(tǒng)不僅功能更強大，而且可靠性更高。典型的基于網(wǎng)絡的實時多任務操作系統(tǒng)是Ouantum。

嵌入式實時操作系統(tǒng):嵌入式實時操作系統(tǒng)是指將操作系統(tǒng)固化在內存中，將包含操作系統(tǒng)的芯片安裝在專用設備中，支持應用程序的運行，從而形成智能設備。因為嵌入式操作系統(tǒng)固化后通常是只讀程序，所以運行起來非?？煽俊?br />

實時操作系統(tǒng)具有實時性、交互性、安全性、可靠性和復用性的特點。

及時：實時系統(tǒng)產生的結果對時間有嚴格的要求，只有滿足時間約束的結果才是正確的。對于實時信息系統(tǒng)，響應時間由操作員可接受的等待時間決定，通常是秒。對于實時控制系統(tǒng)，其對時間的響應是由被控對象可接受的延遲決定的，延遲可能是秒量級，也可能短至毫秒和微秒。

交互性：根據(jù)應用對象和應用需求的不同，對實時操作系統(tǒng)交互操作的方便性和權威性有特殊的要求。實時操作系統(tǒng)多為專用系統(tǒng)，賦予用戶不同的權限。例如，實時控制系統(tǒng)在某些情況下不允許用戶干預，而實時信息系統(tǒng)只允許用戶在其授權范圍內訪問相關的計算機資源。

安全性和可靠性：在實時操作系統(tǒng)中，一方面，可靠性是指系統(tǒng)的正確性，即系統(tǒng)產生的結果不僅在數(shù)值上是正確的，在時間上也是正確的；另一方面是指系統(tǒng)的健壯性，即雖然系統(tǒng)存在錯誤或外部環(huán)境不符合定義，但系統(tǒng)仍能處于可預測的狀態(tài)，仍能運行而不出現(xiàn)致命錯誤。

多樣性：實時系統(tǒng)的多通道性表現(xiàn)在采集許多不同的現(xiàn)場信息，控制許多對象和許多執(zhí)行器。實時控制系統(tǒng)往往具有現(xiàn)場多路采集、處理和操作機構控制的功能；實時信息系統(tǒng)允許多個終端用戶(或遠程終端用戶)向系統(tǒng)請求服務，每個用戶將得到獨立的服務和響應。

可預測性：實時系統(tǒng)的實際行為必須在一定的限度內，這可以從系統(tǒng)的定義中得到。這意味著系統(tǒng)對外部輸入的響應必須是完全可預測的，即使在最壞的情況下，系統(tǒng)也必須嚴格遵守時間限制。因此，當出現(xiàn)過載時，系統(tǒng)必須能夠以可預測的方式確保其實時性能。

整體結構：單片結構也叫無序模塊組合結構，即操作系統(tǒng)是一個單片結構，由一系列功能模塊組成，任何功能模塊都可以隨意調用，不分層次，形成網(wǎng)絡調用模式。最早開始于60年代初，比如DOS操作系統(tǒng)和IBM早期的操作系統(tǒng)，在硬件之上定義了很多硬件抽象模塊。應用系統(tǒng)調用用于實現(xiàn)操作系統(tǒng)的功能，如進程管理、文件系統(tǒng)和存儲管理等。這些功能由運行在核心狀態(tài)的多個模塊完成。這也使得整個系統(tǒng)緊湊且高效。

然而，具有整體結構的操作系統(tǒng)不封裝和隱藏任何數(shù)據(jù)。功能模塊之間的關系很復雜。修改任何一個功能模塊都會引起其他所有功能模塊的修改，從而導致操作系統(tǒng)的設計和開發(fā)出現(xiàn)困難。因為所有的模塊都運行在同一個內核空間，一個小小的錯誤就會讓整個系統(tǒng)崩潰。

分級結構：層次結構是將操作系統(tǒng)中的所有功能模塊按照功能流程圖的調用順序劃分為不同的層次。低級功能為下一級功能提供服務，而高級功能為上一級功能提供服務。各層之間存在單向依賴，無法形成循環(huán)。這種結構層次清晰，易于調試和修改。這種操作系統(tǒng)始于60年代末70年代初。第一個分層操作系統(tǒng)是由E.WDijkstra教授和他的學生在1968年開發(fā)的。分級操作系統(tǒng)通?？梢苑譃橛脩舫绦?、I/O管理、進程通信、存儲管理等層。一次一層結構程序無權修改其他層的數(shù)據(jù)，這也增加了系統(tǒng)的可靠性。

微核結構：隨著技術的發(fā)展，操作系統(tǒng)通常會添加一些新的功能，例如支持新的硬件設備，支持新的網(wǎng)絡通信能力或新興的軟件技術，并將其應用于分布式處理計算環(huán)境。為了實現(xiàn)這一目標，保證操作系統(tǒng)代碼的完整性，卡內基梅隆大學開發(fā)的Mach系統(tǒng)中采用了一種獨特的方法來解決這一問題，即微內核結構。微內核操作系統(tǒng)一般由兩部分組成:一部分是運行在內核態(tài)的內核，通常采用層次結構，構成基本操作系統(tǒng)；第二層是在用戶模式下運行，在客戶機/服務器模式下活動的流程層。即把操作系統(tǒng)除內核以外的其他部分分成幾個相對獨立的進程，每個進程完成一組服務，稱為服務器進程。

微內核是操作系統(tǒng)的小核心，提煉出各種操作系統(tǒng)需要的核心功能，形成微內核的基本功能。其基本功能包括進程調度、進程間通信和中斷處理，其他服務和功能放在內核之外。這種結構使操作系統(tǒng)具有可擴展性、可移植性和高可靠性的優(yōu)點。

實時操作系統(tǒng)可以分為三個基本組成部分。

激活組件:負責接收任務激活指令，管理處于就緒狀態(tài)的任務集。任務激活可以是時間驅動的(基于實時時鐘)，也可以是事件驅動的(比如中斷)。為了實現(xiàn)這個功能，這個組件需要使用所有任務的激活時間點和激活事件信息。

調度器:評估當前處于就緒狀態(tài)的任務，并制定調度策略，以優(yōu)先考慮每個任務的運行順序。

調度程序:管理所有任務所需的資源。一旦所需的資源得到滿足，具有最高優(yōu)先級的任務將運行。

最早的截止日期優(yōu)先：最早截止期優(yōu)先(EDF)，該算法的任務優(yōu)先級由任務截止期決定，并根據(jù)任務截止期動態(tài)分配。截止時間越早，優(yōu)先級越高。當檢測到一個事件時，相應的處理進程被添加到就緒進程表中，該表按截止時間排序，調度器總是使表中截止時間最早的進程運行。即使處理最緊急事件的進程優(yōu)先于處理器。

根據(jù)搶占方式的不同，最早截斷時間優(yōu)先調度算法可以分為非搶占式最早截斷時間優(yōu)先調度算法和搶占式最早截斷時間優(yōu)先調度算法。前者主要用于處理非周期性的實時任務，響應時間可達數(shù)百毫秒至數(shù)秒；后者用于處理周期性的實時任務，響應時間可以達到幾毫秒到100毫秒，甚至更低的調度延遲。

最小松弛優(yōu)先級：最小松弛度優(yōu)先(LLF)調度算法根據(jù)任務的緊急程度(或松弛度)來確定任務的優(yōu)先級。任務的緊急程度越高，給予它的優(yōu)先級就越高，這樣它就可以先被執(zhí)行。要計算每個進程的松弛時間，如果一個進程需要運行200毫秒，并且必須在250毫秒內結束，那么它的松弛時間就是50毫秒。該算法選擇具有最小凈空的進程來占用處理器，換句話說，該算法優(yōu)先考慮處理最小延遲事件的進程。

速率單調算法：單調速率算法是一種靜態(tài)優(yōu)先級調度算法，它假設系統(tǒng)中任務序列的截止期、執(zhí)行時間、執(zhí)行周期等參數(shù)已知。在該算法中，任務周期決定了任務優(yōu)先級。所有周期性任務按照周期的長短排序，即周期最短的任務優(yōu)先級最高，周期最短的任務優(yōu)先級次高，以此類推。如果把任務周期看作是任務執(zhí)行率的倒數(shù)，那么優(yōu)先級就是關于任務執(zhí)行率的單調遞增函數(shù)。例如，每20毫秒運行一次的進程的優(yōu)先級為50，每100毫秒運行一次的進程的優(yōu)先級為10。運行時調度程序總是以最高優(yōu)先級運行就緒進程。如有必要，奪取當前運行進程的處理器。

實時操作系統(tǒng)

固定優(yōu)先級調度：固定優(yōu)先級調度是指任務的優(yōu)先級被分配后，在任務運行過程中優(yōu)先級不會改變。它可以根據(jù)處于可運行狀態(tài)的線程的相對優(yōu)先級來實現(xiàn)調度。創(chuàng)建線程時，它會繼承原始線程的優(yōu)先級。必要時可以修改優(yōu)先級。在任何時候，如果有多個線程等待運行，系統(tǒng)會選擇具有最高優(yōu)先級的可運行線程來運行。只有當?shù)蛢?yōu)先級線程停止、自動放棄或由于某種原因而變得不活動時，它才能運行。如果兩個線程具有相同的優(yōu)先級，它們將交替運行。

循環(huán)調度：循環(huán)調度，也稱為循環(huán)調度，將處理時間平均分配給所有就緒的進程。同時在循環(huán)調度中定義了一個很小的時間單位，稱為時間量或時間片，時間片通常為10-100ms。就緒隊列被視為循環(huán)隊列，CPU調度程序循環(huán)就緒隊列，并為每個進程分配不超過一個時間片間隔的CPU。循環(huán)調度支持幾乎所有的作業(yè)，被認為是最公平的算法。

先到先服務服務調度：先來先服務(FCFS)當一個進程進入就緒隊列時，它的進程控制塊(PCB)被鏈接到隊列的尾部。當CPU空閑時，它被分配給隊列頭的進程。然后，從隊列中刪除正在運行的進程。FCFS策略的平均等待時間相當長，算法是非搶占式的。

多級隊列調度：多級隊列調度算法的基本思想是引入多個就緒隊列，通過區(qū)別對待每個隊列來實現(xiàn)綜合調度目標。在多級隊列調度中，根據(jù)進程的性質或類型，將就緒隊列分成若干子隊列，每個進程屬于一個就緒隊列，不同的隊列可以使用不同的調度算法。

多級反饋隊列調度：多級反饋隊列調度是循環(huán)調度算法和優(yōu)先級調度算法的結合，可以通過動態(tài)調整優(yōu)先級和時間片大小來兼顧各種系統(tǒng)目標。其主要思想是根據(jù)不同CPU間隔的特點來區(qū)分進程。如果一個進程使用了太多的CPU時間，它可能會被轉移到一個較低優(yōu)先級的隊列中。該方案將I/O約束和交互進程留在更高優(yōu)先級的隊列中。此外，在較低優(yōu)先級隊列中等待時間過長的進程將被轉移到較高優(yōu)先級隊列中。

優(yōu)先級反轉：優(yōu)先級反轉是指在采用基于優(yōu)先級的調度策略時，由于多個線程共享資源，低優(yōu)先級的線程會先于高優(yōu)先級的線程執(zhí)行的情況。優(yōu)先級反轉可能會使實時性要求高的線程錯過關鍵截止期，從而導致系統(tǒng)崩潰。為了避免優(yōu)先級反轉的問題，需要讓低優(yōu)先級線程盡快釋放關鍵資源，可以采用兩種方法:優(yōu)先級繼承和優(yōu)先級上限。

智能家居：在智能家居中，不同的設備之間可以相互通信，通過智能感應、交通控制、語音識別可以實現(xiàn)多個設備的聯(lián)動。智能家居幫助用戶以更便捷的方式管理家庭設備，提供高效舒適的生活和工作環(huán)境。

交通管理和汽車：在交通管理上，可以將物聯(lián)網(wǎng)技術與實時操作系統(tǒng)相結合，實現(xiàn)智能交通管理，可以進行實時分析，傳輸高校內城市道路交通狀況，合理規(guī)劃路線，緩解城市交通擁堵。例如，ADAS可以通過提供實時增強的可視化和與周圍環(huán)境的交互來改善駕駛員對車輛的控制。此外，實時操作系統(tǒng)可以實現(xiàn)對車輛的全面管理，特別是在電動汽車的電源管理方面，可以節(jié)省汽車的能耗，延長電池的使用壽命。

工業(yè)控制：在工業(yè)控制中，許多智能工業(yè)機器人的出現(xiàn)是實時操作系統(tǒng)相結合的結果。工業(yè)控制的要求往往很高，需要復雜的設備接口，在顯示屏上實時顯示這些設備和傳感器的狀態(tài)等信息。在一些環(huán)境惡劣、地面條件復雜的地區(qū)，可以通過內置實時操作系統(tǒng)的智能機器人實現(xiàn)無人值守監(jiān)控。

軍事：在高科技戰(zhàn)爭中，實時操作系統(tǒng)的應用越來越重要。它可以將衛(wèi)星定位、無線通信、圖像捕獲和傳輸?shù)裙δ芗傻教囟ǖ淖鲬?zhàn)環(huán)境中，如各種軍用電子設備、軍用雷達對抗通信設備、各種野戰(zhàn)指揮作戰(zhàn)專用設備等，都裝有實時操作系統(tǒng)。