RTOS與OS的區別

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作業系統（OS）是一種系統軟體，它管理計算機硬體和軟體，併為程式和使用者提供服務和功能。即時作業系統（RTOS）是作業系統的一部分，旨在為時間關鍵型應用程式提供可預測和確定性的行為。雖然RTOS和通用作業系統具有一定的相似性，但它們也存在一些主要差異。

閱讀本文以瞭解更多關於RTOS和OS的資訊，以及它們之間是如何不同的。

什麼是即時作業系統？

即時作業系統（RTOS）是一種旨在在遵守時間關鍵型應用程式嚴格時間限制的同時提供即時行為的作業系統。它專注於確保重要任務按時完成，從而導致確定性和可預測的行為。讓我們深入瞭解RTOS的細節 -

即時行為

• 確定性 - RTOS確保任務在稱為截止日期的時間限制內完成。它具有確定性行為，這意味著其響應時間是可預測且一致的。

• 時間約束 - RTOS區分硬即時任務和軟即時任務。硬即時任務具有嚴格的截止日期，未能滿足這些截止日期可能會導致系統故障或安全風險。軟即時任務的截止日期更靈活，未能滿足這些截止日期可能會導致系統性能下降，但不會致命。

任務排程

• 搶佔式排程 - RTOS使用搶佔式排程，允許更高優先順序的程序中斷較低優先順序的任務。當更高優先順序的任務就緒時，它將優先於當前任務，確保關鍵任務得到立即關注。

• 基於優先順序的排程 - 在RTOS中，任務按優先順序排序，更高優先順序的任務獲得更多的CPU時間。排程程式確保優先順序最高的任務首先完成，從而快速響應時間關鍵事件。

• 排程演算法 - 速率單調排程（RMS）、最早截止日期優先（EDF）和固定優先順序排程是RTOS中使用的常見排程演算法。這些演算法根據任務的截止日期對任務進行優先順序排序，並有助於有效地滿足即時要求。

資源管理

• 中斷處理 - RTOS提供有效的中斷處理系統，使關鍵程序能夠快速響應外部事件。中斷服務例程（ISR）旨在以最小的開銷執行，確保及時處理時間關鍵事件。

• 快速上下文切換 - 上下文切換是在切換任務時儲存和恢復任務狀態的過程。RTOS最佳化上下文切換以減少程序之間的時間，從而實現更快的響應時間和更低的延遲。

服務和功能

• 計時器和時鐘 - RTOS提供精確的計時服務，例如計時器和時鐘，以正確計劃週期性任務或事件。

• 通訊和同步 - RTOS提供任務間通訊技術，例如訊息傳遞、共享記憶體和事件標誌，允許程序有效地同步和通訊資料。

• 電源管理 - 一些RTOS具有電源管理工具，以最佳化能耗，尤其是在電池供電或資源有限的裝置上。

應用領域

在航空航天和國防系統、汽車系統、工業自動化、醫療裝置、機器人和電信等領域，時間、確定性和即時效能至關重要。

流行的即時作業系統（RTOS）包括FreeRTOS、VxWorks、QNX、eCos和RT-Linux。

什麼是作業系統（OS）？

作業系統（OS）是一種軟體應用程式，充當計算機硬體和軟體應用程式之間的橋樑。它維護系統資源，充當使用者和應用程式與計算機互動的介面，並協調多個任務的執行。以下提供了對作業系統的關鍵方面的廣泛解釋 -

程序和任務管理

• 程序建立和控制 - 程序是正在執行的程式的例項，由作業系統建立和管理。它將系統資源分配給程序，安排它們的執行，並允許它們相互通訊和同步。

• 多工處理 - 多工作業系統允許在單個計算機上同時執行多個程序或任務。它使用排程演算法將CPU時間分配給不同的程式，從而產生並行操作的錯覺。

• 程序同步 - 作業系統提供的技術（例如訊號量、互斥量和條件變數）允許程序同步其操作。這些技術確保安全訪問共享資源並避免衝突。

記憶體管理

• 記憶體分配 - 作業系統維護計算機的記憶體資源，將記憶體分配給程序和應用程式。它監控記憶體可用性，將記憶體塊分配給程序，並在程序停止時處理記憶體釋放。

• 虛擬記憶體 - 虛擬記憶體是許多現代作業系統的一項功能，它允許程序訪問超出物理可用記憶體的記憶體。虛擬記憶體為程序提供一致的地址空間，並實現有效的記憶體管理和保護。

檔案系統管理

• 檔案組織 - 作業系統包含一個檔案系統，用於組織和管理儲存裝置（如硬碟驅動器或固態驅動器）上的資料。它定義了一個資料夾和檔案的層次結構，使用者和應用程式可以使用它來儲存、檢索和修改資料。

裝置管理

• 裝置驅動程式 - 裝置驅動程式允許作業系統與各種硬體裝置（如鍵盤、滑鼠、印表機和網路介面）通訊。這些驅動程式將OS請求轉換為裝置可接受的命令，從而實現通訊和控制。

• 輸入/輸出（I/O）管理 - 作業系統控制輸入和輸出操作，確保資料在裝置和程序之間正確傳遞。它處理I/O請求的緩衝、排隊和排程，併為應用程式提供標準化的介面以執行I/O操作。

使用者介面

• 命令列介面（CLI） - 一些作業系統提供基於文字的介面，使用者可以透過鍵入命令與系統互動。作業系統解釋這些命令並執行所需的運維。

• 圖形使用者介面（GUI） - 許多現代作業系統提供圖形使用者介面（WIMP），它使用視窗、圖示、選單和指標。GUI提高了使用者友好性，並允許透過滑鼠點選和手勢進行互動。

RTOS與OS的區別

下表突出顯示了RTOS和OS之間的主要區別 -

特性	RTOS	OS
複雜度	輕量級，旨在最大限度地減少開銷並降低複雜性。	更復雜，支援各種應用程式和硬體配置。
應用領域	通常用於時間和確定性至關重要的領域，例如航空航天、汽車、工業控制系統、醫療裝置和機器人。	適用於更廣泛的應用程式，包括臺式計算機、伺服器、移動裝置和消費電子產品。
示例	FreeRTOS、VxWorks、QNX、eCos和RT-Linux	Windows、macOS、Linux和Unix變體
資源利用率	針對最少的資源使用和有效的記憶體管理進行了最佳化。	針對有效的資源利用和使用者體驗進行了最佳化
成本	高成本	低成本
確定性	確定性執行，保證時間和截止日期	非確定性執行，不保證時間或截止日期
即時行為	提供確定性行為	主要專注於多工處理和資源共享。

結論

處理即時任務的能力將即時作業系統（RTOS）與通用作業系統（OS）區分開來。

RTOS旨在提供預定的行為，確保關鍵任務在指定的時間約束或截止日期內完成。它透過使用基於優先順序的搶佔式排程、有效的資源管理和專門的技術來最佳化即時效能。在時間和確定性至關重要的行業（例如航空航天、汽車和工業控制系統）中，RTOS通常被使用。

最後，RTOS和通用OS之間的選擇取決於應用程式的具體需求。當時間和確定性至關重要時，RTOS通常是最佳解決方案，而對於需要靈活性和多工處理以及廣泛功能的應用程式，通用OS是最佳選擇。