演講嘉賓 | 陸 道

回顧整理 | 廖 濤

排版校對 | 宋夕明

嘉賓介紹

OS內(nèi)核及視窗分論壇

陸道，誠邁科技（南京）股份有限公司資深研發(fā)工程師。

正文內(nèi)容

實時性是操作系統(tǒng)內(nèi)核在特定應用場景中不可或缺的特性，它通過多種技術手段確保系統(tǒng)在規(guī)定時間內(nèi)完成任務，從而滿足高可靠性、高響應速度的需求。OpenHarmony的實時性是如何實現(xiàn)的，又有哪些進一步的優(yōu)化方案？誠邁科技（南京）股份有限公司資深研發(fā)工程師陸道在第三屆OpenHarmony技術大會上進行了精彩分享。

在當今數(shù)字化與智能化飛速發(fā)展的時代，操作系統(tǒng)內(nèi)核的實時性已經(jīng)成為眾多關鍵應用場景的核心需求：（1）在物聯(lián)網(wǎng)領域，實時性是確保設備高效運行和數(shù)據(jù)準確傳輸?shù)年P鍵。例如，智能家居系統(tǒng)需要實時響應各種傳感器數(shù)據(jù)，以便實現(xiàn)對家居設備的精準監(jiān)控和控制；（2）在工業(yè)自動化場景中，實時性關乎生產(chǎn)效率和設備安全。例如，電力系統(tǒng)需要在10毫秒內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集，而工業(yè)控制中的PLC需要在固定時間內(nèi)完成動作以滿足協(xié)作要求；（3）智能交通系統(tǒng)同樣對實時性提出了極高的要求，如實時監(jiān)測道路交通狀況，優(yōu)化交通流量分配等。然而，實現(xiàn)高效的實時性并非易事，其需要操作系統(tǒng)內(nèi)核在任務調(diào)度、中斷處理以及資源管理等多個層面進行深度優(yōu)化，以確保系統(tǒng)能夠在極短的時間內(nèi)做出響應。

如何評估一個內(nèi)核的實時性是否高效？可以從以下幾個實時性衡量指標進一步了解：

對于內(nèi)核實時性而言，主要的衡量指標包括中斷響應時間、任務切換時間、任務搶占時間以及吞吐量等。其中，中斷響應時間指從系統(tǒng)接收到中斷信號到開始執(zhí)行中斷服務例程（ISR）的時間間隔。在實時系統(tǒng)中，快速的中斷響應時間是至關重要的，因為它直接影響系統(tǒng)對突發(fā)事件的處理速度；而任務切換時間指從一個任務被掛起到另一個任務被調(diào)度并開始執(zhí)行的時間間隔。在實時系統(tǒng)中，任務切換時間的長短會影響系統(tǒng)對多個任務的處理效率，尤其是在任務之間需要頻繁切換的場景中。

對于任務實時性而言，主要的衡量指標包括任務的最短時延、最長時延以及平均時延等。其中，最短時延是指系統(tǒng)在最佳情況下，從事件發(fā)生到做出響應的最短時間。其反映了系統(tǒng)在理想狀態(tài)下的響應速度；最長時延是指系統(tǒng)在最壞情況下，從事件發(fā)生到做出響應的最長時間。其反映了系統(tǒng)在極端條件下的響應速度，對于硬實時系統(tǒng)來說，最長時延必須滿足任務的截止時間要求；平均時延是指系統(tǒng)在一段時間內(nèi)，所有任務時延的平均值。它反映了系統(tǒng)在正常運行情況下的平均響應速度。

此外，影響內(nèi)核的實時性因數(shù)包括時鐘節(jié)拍tick、調(diào)度算法、資源等待時間以及多任務等。

OpenHarmony的實時性優(yōu)化策略主要如下：

一、內(nèi)核實時性補丁。該方案通過多維度的優(yōu)化措施，從內(nèi)核調(diào)度、中斷處理、內(nèi)存管理到應用層優(yōu)化，全面提升系統(tǒng)的實時性能。這些優(yōu)化措施不僅提升了系統(tǒng)的響應速度和穩(wěn)定性，還為開發(fā)者提供了靈活的定制化方案，滿足不同場景下的實時性需求。其優(yōu)點包括開發(fā)效率高，工具多，優(yōu)化手段多，且提升了任務切換時間以及中斷響應時間。但是，由于任務的多樣化以及復雜性，僅通過內(nèi)核實時性補丁的方法，無法保證任務的最大時延，且任務的安全性也無法保障。

二、虛擬方案（Jailhouse）。Jailhouse是一種輕量級的硬件輔助虛擬化技術，旨在允許多個操作系統(tǒng)在同一硬件平臺上并行運行，同時保證資源隔離和實時性。在OpenHarmony中，Jailhouse被用于實現(xiàn)RTOS的虛擬化，支持高效、低延遲的運行環(huán)境，適用于嵌入式和IoT設備。Jailhouse通過硬件虛擬化擴展將硬件資源劃分為多個獨立的“單元”（Cells），每個單元可以運行一個操作系統(tǒng)。該方案利用了Jailhouse虛擬運行freertos系統(tǒng)，提升了任務的平均時延，能夠最大限度的保障任務的實行性。但同時，因為其需要兩套開發(fā)環(huán)境，在開發(fā)調(diào)試以及實時系統(tǒng)跟主系統(tǒng)的通訊上存在一定的挑戰(zhàn)。

三、AMP（基于核間共享內(nèi)存的異構核間通信框架）。AMP是一種多核架構，允許多個異構處理器核心運行不同的操作系統(tǒng)或應用程序。OpenHarmony的AMP框架基于OpenAMP（Open Asymmetric Multi-Processing）實現(xiàn)，OpenAMP是一個開源的異構多處理框架，提供了一套完整的軟件組件，用于構建和部署AMP系統(tǒng)。其核心組件包括Remoteproc、RPMsg以及VirtIO等。通過OpenAMP框架，OpenHarmony能夠高效地管理異構多核系統(tǒng)，實現(xiàn)資源隔離和任務分配，滿足復雜應用場景的需求。但是，跟虛擬方案Jailhouse類似，AMP也同樣需要兩套開發(fā)環(huán)境，在開發(fā)、調(diào)試以及優(yōu)化上均存在一定挑戰(zhàn)。

在分析了上述OpenHarmony的實時性優(yōu)化策略后，作者本人以輕量級的實時操作系統(tǒng)內(nèi)核KFreeRtos為例，進一步探討了如何提升內(nèi)核的實時性能。

KFreeRtos是一個輕量級的實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，基于FreeRTOS開發(fā)。它繼承了FreeRTOS的核心特性，如任務管理、信號量、消息隊列和事件標志組等功能，同時進行了優(yōu)化以適應特定的硬件平臺。KFreeRtos不僅提供了多種實時調(diào)度算法，還提供了實時的內(nèi)存管理、網(wǎng)絡管理、安全管理、日志管理以及線程管理。

在OpenHarmony上，開發(fā)者可以通過linux內(nèi)核驅動的開發(fā)方式，利用KFreeRtos提供的實時性API接口，構建出一套在OpenHarmony內(nèi)核上運行的實時解決方案。主要針對傳統(tǒng)實時操作系統(tǒng)不完善的功能，例如:內(nèi)存，網(wǎng)絡，日志管理等方面，利用linux強大的內(nèi)核功能api，為開發(fā)者提供具備有實時操作系統(tǒng)的特性并且具備低時延，高性能，高效率開發(fā)，多平臺部署等開發(fā)框架。

KFreeRtos架構的引入，為OpenHarmony在內(nèi)核實時性領域的探索提供了新的思路和解決方案。未來，隨著嵌入式設備算力的不斷增強和AI模型的進一步優(yōu)化，將會有更多AI大模型能夠部署到邊緣設備上。這種結合不僅能夠滿足實時性需求，還能實現(xiàn)離線學習和自適應能力。同時，內(nèi)核的實時性優(yōu)化也將會涌現(xiàn)更多創(chuàng)新策略。