嵌入式領(lǐng)域：Linux 與 RTOS 的巔峰對(duì)決！

大家好，我是雜燴君。

當(dāng)下，很多嵌入式設(shè)備都運(yùn)行著RTOS、Linux系統(tǒng)。這兩者有什么區(qū)別呢？

一、多方面對(duì)比

1. 實(shí)時(shí)性

實(shí)時(shí)性即保證任務(wù)在特定時(shí)間內(nèi)完成。衡量一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)堅(jiān)固性的重要指標(biāo)，是系統(tǒng)從接收一個(gè)任務(wù)，到完成該任務(wù)所需的時(shí)間，其時(shí)間的變化稱為抖動(dòng)。

可以依抖動(dòng)將實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)分為兩種：硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及軟實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)比軟實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有更少的抖動(dòng)：

硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

必須

使任務(wù)在確定的時(shí)間內(nèi)完成。軟實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能讓

絕大多數(shù)

任務(wù)在確定時(shí)間內(nèi)完成。

實(shí)時(shí)性是嵌入式RTOS與嵌入式Linux最本質(zhì)的區(qū)別。

實(shí)時(shí)性對(duì)比：

嵌入式RTOS：硬實(shí)時(shí)（μs級(jí)響應(yīng)），中斷延遲通常<10μs。具有強(qiáng)實(shí)時(shí)性，采用搶占式多任務(wù)調(diào)度算法，能確保關(guān)鍵任務(wù)在嚴(yán)格的時(shí)間期限內(nèi)完成，響應(yīng)時(shí)間可預(yù)測，適用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求極高的場景，如工業(yè)自動(dòng)化控制、航空航天等。

嵌入式Linux：Linux是作為通用操作系統(tǒng)開發(fā)的，其內(nèi)核在實(shí)時(shí)處理能力上先天不足，需通過CONFIG_PREEMPT_RT補(bǔ)丁優(yōu)化實(shí)時(shí)性，默認(rèn)軟實(shí)時(shí)（延遲>50μs），。雖然經(jīng)過實(shí)時(shí)補(bǔ)丁等改進(jìn)可實(shí)現(xiàn)一定的實(shí)時(shí)性，但本質(zhì)上是分時(shí)操作系統(tǒng)，其內(nèi)核不是專門為實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)，在處理高實(shí)時(shí)性任務(wù)時(shí)，響應(yīng)時(shí)間存在不確定性，一般用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求不苛刻的場景。

2. 內(nèi)核架構(gòu)

操作系統(tǒng)內(nèi)核根據(jù)架構(gòu)來分，可分為：宏內(nèi)核（Monolithic kernel）、微內(nèi)核（Microkernel）、混合內(nèi)核（Hybrid kernel）。

宏內(nèi)核（Monolithic kernel）、微內(nèi)核（Microkernel）、混合內(nèi)核（Hybrid kernel）的操作系統(tǒng)架構(gòu)如：

來源：wiki

宏內(nèi)核（Monolithic kernel）：

宏內(nèi)核被視作為運(yùn)行在單一地址空間的單一的進(jìn)程，內(nèi)核提供的所有服務(wù)，都以特權(quán)模式，在這個(gè)大型的內(nèi)核地址空間中運(yùn)作，這個(gè)地址空間被稱為內(nèi)核態(tài)（kernel space）。

微內(nèi)核（Monolithic kernel）：

微核心的設(shè)計(jì)理念，是將系統(tǒng)服務(wù)的實(shí)現(xiàn)，與系統(tǒng)的基本操作規(guī)則區(qū)分開來。它實(shí)現(xiàn)的方式，是將核心功能模塊化，劃分成幾個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程，各自運(yùn)行，這些進(jìn)程被稱為服務(wù)（service）。所有的服務(wù)進(jìn)程，都運(yùn)行在不同的地址空間。

混合內(nèi)核（Hybrid kernel）：

混合內(nèi)核結(jié)合了宏內(nèi)核與微內(nèi)核兩種內(nèi)核架構(gòu)?；旌蟽?nèi)核的基本設(shè)計(jì)理念，是以微內(nèi)核架構(gòu)來設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)內(nèi)核，但在實(shí)現(xiàn)上則采用宏內(nèi)核的作法?；旌蟽?nèi)核實(shí)質(zhì)上是微內(nèi)核，只不過它讓一些微核結(jié)構(gòu)執(zhí)行在用戶空間的代碼執(zhí)行在內(nèi)核空間，這樣讓內(nèi)核的執(zhí)行效率更高些。

內(nèi)核架構(gòu)對(duì)比：

嵌入式RTOS：多為微內(nèi)核（如Zephyr），無虛擬內(nèi)存管理（無MMU），系統(tǒng)調(diào)用為直接函數(shù)調(diào)用。內(nèi)核通常很精簡，只包含基本的任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理、中斷處理等功能，以保證系統(tǒng)的高效運(yùn)行和快速響應(yīng)，可根據(jù)具體需求進(jìn)行高度定制。

嵌入式Linux：宏內(nèi)核，依賴MMU實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)存，需用戶/內(nèi)核態(tài)切換（syscall接口）。內(nèi)核相對(duì)龐大復(fù)雜，支持多用戶、多任務(wù)，具備完善的內(nèi)存管理、進(jìn)程調(diào)度、文件系統(tǒng)等功能，提供了豐富的系統(tǒng)服務(wù)和接口，但也因此占用更多的資源。

3. 資源需求

嵌入式RTOS：

由于內(nèi)核精簡，對(duì)硬件資源要求較低，可在資源有限的微控制器（MCU）等設(shè)備上運(yùn)行，如一些簡單的傳感器節(jié)點(diǎn)、小型智能設(shè)備等。

嵌入式Linux：

因功能豐富、內(nèi)核復(fù)雜，需要較多的硬件資源支持，通常運(yùn)行在具有一定處理能力和內(nèi)存空間的微處理器（MPU）上，如工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、智能終端等。

4. 安全性

嵌入式RTOS：

系統(tǒng)功能相對(duì)單一，代碼量小，經(jīng)過嚴(yán)格的測試和驗(yàn)證，安全漏洞相對(duì)較少，且可針對(duì)特定安全需求進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)，適用于對(duì)安全性要求極高的安全關(guān)鍵系統(tǒng)。

嵌入式Linux：

開源特性使其容易受到安全威脅，不過開源也便于社區(qū)及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修復(fù)安全漏洞。同時(shí)，通過安全增強(qiáng)技術(shù)如SELinux等可提高其安全性，適用于對(duì)安全性有一定要求但非絕對(duì)安全關(guān)鍵的場景。

5. 學(xué)習(xí)難度/開發(fā)難度

嵌入式RTOS：

學(xué)習(xí)和開發(fā)相對(duì)簡單，其功能集中在實(shí)時(shí)任務(wù)處理，開發(fā)框架和API相對(duì)簡潔，開發(fā)者主要關(guān)注任務(wù)的劃分、調(diào)度和通信等，適合初學(xué)者和對(duì)實(shí)時(shí)性開發(fā)經(jīng)驗(yàn)較少的人員。

嵌入式Linux：

學(xué)習(xí)和開發(fā)難度較大，涉及內(nèi)核原理、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等復(fù)雜知識(shí)，開發(fā)過程需要掌握多種工具和技術(shù)，如交叉編譯、內(nèi)核裁剪、驅(qū)動(dòng)開發(fā)等，對(duì)開發(fā)者的技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)要求較高。

6. 核心內(nèi)容

嵌入式RTOS：

核心是實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度和管理，確保任務(wù)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成，重點(diǎn)關(guān)注任務(wù)的優(yōu)先級(jí)分配、時(shí)間片管理以及任務(wù)間的同步與通信。

嵌入式Linux：

核心是提供一個(gè)通用的、功能豐富的操作系統(tǒng)平臺(tái)，支持多種應(yīng)用開發(fā)，包括文件系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)等，以滿足不同領(lǐng)域的多樣化需求。

7. 網(wǎng)絡(luò)能力

嵌入式RTOS：

網(wǎng)絡(luò)功能相對(duì)較弱，需集成輕量級(jí)協(xié)議（如LwIP）。通常只支持基本的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如簡單的TCP/IP協(xié)議棧，以滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸需求，對(duì)于復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用支持有限。

嵌入式Linux：

具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，支持完整的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，包括TCP/IP、UDP等多種協(xié)議，能輕松實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)客戶端等復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，適用于需要頻繁進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)備，如網(wǎng)絡(luò)路由器、智能網(wǎng)關(guān)等。

8. 開發(fā)方式

嵌入式RTOS：

開發(fā)方式相對(duì)簡單，通常使用特定的集成開發(fā)環(huán)境（IDE），如IAR、Keil等，配合相應(yīng)的開發(fā)板進(jìn)行開發(fā)。開發(fā)環(huán)境配置相對(duì)容易，主要關(guān)注任務(wù)的編寫和調(diào)試。

嵌入式Linux：

開發(fā)方式較為復(fù)雜，需要搭建交叉編譯環(huán)境，涉及到宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)之間的通信和協(xié)作。常用的開發(fā)工具有GCC、Make等，開發(fā)過程需要進(jìn)行內(nèi)核編譯、驅(qū)動(dòng)開發(fā)、文件系統(tǒng)制作等多個(gè)環(huán)節(jié)，開發(fā)環(huán)境的搭建和配置相對(duì)繁瑣。

9. 學(xué)習(xí)資料

嵌入式RTOS：

學(xué)習(xí)資料相對(duì)豐富，主要集中在特定的RTOS產(chǎn)品手冊(cè)、官方文檔以及一些專業(yè)的嵌入式開發(fā)書籍上。

嵌入式Linux：

學(xué)習(xí)資料非常豐富，有大量的書籍、在線文檔、開源項(xiàng)目以及活躍的社區(qū)論壇，如Linux內(nèi)核官方文檔、Linux公社等，開發(fā)者可以方便地獲取各種技術(shù)知識(shí)和解決方案。

10. 運(yùn)行功耗

嵌入式RTOS：

由于系統(tǒng)簡單，在運(yùn)行時(shí)可以根據(jù)任務(wù)需求靈活控制硬件資源的使用，能較好地實(shí)現(xiàn)低功耗管理，支持μA級(jí)休眠模式（STOP/STANDBY），動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)（DVFS）優(yōu)化能耗。

適用于電池供電的設(shè)備，如物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)等。

嵌入式Linux：

因內(nèi)核復(fù)雜，需要持續(xù)運(yùn)行多個(gè)后臺(tái)進(jìn)程和服務(wù)，對(duì)硬件資源的使用相對(duì)較多，運(yùn)行功耗一般較高（通常>100mW），但通過一些節(jié)能技術(shù)和優(yōu)化措施，如電源管理框架（如CPUFreq），也可在一定程度上降低功耗，適合插電設(shè)備。

11. 啟動(dòng)速度

嵌入式RTOS：

毫秒級(jí)啟動(dòng)，啟動(dòng)速度快，內(nèi)核初始化時(shí)間短，能在短時(shí)間內(nèi)完成系統(tǒng)啟動(dòng)并進(jìn)入工作狀態(tài)，滿足一些對(duì)快速啟動(dòng)有要求的應(yīng)用場景，如工業(yè)控制中的緊急響應(yīng)設(shè)備。

嵌入式Linux：

秒級(jí)啟動(dòng)，啟動(dòng)過程涉及U-Boot引導(dǎo)、內(nèi)核加載、文件系統(tǒng)掛載、服務(wù)啟動(dòng)等多個(gè)環(huán)節(jié)，啟動(dòng)速度相對(duì)較慢，一般需要幾秒到幾十秒的時(shí)間，不過對(duì)于一些非實(shí)時(shí)性要求高的設(shè)備，如智能電視等，啟動(dòng)速度的影響相對(duì)較小。

12. 驅(qū)動(dòng)開發(fā)

嵌入式RTOS：

驅(qū)動(dòng)開發(fā)相對(duì)簡單，通常針對(duì)特定硬件平臺(tái)提供簡潔的驅(qū)動(dòng)接口，開發(fā)者只需根據(jù)硬件特性和RTOS的要求編寫基本的驅(qū)動(dòng)程序，主要關(guān)注硬件的初始化和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

嵌入式Linux：

驅(qū)動(dòng)開發(fā)較為復(fù)雜，需要深入理解Linux內(nèi)核的驅(qū)動(dòng)模型，如設(shè)備樹、字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)、塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)等，開發(fā)過程需要遵循嚴(yán)格的內(nèi)核編程規(guī)范，涉及到大量的內(nèi)核代碼編寫和調(diào)試工作。

13. 應(yīng)用開發(fā)

嵌入式RTOS：

應(yīng)用開發(fā)主要圍繞實(shí)時(shí)任務(wù)展開，注重任務(wù)的邏輯實(shí)現(xiàn)和時(shí)間控制，開發(fā)語言一般以C、C++為主，開發(fā)框架相對(duì)簡單，主要用于實(shí)現(xiàn)特定的實(shí)時(shí)控制功能。

嵌入式Linux：

應(yīng)用開發(fā)更加多樣化，支持多種編程語言，如C、C++、Python等，可借助豐富的庫和框架進(jìn)行開發(fā)，能實(shí)現(xiàn)包括圖形界面、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、數(shù)據(jù)處理等在內(nèi)的復(fù)雜應(yīng)用。

14. 圖形用戶界面開發(fā)

嵌入式RTOS：

本身對(duì)圖形用戶界面（GUI）的支持有限，若要實(shí)現(xiàn)GUI，需要額外添加專用的輕量級(jí)GUI庫（如LVGL、emWin），且功能相對(duì)簡單，適用于對(duì)界面要求不高的設(shè)備，如簡單的工業(yè)控制終端。

嵌入式Linux：

有豐富的GUI庫和工具，如Qt、GTK等，能開發(fā)出功能強(qiáng)大、界面美觀的圖形用戶界面，適用于智能終端、車載信息娛樂系統(tǒng)等對(duì)用戶體驗(yàn)要求較高的設(shè)備。

15. 崗位發(fā)展路線、前景

嵌入式RTOS：

崗位發(fā)展路線主要集中在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)開發(fā)、硬件驅(qū)動(dòng)工程師等方向，隨著工業(yè)自動(dòng)化、智能制造等領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)掌握嵌入式RTOS技術(shù)的人才需求持續(xù)增長，尤其是在汽車電子、航空航天等高端制造業(yè)，具有較好的發(fā)展前景。

嵌入式Linux：

崗位發(fā)展路線較為廣闊，可從事內(nèi)核開發(fā)工程師、系統(tǒng)移植工程師、應(yīng)用開發(fā)工程師等多種崗位。在物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、智能交通等熱門領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，市場需求大，發(fā)展前景良好，且由于技術(shù)難度較高，相關(guān)人才的薪資待遇也相對(duì)較高。

二、決策樹

進(jìn)行了那么多方面的對(duì)比。什么時(shí)候選用RTOS？什么時(shí)候選用Linux呢？

以上就是本次的分享。