1 实时性的考察对象：单片机、实时操作系统和分时操作系统

1.1 单片机裸机OS

一、古老的51单片机。

二、当下最流行意法半导体的STM32 Cortex-M3系列、Cortex-M4、Cortex-M0和Cortex-M7系列单片机。

三、其他公司单片机系列：

1、德州仪器TI公司的MSP430系列和DSP F28系列；

2、微芯科技Microship公司的PIC系列；

3、爱特梅尔Atmel公司（被Microship公司收购）的AVR系列；

4、**瑞萨公司（日本）**的RA系列（48-200MHz 32位ARM生态）、RZ系列（125Mhz-1.5GHz 32位支持Linux或RTOS）和RH850系列（最高400MHZ，汽车应用）；

5、恩智浦NXP公司的8位单片机80C51 系列和32位的i.MX系列；

6、飞思卡尔Freescale公司（被恩智浦NXP公司收购）的32位Kinetis系列、32位ColdFire系列、32位MPC56xx系列和16位DSC系列、16位9S12XS系列；16位9S12G系列；

7、英飞凌Infineon公司的8位单片机XC800系列、16位XC2000系列和Xe166m系列和32位TriCore系列；

8、赛普拉斯Cypress公司的PSOC 系列

9、三星Samsung公司的 4 位单片机KS51 和 KS57 系列、8 位单片机KS86 和 KS88 系列、16 位单片机KS32 系列和32 位单片夹KS32 系列；

1.2 实时操作系统（RTOS）

一、主流RTOS
1、μClinux
    嵌入式Linux版本，优点：良好的稳定性和移植性、强大的网络功能、出色的文件系统支持、标准丰富的API，以及TCP／IP网络协议；缺点:μClinux结构复杂，移植相对困难，内核也较大，不支持内核抢占，实时性一般。

2、μC/OS-II
   主流RTOS，但是不开源，收费；在商业和工业应用广泛。

3、eCos

4、FreeRTOS
   主流RTOS，且开源免费。缺点：一方面体现在系统的服务功能上，如FreeRTOS只提供了消息队列和信号量的实现，无法以后进先出的顺序向消息队列发送消息；另一方 面，FreeRTOS只是一个操作系统内核，需外扩第三方的GUI(图形用户界面)、TCP／IP协议栈、FS(文件系统)等才能实现一个较复杂的系统， 不像μC／OS-II可以和μC／GUI、μC／FS、μC／TCP-IP等无缝结合。

5、mbed OS
   ARM公司主导，将mbed OS免费提供给所有厂商使用。

6、RTX

7、Vxworks
   美国WindRiver风河公司产品。具有硬实时、确定性与稳定性，也具备航空与国防、工业、医疗、汽车、消费电子产品、网络及其他行业要求的可伸缩性与安全性。优点：实时性、确定性和稳定性最好的RTOS，偏军工和航天；缺点：收费，知识产权保护严格，且价格不菲，开放资料相对较少。

8、QNX
   遵从POSIX规范的类Unix嵌入式实时操作系统。

9、NuttX

10、MCU制造商开发的配套自己单片机的实时操作系统。
   如德州仪器TI的DSP/BIOS™实时操作系统一个可定标的实时作业核心，是TI公司特地为其TMS320C5000™ 及 TMS320C6000™ DSP 的平台所设计

二、国内RTOS：
1、赛睿德RT-Thread（开源免费，国内比较流行，国内最好）；

2、腾讯TencentOS Tiny；

3、华为AliOS；

4、华为Huawei LiteOS；

5、都江堰djyos；

6、翼辉SylixOS（国内军工与航天领域的RTOS）。

三、无论是国外主流RTOS还是国内RTOS，都是跑在高性能的单片机上。

1.3 分时操作系统

一、Windows系列。

二、Linux系列：如Ubuntu、Debian、Centos、深度Deepin（国产）。

三、Unix系列：如Mac OS(苹果电脑操作系统)。

四、移动端操作系统：Android（类Linux）和iOS(类Unix)。

2 实时性对比

单片机裸机≥RTOS＞分时操作系统
   单片机裸机的实时性不是一定比RTOS的高。在产品功能简单和程序任务单一的情况下，单片机裸机的实时性要高于RTOS;在产品功能复杂和程序多任务的情况下，合理使用RTOS获得的实时性要高于单片机裸机。
    单片机裸机和RTOS的实时性，一般情况是远远高于分时操作系统的。

3 分时操作系统的实时性改造

    众所周知，Windows系统和Linux系统是分时操作系统，但是在某些特殊情况或应用场景下，作为分时操作系统的Windows和Linux会有实时性需求，这就涉及到分时操作系统的实时化改造。

3.1 Linux 系统的实时性改造

    目前 Linux 系统的实时化改造分为两类。
    一类是在标准的 Linux 操作系统里嵌入一个实时微内核，形成传统Linux内核+实时内核的双内核方案。 微内核负责运行实时任务，保证强实时性，而传统Linux内核运行于实时内核之下， 负责处理低优先级的任务。
    另一类是单核实时 Linux 系统，这类方案利用 Linux 内核自2.6 版本之后添加的内核具有可抢占特性， 通过改造内核实时调度策略，实现内核资源的抢占来缩短中断延迟， 最终获得实时任务的处理能力。典型的做法是对传统的Linux内核打入PREEMPT_RT补丁，使内核成为硬实时操作系统。

3.1.1Linux双内核实时改造方案

一、优点：实时性强。
二、缺点：实现颇为复杂。 一方面微内核需要在硬件上获得维护和支持， 开发周期长， 而且与之相关的开源资料很少， 新的开发人员入手难度极大；另一方面， 在此种方案下， Linux 需要维护一个硬件抽象层，不能使用标准 C 函数库， 而且与 POSIX 层对接繁琐，需要使用专门的动态链接库，并面向双内核进行交叉编译和，调试极其复杂。
三、Linux双内核实时改造具体方案：RTLinux、RTAI和Xenomai。

3.1.2 Linux单内核实时改造方案

一、缺点：实时性不如双内核方案。但是在一般负载下， RT-Preempt Patch 单内核改造方案与双内核方案的实时性能差异并不明显，二者的实时处理性能都能够满足工控要求。
二、优点：RT-Preempt Patch 补丁可以按照标准 Linux-C 方式进行开发， 使用现有的标准 C 库与 POSIX 接口即可完成软件设计， 开发难度更小而调试方便。
三、Linux单内核实时改造具体方案：RT-Preempt Patch 补丁。

3.1.3 Linux实时改造方案与硬件平台

    Linux实时改造方案和硬件平台息息相关，选择方案时一定要确定所选择的方案是否支持实际使用的硬件平台。
   由下图可知，Linux单内核实时改造方案RT-Preempt Patch 支持的硬件平台比较多，所以在实际项目应用中，一般选择Linux单内核实时改造方案RT-Preempt Patch的情况居多。
   注意：下图中的“x86_32/64”单指x86下的Linux，不是指Windows。

3.2 Windows 系统的实时性改造

   Windows是闭源收费的分时操作系统，在实时性改造方面远没有Linux系统自由和可选择性广泛。目前找到两种Windows 系统的实时性改造方案，如下。

3.2.1 Windows 系统的实时性改造-KingStar Motion现成方案

   美国InterverZero公司开发的Windows平台硬实时系统KingStar Motion，是迄今为止在Windows 平台上最优秀的基于软件的硬实时解决方案。
   KingStar Motion，是以RTX实时操作系统为主轴，并整合EtherCAT、软件PLC (Software PLC)及软件运动控制 (Software Motion)的整合产品。
   优点：实时性高（RTX 的时钟分辨率可以达到100纳秒，定时器周期最低可以做到1000、500、200、100微秒）；广泛的扩展性（支持Windows 2000、Windows XP、Windows XP Embedded、Win7和Win10，几乎Windows下所有的32位和64位系统都支持）和优秀的稳定性。
   缺点：收费，开发资料少。

3.2.1 Windows 系统的实时性改造-代码优化

   内容详见“基于 Windows 平台的实时 EtherCAT 主
站开发”论文第三章“3 Windows 系统实时性优化方法”。
   优点：自己公司程序员代码优化，不用额外付费。
   缺点：实时性不高（中断时间1ms），有开发周期。