现今许多嵌入式系统设计皆同时运用微控制器技术及数字讯号处理（DSP）技术。控制应用需要有效率地处理位层级的控制及状态信息，并且执行快速的中断反应。行动通讯装置倚赖DSP处理高速语音与图像处理作业，并运用微处理器管理用户接口及其他一般处理作业。此类汇整型架构包括Freescale的DSP56800E及ARM的ARM11核心，其内部配备16位加乘运算（MAC）指令及一套管线化微架构，其运作效能近似于传统DSP的速度。

组件制造商为因应市场需求，将控制与数据面的处理功能整合至单一芯片。微控制器制造商进一步扩充其架构，并将之纳入各种DSP功能，例如MAC加乘运算指令、多重总线与内存架构及特殊地址产生（special address generation）等。DSP制造商则在组件中加入各种功能，例如整合型外围组件、中断趋动的I/O、定时器及容量更大的外部内存，提供MCU所须具备的程序代码密度，为DSP带来高效能与低耗电的效益。除了上述Freescale的DSP及ARM11等单核心方案外，德州仪器的OMAP系列组件也是双处理器组件结合控制与讯号处理架构设计的最佳典范。

虽然处理架构不断持续演变，但支持的实时操作系统（RTOS）在过去20年来却始终不变。典型的实时操作系统以类似的模式运作，运用一套task-based执行模式，每个作业都有自己独立的资源堆栈；先占式多任务、优先权限的作业排程；以一组服务用来管理事件、时序与内存、并于各作业流程之间移动数据以及处理中断。

由于上述RTOS方案的静态特性，许多嵌入式系统开发业者已将RTOS功能视为基本组件，唯一的市场区隔仅有市场价格以及内建的中间件，包括网络堆栈、BSP/趋动程序及文件系统等。开发业者必须配合这些RTOS的架构与模型来调整本身的应用产品。

新的RTOS架构

有鉴于此，业界显然需要一套新的RTOS架构，该架构需能支持日趋统合的处理模型、降低系统复杂度，并且能够针对应用需求进行调整，以降低单位成本并加快研发时间。该架构可能需要具备下列功能：

接下来将针对上述RTOS功能作深入且详尽的探讨。

汇整型处理

针对汇整型处理所构建的RTOS模型能够运用一套通用API来满足讯号处理器、控制/实时处理以及一般处理作业的需求。

数字讯号处理具有数据流的特性，必须以不中断的模式在一个区块数据中（通常是一个回路）执行算法，同时将另一个区块的数据传递到序列中的另一个阶段。DSP处理作业通常涉及高频率I/O，因此RTOS必须在最短延迟时间内响应各个中断。由于每个区块的数据代表一个新的运算环境，因此在每个运行时间间仅须储存少量的信息。在理想状态下，RTOS会储存与回复DSP作业周期间的最少量信息传输流程，并在作业排程器与核心服务上耗用最低程度的资源。此外，RTOS亦允许调整层级较低的工作，并提高讯号处理工作的优先级。

实时/控制作业能够暂停并等候其他的同步作业。为支持此种的需求，控制应用通常会采用多任务型RTOS，而RTOS内的排程器会根据工作的优先级来决定CPU控制权的取得。不论是否有作业变更或状态交换，RTOS都须储存与回复处理作业的状态。这些动作通常涉及储存与大量位数据的回复且会耗用许多处理器运算周期；此类动作使处理作业能根据系统目前的动态来终止或启动作业，这对于实时处理作业而言相当有利，但对于处理作业本身却是不愿乐见的状况。

一般的运算通常不需要像实时处理作业内所要求的排程机制等这类决定性或先占式的排程（deterministic and preemptive scheduling）。在正常情况下，轮转式排程（round-robin scheduling）已足以应付实际的需求。另外，此类处理作业亦时常运用另一种轮转排程的衍生技术—时槽排程（time-slice scheduling）。就其性质而言，一般处理作业并不需要实时传输，因此对于作业排程的要求不会比实时/控制作业还要严苛。

多重核心

要运用现有的RTOS技术来支持一个多重核心系统的执行作业，就必须为每个处理器或核心配置不同的操作系统。为降低复杂度，研发业者必须采用相同的RTOS模块来区别处理模块，或构建一个抽象层，以便于不同操作系统间进行通讯，如(图一）。

《图一 针对每种运算模型所建置的多重核心与RTOS》

对于多重核心的应用而言，理想的RTOS应将系统视为单处理器，并能在异质或同构型的多重核心环境中，透过多个处理器来执行程序代码。这种RTOS应能处理跨处理器通讯（IPC)），并支持各种总线与通讯架构，如(图二）。

《图二 支持多重核心应用的新一代RTOS》

内存扩充

目前市面上简易的RTOS都能以内建或外部模块，或是子系统的功能进行内存扩充。但由于大型模块大多采用内建或外接式的模式，无法选择或排除底层的组件，因此这种模式的弹性相当有限。为了在不牺牲应用系统效能的前提下，达到最小的内存组件尺寸，研发业者必须全盘控制核心服务，且不编辑使用率低或不必要的程序代码。

理想的RTOS应协助用户编辑分类定义以纳入/排除各个属性与服务，藉此调整组件核心的容量。运用这种定义模式所构建的核心组件能在更小容量、使用更少RAM的情况下，仍能提供丰富的核心服务。

可扩充平台

新型态的RTOS架构协助研发业者轻易地转移至新硬件，并延用宝贵的程序代码与相同的API架构、语法及程序组件，支持各种独立型、微控制器或多重核心/多处理器的组件。

虽然延用程序代码及支持未来设计环境的弹性优势相当明确，但在实际环境中，研发业者的选择却显得相对有限。在规划下一个项目时，研发工程师须延续前任工程师的硬件/软件决策，否则就须忍受开发新应用所衍生的昂贵成本与大量时间。甚至有时在为项目选择操作系统时，完全是根据项目的需求来决定，而没有考虑未来移植程序代码所衍生的成本。

RTXC Quadros 实时操作系统

针对上述对新型态RTOS架构的期盼，许多开发人员及厂商都积极研究符合需求的RTOS。以Quadros最新发展的RTXC Quadros ROTS为例，它是新一代的RTOS，能支持传统及汇整式处理环境。RTOS搭载两个核心架构RTXC/ss与RTXC/ms，可分别单独使用或同时运用。

《图三 两种核心架构可单独或同时使用》

RTXC/ss运用协同式多重线程架构，适合支持各种数据面应用。所有线程都在同一堆栈内运作，除了占先模式外，不会储存任何状态。此种模块的延迟相当低，且通常在不到5Kbytes的内存内运作。RTXC/ms在控制面处理上运用传统多任务架构，每个工作都拥有自己的堆栈，是针对需要占先式排程的优先式工作所设计。

《表一 RTXC Quadros内部两种核心架构的比较》

结论

硅组件制造商不断运用尖端的处理架构，整合微控制器与DSP功能。这些新硅组件架构需要新一代的RTOS，使应用程序能充份发挥这种新型态的处理技术。新一代RTOS必须能在单处理器与多处理器环境中支持控制面与数据面的处理作业、提供可微调的内存扩充机制以管理内存组件的尺寸、并能轻易调整以配合程序的运算需求、运用通用的API协助系统从复杂度较低的环境轻易转移至较复杂的环境，且延用旧有的程序代码。随着新一代RTOS的发展，研发业者能更充份发挥汇整处理技术所带来的利益。（作者为Quadros Systems营销总监）

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