real-time - 什么是类人机器人正确的RTOS？

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我们正在开发中型（〜4.5英尺高）人形机器人，作为大学的一项赞助研究项目。机器人应该能够执行的主要任务包括：四处走动（向前，向后，侧向），奔跑，捡起物体。我们正在考虑使用硬实时操作系统来控制机器人。但是，由于我们是该领域的新手，几乎没有嵌入式系统或操作系统的背景，并且有很多可用的选项，因此我们不确定哪一个是合适的选择。我们遇到了以下内容（括号内是我们对它们的当前印象）：


RTLinux（现已失效，内核2.4.x，gcc 2.95（很难构建），几乎没有文档）
FreeRTOS（良好的社区和文档，受欢迎，已移植到许多体系结构）
uc-OS II（小巧，干净的内核，重量轻）
RTAI（基于Linux）


我有很多问题：


哪个选项更适合该项目？我知道这听起来有些主观，但是任何建议都将不胜感激。如果您觉得某些重要信息丢失，请指出。
我遇到了Linux内核中称为 CONFIG_PREEMPT_RT patch的东西，它为内核赋予了硬实时功能。也有带有此补丁的预编译内核，可用于基于Debian的发行版。仅此一项就足以满足我们的要求吗？
一般而言，我们对操作系统的了解很少。我们是否有必要首先了解它们？如果是，那么什么是该主题的简短入门？


更新：非常感谢您提供详尽的答案。显然，我们正在以错误的方式进行处理；毫无知识和大量需求的潜水肯定是不好的。我们必须坐下来，用粉笔写出我们真正需要的东西。当我们在这方面足够领先时，我们将尝试找出合适的操作系统。让我们看看结果如何。我还将阅读 MicroC OS II: The Real Time Kernel的第2章。

最佳答案

您对操作系统的选择完全不受“类人机器人”约束条件的限制，没有特定的“类人机器人操作系统”，当然也不会由这样的机器人有多高确定OS！ ;-)！关键因素是


实时约束（用于运动控制PID更新，传感器/执行器反应时间等）
处理器架构
系统架构（例如distributed processing，symetric-multiprocessing）


其他因素可能很重要，例如：


通信和I / O要求（例如，以太网，TCP / IP，USB，WiFi）。
文件系统支持


尽管这些不一定在所有情况下都必须是操作系统的固有部分，但是由于在许多情况下都可以使用第三方平台无关的库，但是在需要它们的地方，与操作系统集成可能会有所帮助，因为它避免了您必须处理的问题。线程安全和资源锁定自己。

您建议的任何一个选项都不会列入我的清单。

任何基于Linux的内容都将需要MMU（除非使用uCLinux或其派生类，但是MMU支持是在嵌入式系统中使用Linux的几个很好的理由之一）。 Linux并非旨在成为实时操作系统，它提供的任何实时支持几乎都是事后的想法，并且很少像真正的RTOS那样具有确定性。任何Linux都仅在启动时就需要大量的内存资源，任何可用的东西都至少需要4Mb的RAM，而FreeRTOS和uC / OS-II之类的RTOS内核仅需要4Kb左右-您在这里将粉笔与奶酪进行了比较。也就是说，它们不具有基于Linux的操作系统的实用程序，例如文件系统或网络支持（尽管可以将它们作为独立的库添加）。

如果要在与认知功能相同的处理器上执行运动控制和传感器/执行器功能，那么您当然需要确定性的RTOS。但是，如果平台将是一个分布式系统，并且具有处理运动控制和其他实时传感器/执行器I / O的单独处理器，那么您可能会放弃简单的RTOS内核，或者在I / O处理器中根本没有操作系统（也可以是更小，功能更弱的处理器）和认知（决策和计划）处理器中的GPOS。

我最近对FreeRTOS进行了评估，它是简约，简单和小型的，仅提供基本的线程，计时和IPC机制，其他方面很少。它可以工作，但其他许多更具吸引力的选项（包括商业和非商业的）也可以。我将其与Keil's RTX kernel（包含在其MDK-ARM工具套件中）和商业版Segger embOS进行了比较。与其他两个候选对象相比，上下文切换时间要慢得多（尽管在72MHz的Cortex-M3上仍为微秒，并且比Linux可能实现的速度要快）。

uC / OS-II是经过精心设计和记录的（在Jean Labrosse的书中），如果您希望了解RTOS的工作原理，那将是很棒的。它最大的失败是其限制性非常严格的优先级调度方案，该方案对于很小的目标是有效的，但可能没有您所希望的那样灵活。必须为每个线程分配一个不同的优先级，因此它不支持循环调度，这对于非实时后台任务很有用。 uC / OS-III修复了该缺陷，但是其他许多选项也可以解决。

如果您的目标处理器具有MMU，我强烈建议您使用一种支持它的操作系统，以使每个线程或进程都免受任何其他保护，那么该系统将更加健壮且易于调试，尤其是当开发为MMU时。球队。在这样的操作系统中，错误的任务会以不确定的方式占用其他线程资源，并且通常难以调试结果，而会导致异常并在错误发生的地方停止，而不是在稍后的某个时间损坏数据用过的。

您可能不需要限制自己使用免费或开源的RTOS，许多供应商都允许免费使用其进行教育和评估。我强烈建议您考虑QNX Neutrino，它是free for non-commercial and academic use，并且具有任何RTOS中最强大的内在MMU支持，并且包括您需要的所有开发工具，包括基于Eclipse的Momentics IDE。它不仅仅是一个调度内核，还包括对完整操作系统所需的所有服务的支持。它在ARM，x86，SH-4 PowerPC和MIPS架构上运行。在x86上运行特别有用，因为它意味着您可以测试和评估它，甚至可以在VM running on your desktop中开发许多代码。

eCos是真正的硬实时的另一种选择，它不仅支持调度和IPC之外的OS服务。它具有本地POSIX和uITRON API，用于CAN，ADC，SPI，I2C，FLASH，PCI，串行，文件系统，USB和PCI等的标准驱动程序，并包括TCP / IP网络支持。从这个意义上说，它是一个完整的OS，但与Linux不同的是它不是单片的。它具有可伸缩性，并静态链接到您的应用程序代码，因此运行时二进制文件中根本不包含您不使用的功能。它可以在ARM，CalmRISC，Cortex-M，FR-V，FR30，H8，IA32、68K / ColdFire，Matsushita AM3x，MIPS，NEC V8xx，PowerPC，SPARC和SuperH上运行。再次从理论上讲，您可以在PC上的VM上运行IA32（x86）端口，以测试和开发高级代码，尽管您必须自己进行工作，而不像QNX那样进行开箱即用的评估。

添加有关：


一般而言，我们对操作系统的了解很少。我们是否有必要首先了解它们？如果是，那么什么是该主题的简短入门？


那时可能不是开始学习Linux的时候（尽管它具有广泛的了解和社区支持的优势，但是它有很多您不需要的东西，并且很多可用的支持资源也不会实时学习。控制系统应用。

Labrosse的uC / OS-II书的第二章概述了RTOS概念，例如调度，同步和IPC，这些概念不仅适用于uC / OS-II，而且适用于大多数RTOS。 Jack Ganssle最近在EETimes上的RTOS Fundamentals课程中介绍了类似的材料（之所以类似，也许是因为它是由Mircium赞助的，并使用uC / OS-II作为案例研究，但是在大多数情况下，它是相似的。）

我想快速入门的方法是给Google加上“ 101”（学术界常见的入门课程编号）。 "RTOS 101"将为您提供一些公认的质量变化的起点-检查来源的信誉，如果是公司，则他们可能会兜售特定产品，如果是业余爱好者，他们可能会有一些见解，但也许观点狭窄（通常与特定的喜欢的硬件有关），并且可能没有学术论文的严格要求。

添加了有关CONFIG_PREMPT_RT的信息：

它不会使Linux成为硬实时操作系统。它可能适用于某些应用。如果您正在执行PID运动控制（而不是使用专用控制器或单独的处理器），或对此进行任何类型的闭环反馈控制，那么我认为此补丁将无法启用它，至少不会可靠地启用它。我找到了这个：
A comparison of real-time Linux approaches。它讨论了在实时应用程序中使用Linux的多种方法，包括CONFIG_PREMPT_RT。它将在C部分中详细讨论这些内容。

关于real-time - 什么是类人机器人正确的RTOS？ ，我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题： https://stackoverflow.com/questions/7804388/

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Answer 1

您对操作系统的选择完全不受“类人机器人”约束条件的限制，没有特定的“类人机器人操作系统”，当然也不会由这样的机器人有多高确定OS！ ;-)！关键因素是


实时约束（用于运动控制PID更新，传感器/执行器反应时间等）
处理器架构
系统架构（例如distributed processing，symetric-multiprocessing）


其他因素可能很重要，例如：


通信和I / O要求（例如，以太网，TCP / IP，USB，WiFi）。
文件系统支持


尽管这些不一定在所有情况下都必须是操作系统的固有部分，但是由于在许多情况下都可以使用第三方平台无关的库，但是在需要它们的地方，与操作系统集成可能会有所帮助，因为它避免了您必须处理的问题。线程安全和资源锁定自己。

您建议的任何一个选项都不会列入我的清单。

任何基于Linux的内容都将需要MMU（除非使用uCLinux或其派生类，但是MMU支持是在嵌入式系统中使用Linux的几个很好的理由之一）。 Linux并非旨在成为实时操作系统，它提供的任何实时支持几乎都是事后的想法，并且很少像真正的RTOS那样具有确定性。任何Linux都仅在启动时就需要大量的内存资源，任何可用的东西都至少需要4Mb的RAM，而FreeRTOS和uC / OS-II之类的RTOS内核仅需要4Kb左右-您在这里将粉笔与奶酪进行了比较。也就是说，它们不具有基于Linux的操作系统的实用程序，例如文件系统或网络支持（尽管可以将它们作为独立的库添加）。

如果要在与认知功能相同的处理器上执行运动控制和传感器/执行器功能，那么您当然需要确定性的RTOS。但是，如果平台将是一个分布式系统，并且具有处理运动控制和其他实时传感器/执行器I / O的单独处理器，那么您可能会放弃简单的RTOS内核，或者在I / O处理器中根本没有操作系统（也可以是更小，功能更弱的处理器）和认知（决策和计划）处理器中的GPOS。

我最近对FreeRTOS进行了评估，它是简约，简单和小型的，仅提供基本的线程，计时和IPC机制，其他方面很少。它可以工作，但其他许多更具吸引力的选项（包括商业和非商业的）也可以。我将其与Keil's RTX kernel（包含在其MDK-ARM工具套件中）和商业版Segger embOS进行了比较。与其他两个候选对象相比，上下文切换时间要慢得多（尽管在72MHz的Cortex-M3上仍为微秒，并且比Linux可能实现的速度要快）。

uC / OS-II是经过精心设计和记录的（在Jean Labrosse的书中），如果您希望了解RTOS的工作原理，那将是很棒的。它最大的失败是其限制性非常严格的优先级调度方案，该方案对于很小的目标是有效的，但可能没有您所希望的那样灵活。必须为每个线程分配一个不同的优先级，因此它不支持循环调度，这对于非实时后台任务很有用。 uC / OS-III修复了该缺陷，但是其他许多选项也可以解决。

如果您的目标处理器具有MMU，我强烈建议您使用一种支持它的操作系统，以使每个线程或进程都免受任何其他保护，那么该系统将更加健壮且易于调试，尤其是当开发为MMU时。球队。在这样的操作系统中，错误的任务会以不确定的方式占用其他线程资源，并且通常难以调试结果，而会导致异常并在错误发生的地方停止，而不是在稍后的某个时间损坏数据用过的。

您可能不需要限制自己使用免费或开源的RTOS，许多供应商都允许免费使用其进行教育和评估。我强烈建议您考虑QNX Neutrino，它是free for non-commercial and academic use，并且具有任何RTOS中最强大的内在MMU支持，并且包括您需要的所有开发工具，包括基于Eclipse的Momentics IDE。它不仅仅是一个调度内核，还包括对完整操作系统所需的所有服务的支持。它在ARM，x86，SH-4 PowerPC和MIPS架构上运行。在x86上运行特别有用，因为它意味着您可以测试和评估它，甚至可以在VM running on your desktop中开发许多代码。

eCos是真正的硬实时的另一种选择，它不仅支持调度和IPC之外的OS服务。它具有本地POSIX和uITRON API，用于CAN，ADC，SPI，I2C，FLASH，PCI，串行，文件系统，USB和PCI等的标准驱动程序，并包括TCP / IP网络支持。从这个意义上说，它是一个完整的OS，但与Linux不同的是它不是单片的。它具有可伸缩性，并静态链接到您的应用程序代码，因此运行时二进制文件中根本不包含您不使用的功能。它可以在ARM，CalmRISC，Cortex-M，FR-V，FR30，H8，IA32、68K / ColdFire，Matsushita AM3x，MIPS，NEC V8xx，PowerPC，SPARC和SuperH上运行。再次从理论上讲，您可以在PC上的VM上运行IA32（x86）端口，以测试和开发高级代码，尽管您必须自己进行工作，而不像QNX那样进行开箱即用的评估。

添加有关：


一般而言，我们对操作系统的了解很少。我们是否有必要首先了解它们？如果是，那么什么是该主题的简短入门？


那时可能不是开始学习Linux的时候（尽管它具有广泛的了解和社区支持的优势，但是它有很多您不需要的东西，并且很多可用的支持资源也不会实时学习。控制系统应用。

Labrosse的uC / OS-II书的第二章概述了RTOS概念，例如调度，同步和IPC，这些概念不仅适用于uC / OS-II，而且适用于大多数RTOS。 Jack Ganssle最近在EETimes上的RTOS Fundamentals课程中介绍了类似的材料（之所以类似，也许是因为它是由Mircium赞助的，并使用uC / OS-II作为案例研究，但是在大多数情况下，它是相似的。）

我想快速入门的方法是给Google加上“ 101”（学术界常见的入门课程编号）。 "RTOS 101"将为您提供一些公认的质量变化的起点-检查来源的信誉，如果是公司，则他们可能会兜售特定产品，如果是业余爱好者，他们可能会有一些见解，但也许观点狭窄（通常与特定的喜欢的硬件有关），并且可能没有学术论文的严格要求。

添加了有关CONFIG_PREMPT_RT的信息：

它不会使Linux成为硬实时操作系统。它可能适用于某些应用。如果您正在执行PID运动控制（而不是使用专用控制器或单独的处理器），或对此进行任何类型的闭环反馈控制，那么我认为此补丁将无法启用它，至少不会可靠地启用它。我找到了这个：
A comparison of real-time Linux approaches。它讨论了在实时应用程序中使用Linux的多种方法，包括CONFIG_PREMPT_RT。它将在C部分中详细讨论这些内容。