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工程師。

正文內容

實時性是操作系統內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在規定時間內完成任務，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的，又有哪些進一步的優化方案？誠邁科技（南京）股份有限公司資深研發工程師陸道在第三屆OpenHarmony技術大會上進行了精彩分享。

在當今數字化與智能化飛速發展的時代，操作系統內核的實時性已經成為眾多關鍵應用場景的核心需求：（1）在物聯網領域，實時性是確保設備高效運行和數據準確傳輸的關鍵。例如，智能家居系統需要實時響應各種傳感器數據，以便實現對家居設備的精準監控和控制；（2）在工業自動化場景中，實時性關乎生產效率和設備安全。例如，電力系統需要在10毫秒內完成數據采集，而工業控制中的PLC需要在固定時間內完成動作以滿足協作要求；（3）智能交通系統同樣對實時性提出了極高的要求，如實時監測道路交通狀況，優化交通流量分配等。然而，實現高效的實時性并非易事，其需要操作系統內核在任務調度、中斷處理以及資源管理等多個層面進行深度優化，以確保系統能夠在極短的時間內做出響應。

如何評估一個內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接收到中斷信號到開始執行中斷服務例程（ISR）的時間間隔。在實時系統中，快速的中斷響應時間是至關重要的，因為它直接影響系統對突發事件的處理速度；而任務切換時間指從一個任務被掛起到另一個任務被調度并開始執行的時間間隔。在實時系統中，任務切換時間的長短會影響系統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，最短時延是指系統在最佳情況下，從事件發生到做出響應的最短時間。其反映了系統在理想狀態下的響應速度；最長時延是指系統在最壞情況下，從事件發生到做出響應的最長時間。其反映了系統在極端條件下的響應速度，對于硬實時系統來說，最長時延必須滿足任務的截止時間要求；平均時延是指系統在一段時間內，所有任務時延的平均值。它反映了系統在正常運行情況下的平均響應速度。

此外，影響內核的實時性因數包括時鐘節拍tick、調度算法、資源等待時間以及多任務等。

OpenHarmony的實時性優化策略主要如下：

一、內核實時性補丁。該方案通過多維度的優化措施，從內核調度、中斷處理、內存管理到應用層優化，全面提升系統的實時性能。這些優化措施不僅提升了系統的響應速度和穩定性，還為開發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。其優點包括開發效率高，工具多，優化手段多，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RTOS的虛擬化，支持高效、低延遲的運行環境，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。該方案利用了Jailhouse虛擬運行freertos系統，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環境，在開發調試以及實時系統跟主系統的通訊上存在一定的挑戰。

三、AMP（基于核間共享內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或應用程序。OpenHarmony的AMP框架基于OpenAMP（Open Asymmetric Multi-Processing）實現，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。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，實現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環境，在開發、調試以及優化上均存在一定挑戰。

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

KFreeRtos是一個輕量級的實時操作系統內核，基于FreeRTOS開發。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，同時進行了優化以適應特定的硬件平臺。KFreeRtos不僅提供了多種實時調度算法，還提供了實時的內存管理、網絡管理、安全管理、日志管理以及線程管理。

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

KFreeRtos架構的引入，為OpenHarmony在內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，還能實現離線學習和自適應能力。同時，內核的實時性優化也將會涌現更多創新策略。