1. 引言
实时操作系统（Real-Time Operating System，RTOS）能够在严格的时间要求下执行操作系统任务并响应外部事件。实时系统非常重要，因为对于一些需要高效的数据处理和响应及时的任务，比如汽车控制、医疗设备监控、无人机导航和工业自动化等应用，系统的响应速度和正确性是至关重要的。
Linux 实时操作系统由于其优异的性能和强大的可定制性，已经被广泛应用。随着工业 4.0 和物联网的发展，实时 Linux 系统的需求和研发趋势也在不断增强。
2. 实时 Linux 的意义
实时 Linux 可以使数据处理更加高效和实时响应。传统 Linux 内核是基于时间片轮转的，即时间片的长度是固定的，当完成一个时间片后切换到下一个进程。但是，时间片轮转的机制不能保证对实时事件的响应，因为在某些情况下，进程只能在特定的时间内完成操作或响应事件。实时 Linux 为解决这个问题提供了一种新的方法。
相对于普通 Linux 内核，实时 Linux 的一个主要优点是它可以根据需要适应不同环境下的数据处理和响应要求。在实时系统中，精度的要求通常与应用程序紧密关联，高精度通常需要对 CPU 资源使用方式进行控制，以确保响应的实时性。这就需要实时操作系统对进程、中断和 I/O 进行管理和协调，以实现精准且实时的响应。
2.1 实时 Linux 比较普通 Linux 的区别
相对于传统的 Linux 内核，实时 Linux 内核提供了以下优势：
更高效：实时 Linux 应用程序对 CPU 的使用更有效率，响应时间更短。
更容易控制：实时 Linux 可以根据不同的需求控制不同的进程，更容易管理（操作）。
更稳定：实时 Linux 遵循真实世界的时间和需求变化，可以让应用程序更稳定和可靠。
更容易处理复杂乱序的事件。
2.2 实时 Linux 适用的领域
实时 Linux 系统广泛应用于电信、航空、工业控制、医疗、无人驾驶汽车等领域，为多种应用提供了极高的可靠性和响应速度。
例如，空中交通管理系统（ATM）和飞行控制系统需要能够即时响应和控制所有的飞机。使用实时 Linux 系统，可以每秒超过 8000 次地接收和发送数据，来确保所有机组人员和机场地面工作人员的准确信息传达。
3. 实时 Linux 内核技术
实时 Linux 系统的内核技术，主要包括：
调度器：实时 Linux 内核系统使用特殊的定时器来管理 CPU 时间，以确保应用程序能够在预设时间内完成任务。
触发器：实时事件需要在到达时立即处理。触发器可以识别和处理多种实时事件并在特定条件下执行。
内核（系统）信号量：实时系统需要保证多个进程的操作不会相互干扰。
实时扩展：实时系统对协同工作的支持，通过应用实时扩展支持 Futex、Mutex、Semaphore 等关键任务的开发和扩展。实时扩展还提高了公共协作并允许资源共享，在复杂的系统中帮助简化任务。
实时驱动程序：驱动程序来自用户或其他系统，可在实时系统周期中执行所需的 IO 操作。
3.1 调度器
实时 Linux 系统的进程调度器非常重要，直接关系到整个系统的响应速度。
Linux 系统的普通进程任务是使用 schedule() 函数进行调度，调度器是基于时间片轮转（Round Robin）和抢占式的（preemptive），调度程序按照进程队列的优先级来选择下一个进程。
/* Linux 调度器的基本结构 */
struct sched_entity {
/* 进程的普通优先级 */
int prio;
/* 当前进程等待时间的预测，以毫秒为单位 */
struct load_weight load;
};
struct task_struct {
/* 进程的任务 ID */
pid_t pid;
/* 进程所属的进程组 */
pid_t tgid;
/* 进程的状态 */
int state;
/* 进程的优先级 */
int prio;
/* 进程的内核栈 */
struct thread_info *stack;
/* 进程的处理器计数器 */
int cpu;
/* 上下文信息 */
struct context context;
/* 进程的内存映射 */
struct mm_struct *mm;
/* 进程的代码 */
struct code code;
/* 进程的属性信息 */
struct attrs attrs;
/* 抢占点 */
struct preempt_point preempt;
};
而在实时系统中，调度程序的功能有所变化，它需要在最短时间内从进程队列中找到实时进程。
/* 实时进程的基本结构 */
struct rt_prio_array {
/* 给定优先级级别队列的数量 */
unsigned int nr_queues;
/* 队列头指针 */
struct list_head queue[MAX_RT_PRIO + 1];
};
struct rt_sched_rt_entity {
/* 此实体的当前调度优先级 */
int priority;
/* 实体的当前状态 */
enum hrtimer_mode mode;
};
struct rt_sched_entity {
/* 维护 RT 实体 */
struct sched_entity se;
/* 父实体（重计数的）的引用，场景中可能更新 */
struct rt_sched_rt_entity rt;
};
struct rt_rq {
/* 配置了此进程号的全部 cpu */
struct cpumask *cpu_mask;
/* 实时队列，按优先级归类 */
struct rt_prio_array active;
/* $heap$ */
struct rt_prio_array feedback;
/* 当前调度的实体 */
struct rt_sched_entity *curr;
/* 允许的最低优先级 */
struct rt_sched_rt_entity *rt_se;
};
3.2 触发器
在实时 Linux 系统中，触发器是一种机制，能够识别和处理多种实时事件并在特定条件下执行。通过调用相应的系统调用和应用程序接口（API），用户可以在不同的应用场景中实现定时、即时触发和自定义触发器，以便随时响应各种条件和事件。
/* 实时触发器的基本结构 */
struct hrtimer {
/* 定时器的到期时间 */
ktime_t expires;
/* 定时器触发时执行的动作 */
struct callback_head callback;
/* 定时器状态 */
enum hrtimer_mode mode;
};
4. 实时 Linux 的应用
实时 Linux 系统的广泛应用中，以下是具有代表性的一些应用：
4.1 工业自动化
工业自动化是实时 Linux 系统的主要应用之一。实时 Linux 系统可以用于通过数字控制和数据采集系统来解决根据工业标准进行控制和监测的问题。实时 Linux 可以轻松在网络测量和数据库记录之间交换数据，帮助提高产品生产效率。
4.2 医疗设备监控
实时 Linux 系统可以在医疗设备监控中提高安全性、可靠性和状态监测度。与传统计算机系统相比，实时操作系统更能保障多节点监控系统的各种数据的实时处理和正确处理。
4.3 无人驾驶汽车
无人驾驶汽车需要高度的精准度和实时性能才能进行安全的操作。实时 Linux 系统可以通过保持内核执行有效和响应性的可调度属性，从而实现无人驾驶操作。
4.4 航空管制
实时 Linux 系统特别适用于需要高度响应的航空管制。一个高度可调度和精度的实时操作系统，可以轻松监督航班的位置、速度、高度等参数，确保所有飞机可以在规定的时间内到达目标位置并完成任务。
5. 总结
实时 Linux 操作系统用于数据处理和解决实时响应问题，能够为各种工业、医疗、交通和航空应用提供极高的效率和安全性。实时操作系统的核心技术，如调度器和触发器，以及在不同应用场景中各种实时扩展的支持，让 Linux 操作系统在不同领域中得到了广泛的应用。