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INtime實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）
For
Microsoft bbbbbbs XP
Microsoft bbbbbbs XP bbbbbded
Microsoft bbbbbbs XP bbbbbded with Service Pack 1 

引言

        人們正在越來(lái)越多地選擇 Microsoft bbbbbbs XP 和 bbbbbbs XP bbbbbded 操作系統(tǒng)來(lái)運(yùn)行需要某種實(shí)時(shí)性行為的專用應(yīng)用程序。bbbbbbs XP bbbbbded 與 bbbbbbs XP 桌面軟件基于相同的二進(jìn)制文件，它在許多方面都是可供選擇的最佳平臺(tái)，但 bbbbbbs XP bbbbbded 和 bbbbbbs XP 自己無(wú)法管理此類系統(tǒng)所需要的具有嚴(yán)格實(shí)時(shí)性要求，因此需要增強(qiáng)該平臺(tái)的實(shí)時(shí)功能。在bbbbbbs XP 平臺(tái)上添加實(shí)時(shí)擴(kuò)展方案時(shí)，已有許多解決方案在 bbbbbbs XP 內(nèi)核設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供了某種實(shí)時(shí)功能，但此類解決方案沒(méi)有考慮到為用戶提供可容易進(jìn)行應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的應(yīng)用環(huán)境，也沒(méi)有考慮對(duì)于許多應(yīng)用程序進(jìn)行調(diào)用。TenAsys Corporation 出品的 INtime 軟件可以做到不僅為應(yīng)用程序增加實(shí)時(shí)性功能，并且使實(shí)時(shí)應(yīng)用程序存在于強(qiáng)大、可靠和可調(diào)用資源的環(huán)境。


主要特性和功能

*成熟的實(shí)時(shí)技術(shù)
*無(wú)縫實(shí)時(shí)運(yùn)行，適用于bbbbbbs XP、bbbbbbs XP bbbbbded、bbbbbbs 2000和bbbbbbs Server 2003
*支持多進(jìn)程或系統(tǒng)（SMP和HT）——用于多進(jìn)程/多處理器的共享或獨(dú)占式實(shí)時(shí)資源分配選項(xiàng)
*完全與Microsoft Visual Studio .NET相集成——可編輯、編譯、鏈接和調(diào)試實(shí)時(shí)應(yīng)用程序，而無(wú)需退出Visual Studio .NET環(huán)境
*集成的聯(lián)機(jī)幫助
*可伸縮的體系結(jié)構(gòu)——實(shí)時(shí)應(yīng)用程序可與bbbbbbs一起本地運(yùn)行或跨多節(jié)點(diǎn)運(yùn)行
*用于實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的完全內(nèi)存保護(hù)和地址隔離
*實(shí)時(shí)TCP/IP通信stack——可獨(dú)立于bbbbbbs網(wǎng)絡(luò)stack運(yùn)行
*提供了DeviceNet、PROFIBUS、CANopen和ControlNet等驅(qū)動(dòng)程序
*實(shí)時(shí)USB stack支持OHCI、UHCI和EHCI控制器
*提供了GPIB（IEEE-488）和運(yùn)動(dòng)控制實(shí)時(shí)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序
*直接I/O和內(nèi)存映射，可訪問(wèn)所有的硬件
*用于周期性事件中斷的系統(tǒng)計(jì)時(shí)器粒度，其精度達(dá)100 μs
*郵箱、信號(hào)量、警報(bào)、區(qū)域和共享內(nèi)存IPC機(jī)制
*EC++庫(kù)符合最新的ANSI標(biāo)準(zhǔn)——同時(shí)支持異常處理和名稱空間
*可加載實(shí)時(shí)庫(kù)的實(shí)時(shí)共享庫(kù)（RSL）
*用于實(shí)時(shí)對(duì)象瀏覽和崩潰分析的INtime Explorer工具（INtex）
*INscope實(shí)時(shí)系統(tǒng)性能分析工具
一 INtime簡(jiǎn)介

        IRMX® RTOS 技術(shù)的發(fā)展已有25年以上的歷史，非常的成熟、可靠。INtime以此技術(shù)為基礎(chǔ)，它將強(qiáng)大的工業(yè)級(jí)控制與豐富的bbbbbbs功能相結(jié)合，從而使得應(yīng)用程序能夠充分利用所有bbbbbbs特性和成千上萬(wàn)現(xiàn)有的應(yīng)用程序，而無(wú)需犧牲實(shí)時(shí)響應(yīng)。使用TenAsys軟件來(lái)執(zhí)行實(shí)時(shí)bbbbbbs應(yīng)用程序不僅能夠降低軟件的復(fù)雜性，而且還可以壓縮冗余的硬件成本，顯著地壓縮了產(chǎn)品上市時(shí)間。
        通過(guò)使用INtime軟件，可獲得非常精確且穩(wěn)定的的微秒級(jí)響應(yīng)時(shí)間，并絲毫不會(huì)降低安全性、可靠性和系統(tǒng)性能。正如bbbbbbs應(yīng)用程序在用戶模式下（ring3）執(zhí)行時(shí)一樣，通過(guò)INtime的保護(hù)模式編程模型來(lái)進(jìn)行管理的實(shí)時(shí)應(yīng)用程序也可在用戶模式下執(zhí)行，因而獲得高穩(wěn)定性。其他類型的解決方案要求實(shí)時(shí)應(yīng)用程序在bbbbbbs內(nèi)核中（ring0）完全無(wú)保護(hù)地運(yùn)行，在這種情況下，可導(dǎo)致錯(cuò)誤指針、棧溢出、頁(yè)面錯(cuò)誤等編程錯(cuò)誤，這些將會(huì)十分明顯的影響到實(shí)時(shí)環(huán)境和bbbbbbs環(huán)境的穩(wěn)定性。但是，如果在INtime受保護(hù)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行實(shí)時(shí)應(yīng)用程序，就絕對(duì)不會(huì)發(fā)生這種問(wèn)題。
TenAsys實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)已在全球成千上萬(wàn)種應(yīng)用程序中得到驗(yàn)證，并且至今已無(wú)故障運(yùn)行了數(shù)百萬(wàn)小時(shí)。

二INtime 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

       INtime 是與 bbbbbbs 操作系統(tǒng)共享硬件平臺(tái)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。bbbbbbs中安裝的組件包括一個(gè) bbbbbbs內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序和一些 bbbbbbs 服務(wù)。該驅(qū)動(dòng)程序管理用于運(yùn)行內(nèi)核和實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的內(nèi)存，并且管理這兩個(gè)系統(tǒng)之間的通訊接口。
         bbbbbbs將實(shí)時(shí)內(nèi)核加載到已分配的內(nèi)存中，然后使Context從 bbbbbbs 切換到 INtime 內(nèi)核。將創(chuàng)建一個(gè)低優(yōu)先級(jí)線程，其功能是將計(jì)算機(jī)Context切換回 bbbbbbs 系統(tǒng)。因?yàn)樵摼€程將被所有其他實(shí)時(shí)線程占先，所以只要牽涉到實(shí)時(shí)內(nèi)核，bbbbbbs 系統(tǒng)都是實(shí)時(shí)系統(tǒng)的空閑任務(wù)。 在 INtime中，任何實(shí)時(shí)中斷都被直接處理，并且所有其他中斷都在中斷控制器被屏蔽。當(dāng)Context返回到 bbbbbbs 時(shí)，這些中斷將被解除屏蔽，以使其可以被 bbbbbbs 正常處理。當(dāng)在 bbbbbbs Context中發(fā)生實(shí)時(shí)中斷時(shí)，將插入 bbbbbbs IDT 以引起到 INtime Context的上下文切換，以便可以處理中斷。
          系統(tǒng)計(jì)時(shí)器通常在 bbbbbbs 和 INtime 之間共享。硬件計(jì)時(shí)器被改編以便以 bbbbbbs 要求的速率更高的速率中斷，并且只根據(jù)需要調(diào)用 bbbbbbs 處理程序。通常情況下，INtime 內(nèi)核以高得多的速率（時(shí)間間隔可以低至 100μs）獲得計(jì)時(shí)器中斷，以便提供更精確的計(jì)時(shí)服務(wù)。計(jì)時(shí)器處理優(yōu)化能夠避免在 bbbbbbs 和 INtime 之間進(jìn)行不必要的Context切換。
        某些硬件抽象層 (HAL) 入口點(diǎn)被截獲和監(jiān)控，以便防止 bbbbbbs 內(nèi)核執(zhí)行某些不需要的操作，例如屏蔽實(shí)時(shí)中斷或者更改硬件系統(tǒng)計(jì)時(shí)器頻率。HAL 文件不是由軟件修改或替換的。
         INtime 內(nèi)核為實(shí)時(shí)虛擬機(jī)提供操作系統(tǒng)服務(wù)。它提供此類內(nèi)核通常會(huì)提供的實(shí)時(shí)服務(wù)，包括一個(gè)基于優(yōu)先級(jí)的搶先式計(jì)劃程序，該程序執(zhí)行基于優(yōu)先級(jí)的中斷處理。線程優(yōu)先級(jí)的范圍是從 0（最高優(yōu)先級(jí)）到 255（最低優(yōu)先級(jí)），低于可配置的優(yōu)先級(jí)閾值的線程可以與多個(gè)具有相同優(yōu)先級(jí)的線程分享其時(shí)間片。內(nèi)核計(jì)劃程序已經(jīng)進(jìn)行優(yōu)化，以獲得最佳的中斷性能。得到的平臺(tái)表現(xiàn)出良好的性能，最重要的是它的行為是可預(yù)測(cè)的。
1 應(yīng)用程序環(huán)境
INtime 應(yīng)用程序環(huán)境被設(shè)計(jì)為具有下列功能：
每個(gè)進(jìn)程都是其他對(duì)象（包括線程和物理內(nèi)存）的容器。由該進(jìn)程所屬線程創(chuàng)建的每個(gè)對(duì)象都由該進(jìn)程所有，并且在進(jìn)程終止時(shí)不再存在。
每個(gè)進(jìn)程都具有一個(gè)與其他進(jìn)程的地址空間隔離的平面虛擬地址空間。進(jìn)程中的代碼以用戶模式（IA 權(quán)限等級(jí) 3）執(zhí)行，從而防止意外訪問(wèn)系統(tǒng)對(duì)象和數(shù)據(jù)。
每個(gè)進(jìn)程都可以直接訪問(wèn)處理器的輸入/輸出 (I/O) 空間，而且可以直接訪問(wèn)物在任何進(jìn)程中，都可以通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用以及用戶為中斷處理程序和線程編寫(xiě)的代碼來(lái)直接處理中斷。
錯(cuò)誤是按進(jìn)程分別處理的。默認(rèn)情況下會(huì)掛起出錯(cuò)的線程，并且向全局郵箱中寫(xiě)入一個(gè)記錄?？梢愿哪J(rèn)操作，以便能夠在出錯(cuò)地址進(jìn)入靜態(tài)系統(tǒng)調(diào)試器或應(yīng)用程序調(diào)試器。進(jìn)程還可以選擇獲得有關(guān)該進(jìn)程中錯(cuò)誤的通知。
2 提供了多個(gè) API 以便進(jìn)程可以使用系統(tǒng)服務(wù)。下面的部分中將詳細(xì)介紹這些 API。
通過(guò)將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給 bbbbbbs 服務(wù)以執(zhí)行所請(qǐng)求的操作，向?qū)崟r(shí)應(yīng)用程序提供 bbbbbbs 服務(wù)（對(duì)注冊(cè)表、事件日志和文件系統(tǒng)的訪問(wèn)）。
實(shí)時(shí) API
INtime 內(nèi)核提供的標(biāo)準(zhǔn) API 提供了適合于同步和通訊的對(duì)象，以及在進(jìn)程之間（包括 INtime 和 bbbbbbs 進(jìn)程之間）共享內(nèi)存的手段。所有對(duì)象都通過(guò)句柄引用，并且所有句柄對(duì)于實(shí)時(shí)系統(tǒng)都是全局的。對(duì)象包括：
（1）進(jìn)程
進(jìn)程擁有其他對(duì)象（包括其他進(jìn)程）和物理內(nèi)存。當(dāng)進(jìn)程創(chuàng)建時(shí)，將向其分配一個(gè)內(nèi)存池，它限制了可以分配給該進(jìn)程的物理內(nèi)存的數(shù)量。盡管 INtime 內(nèi)核使用分頁(yè)硬件進(jìn)行內(nèi)存管理，但它并不采用請(qǐng)求調(diào)頁(yè)功能。因此，進(jìn)程被限制在它可以分配的物理內(nèi)存量的范圍內(nèi)。進(jìn)程還具有對(duì)象編錄，可以在此命名對(duì)象?？梢园疵Q搜索該編錄。
（2）線程
線程總是由某個(gè)進(jìn)程所有，并且線程所創(chuàng)建的對(duì)象由其進(jìn)程所有。線程會(huì)被分配一個(gè)優(yōu)先級(jí)，范圍為從 0 到 254，其中 0 是最高優(yōu)先級(jí)。
（3）信號(hào)量
這些同步對(duì)象由一個(gè)線程隊(duì)列和一個(gè)計(jì)數(shù)器組成，類似于 Microsoft Win32 信號(hào)量。對(duì)象創(chuàng)建時(shí)，所有 INtime 線程隊(duì)列都可以被指定為先入先出 (FIFO) 隊(duì)列或優(yōu)先級(jí)隊(duì)列。如果是 FIFO 隊(duì)列，則線程按照等待順序排隊(duì)；如果是優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，則線程的排隊(duì)方式為優(yōu)先級(jí)較高的線程出現(xiàn)在隊(duì)頭。
（4）區(qū)域
這些對(duì)象是單個(gè)單元信號(hào)量，帶有防止優(yōu)先級(jí)顛倒的保護(hù)。它們采用標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)先級(jí)提升技術(shù)，以避免這種情況。另外，擁有區(qū)域的線程不能刪除，除非它放棄該區(qū)域。這些對(duì)象類似于 Win32 臨界區(qū)。
（5）郵箱
這些對(duì)象由一個(gè)線程隊(duì)列和一個(gè)消息隊(duì)列組成。郵箱可以將兩種類型的消息排隊(duì)。消息可以是其他對(duì)象的句柄，也可以是最多包含 128 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)消息。在 Win32 中沒(méi)有直接等效的對(duì)象。
（6）堆
堆對(duì)象類似于 bbbbbbs 堆。它為應(yīng)用程序提供動(dòng)態(tài)內(nèi)存源。
其他內(nèi)存對(duì)象
可以為內(nèi)存區(qū)域創(chuàng)建一個(gè)句柄，并且隨后將該句柄傳遞給另一個(gè)進(jìn)程以進(jìn)行映射。然后，可以從這兩個(gè)進(jìn)程中訪問(wèn)該內(nèi)存。

實(shí)時(shí) API 提供參數(shù)檢查和內(nèi)聯(lián)狀態(tài)報(bào)告。
（1） Win32 API
盡管 Win32 API 缺少一些用于實(shí)時(shí)編程的有用功能，INtime 仍然提供了一個(gè) Win32 API，以便方便地從 bbbbbbs 應(yīng)用程序傳輸代碼。該實(shí)現(xiàn)是 bbbbbbs CE Win32 實(shí)現(xiàn)的豐富子集，包括 Win32 對(duì)象的有用子集 (Waitbbbbultiplebbbbbbs)，并帶有擴(kuò)展以管理中斷和外圍設(shè)備互聯(lián) (PCI) 總線配置。
（2） bbbbbbs API
為 bbbbbbs 應(yīng)用程序提供了 API，以使其能夠共享在實(shí)時(shí)內(nèi)核上創(chuàng)建的對(duì)象。標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)對(duì)象和 Win32 對(duì)象都是可共享的，以便 bbbbbbs 和實(shí)時(shí)應(yīng)用程序可以同步和共享數(shù)據(jù)。阻塞調(diào)用由實(shí)時(shí)內(nèi)核上的代理線程池處理。
（3）C 庫(kù)與 C++ 支持
INtime 提供了美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局（與 ANSI 兼容）的 C 庫(kù)，以及用標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù) (STL) 提供了對(duì) EC++ (bbbbbded C++) ANSI 標(biāo)準(zhǔn)的支持。
（4）其他服務(wù)
提供了一個(gè)傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議 (TCP/IP) 的協(xié)議組，它派生于 BSD Net3 體系結(jié)構(gòu)。為 Intel、3Com 和 Realtek 接口適配器提供了以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序，并且為與 NE2000 兼容的 ISA 接口提供了以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序。通過(guò)串行線路網(wǎng)際協(xié)議 (SLIP) 支持串行鏈路。 以開(kāi)發(fā)工具包的形式提供了 USB 支持，以便開(kāi)發(fā) USB 客戶端軟件。為 Universal Host Controller (UHCI)、Open Host Controller (OHCI) 和 Enhanced Host Controller (EHCI) 接口提供了標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)程序。為一系列標(biāo)準(zhǔn)接口和行業(yè)接口提供了其他驅(qū)動(dòng)程序。
（5）可靠性功能
INtime 的用于增強(qiáng)可靠性的功能包括針對(duì)非災(zāi)難性系統(tǒng)錯(cuò)誤的異常處理以及 Distributed System Manager (DSM) ，它可以監(jiān)控 INtime 和 bbbbbbs 進(jìn)程，并可以在 bbbbbbs 操作系統(tǒng)失敗時(shí)進(jìn)行檢測(cè)和提供幫助。
（6）異常處理
INtime 內(nèi)核設(shè)計(jì)所關(guān)注的主要問(wèn)題之一是提供處理系統(tǒng)異常錯(cuò)誤（一般性保護(hù)錯(cuò)誤、頁(yè)面錯(cuò)誤、堆棧錯(cuò)誤等等）的非災(zāi)難性手段，并且盡量減少對(duì)實(shí)時(shí)內(nèi)核和 bbbbbbs 系統(tǒng)的損害。因此，實(shí)時(shí)系統(tǒng)具有一個(gè)默認(rèn)異常處理程序，該程序會(huì)向全局郵箱中寫(xiě)入一個(gè)記錄，詳細(xì)描述出錯(cuò)的線程及其環(huán)境，然后掛起出錯(cuò)的線程?？梢詮?INtime 或 bbbbbbs 系統(tǒng)中監(jiān)控該郵箱，并且存在可以從錯(cuò)誤記錄中提取信息（包括寄存器轉(zhuǎn)儲(chǔ)、堆棧跟蹤和相關(guān)調(diào)試信息）的工具。
（7）Distributed System Manager
Distributed System Manager（“DSM”）是一個(gè)協(xié)作性多進(jìn)程應(yīng)用程序，用于管理整個(gè) INtime 系統(tǒng)。任何進(jìn)程（bbbbbbs 或 INtime）都可以選擇監(jiān)控任何其他參與協(xié)作的進(jìn)程，或者被其他參與協(xié)作的進(jìn)程監(jiān)控。如果被監(jiān)控的進(jìn)程被刪除，或者到該進(jìn)程的通訊途徑被中斷，或者 bbbbbbs 系統(tǒng)或 INtime 系統(tǒng)被破壞，都會(huì)向監(jiān)控進(jìn)程發(fā)送通知消息。可以使用該服務(wù)來(lái)提供系統(tǒng)級(jí)完整性。
（8）bbbbbbs 停止處理
DSM 的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是它能夠檢測(cè)到 bbbbbbs 平臺(tái)何時(shí)失敗。如果出現(xiàn)這種情況，INtime 內(nèi)核中的 DSM 軟件將通知所有參與的進(jìn)程 bbbbbbs 已經(jīng)失敗，并且還將負(fù)責(zé)調(diào)度 bbbbbbs 的線程掛起。此時(shí)，INtime 內(nèi)核可以繼續(xù)無(wú)限期地執(zhí)行其進(jìn)程，而這些進(jìn)程可以選擇在此情況下采取特殊操作，例如使外圍設(shè)備進(jìn)入已知狀態(tài)。在稍后某個(gè)時(shí)刻，實(shí)時(shí)進(jìn)程可以選擇恢復(fù) bbbbbbs 線程，并使 bbbbbbs 可以繼續(xù)關(guān)閉和重置計(jì)算機(jī)。
（9）可擴(kuò)展性功能
INtime 操作系統(tǒng)能夠支持復(fù)雜的大型應(yīng)用程序。在上述共享體系結(jié)構(gòu)中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)典型的平臺(tái)能夠允許 INtime 內(nèi)核消耗 CPU 帶寬的 50% 到 60%，然后 bbbbbbs 圖形用戶界面 (GUI) 和其他服務(wù)才會(huì)開(kāi)始受到不利影響。INtime 中獨(dú)立內(nèi)核的優(yōu)勢(shì)是可以將它重定位到另一 CPU 或另一平臺(tái)，從而使應(yīng)用程序能夠隨著其對(duì)平臺(tái)的需求的增加而擴(kuò)大規(guī)模。接口模式將從虛擬機(jī)體系結(jié)構(gòu)更改為共享內(nèi)存，然后又更改為物理通訊鏈路（如以太網(wǎng)或串行線路），但 bbbbbbs 和實(shí)時(shí)應(yīng)用程序之間的軟件接口不會(huì)改變。這樣，無(wú)論選擇了哪種硬件體系結(jié)構(gòu)，都可以使用相同的二進(jìn)制文件。

3 小結(jié)
         TenAsys Corporation 的 INtime 軟件被設(shè)計(jì)為不僅能夠向 bbbbbbs 平臺(tái)添加實(shí)時(shí)功能，而且其添加這些功能的方式能夠?yàn)閷?shí)時(shí)應(yīng)用程序提供可靠且可伸縮的平臺(tái)。如果將該解決方案與 bbbbbbs XP bbbbbded 配合使用，則能夠?yàn)槟那度胧皆O(shè)備提供強(qiáng)大的、可擴(kuò)展的、確定性的操作系統(tǒng)。