1、实时系统概述

1.1 实时系统的定义

实时系统（Real-Time System）是一种计算系统，其正确性不仅取决于计算结果的逻辑正确性，还取决于结果产生的时间。在实时系统中，任务必须在规定的截止时间（Deadline）之前完成，否则系统将视为失效。

与通用操作系统追求“平均响应时间”不同，实时系统关注的是“最坏情况下的响应时间”。实时系统的核心特征包括：

• 时间确定性：系统行为在时间上是可预测的，能够保证任务在指定时间内完成。
• 可调度性：在系统设计阶段，可以通过调度分析验证所有任务是否满足时间约束。
• 优先级驱动：任务按照优先级或时间约束进行调度，高优先级任务优先获得CPU资源。

1.2 实时系统的分类

根据错过截止时间造成的后果严重程度，实时系统分为硬实时和软实时两大类。下表从多个维度对比两者的差异：

下图展示了硬实时与软实时在时间约束上的本质区别：

1.3 典型应用场景

实时系统广泛应用于对时间确定性要求极高的领域。以下从三个典型场景展开分析：

1.3.1 航空航天

航空航天是硬实时系统的典型代表。飞行控制系统、导航系统、发动机管理系统等关键子系统都必须满足严格的时间约束。

• 飞行控制：传感器采样周期通常为10-50ms，控制律计算必须在采样周期内完成。
• 航电系统：ARINC 653标准定义了分区调度，确保不同安全等级的任务在时间上隔离。
• 卫星姿态控制：姿态调整指令必须在毫秒级时间内响应，否则卫星可能偏离轨道。

下图展示了航空航天实时系统的典型架构：

1.3.2 工业控制

工业控制领域是实时系统最成熟的应用市场。从PLC（可编程逻辑控制器）到DCS（分布式控制系统），实时调度保障了生产过程的稳定与安全。

1.3.3 自动驾驶

自动驾驶系统是近年来实时系统最前沿的应用领域。它融合了感知、决策、控制等多个子系统，每个子系统都有严格的时间约束。

• 感知层：摄像头帧率30-60fps，激光雷达10-20Hz，毫米波雷达20-50Hz。所有传感器数据必须在帧间隔内完成处理。
• 决策层：路径规划、行为决策需要在50-100ms内完成，否则车辆无法及时应对突发情况。
• 控制层：转向、制动、加速指令的执行周期通常为10-20ms，且抖动必须小于1ms。

下图展示了自动驾驶系统中的实时任务流：

1.4 实时系统与Linux内核

Linux内核从早期版本开始就支持实时调度，但受限于通用操作系统的设计哲学，其实时性能长期受到质疑。随着PREEMPT_RT补丁集和SCHED_DEADLINE调度器的引入，Linux已经能够满足大多数硬实时场景的需求。

下表总结了Linux内核中与实时调度相关的关键特性：