国外工业操作系统介绍（1） VxWorks

基于 VxWorks 的实时操作系统特性、应用及在中国市场的分析

摘要

本文深入探讨 VxWorks 实时操作系统，阐述其核心特性，如可靠性、实时性、可裁减性等，介绍其在多领域的应用，并分析在中国市场的应用现状、面临的挑战与机遇。通过对 VxWorks 全面剖析，为相关行业应用和技术发展提供参考。

关键词

VxWorks；实时操作系统；应用领域；中国市场

一、引言

在当今数字化和智能化的时代，实时操作系统对于各类对时间敏感的系统至关重要。VxWorks 作为一款经典的实时操作系统，自 1983 年由美国 Wind River System 公司推出以来，凭借其卓越的性能在嵌入式实时操作系统领域占据重要地位。它被广泛应用于通信、军事、航空、航天等高精尖技术及对实时性要求极高的领域，为众多复杂系统提供了坚实的软件基础。本文将对 VxWorks 的特性、组成、应用领域进行详细阐述，并重点分析其在中国市场的情况。

二、VxWorks 操作系统的特性

2.1 可靠性

可靠性是 VxWorks 的突出优势之一。对于许多应用场景，如航空航天、军事装备等，系统的稳定运行关乎生命安全和任务成败。VxWorks 通过多年的研发和实践，建立了完善的系统架构和严格的质量控制体系。其内核经过精心设计，具备强大的错误检测和处理机制，能够有效预防系统崩溃。在内存管理方面，VxWorks 采用了合理的内存分配和回收策略，避免了内存泄漏和碎片化等常见问题，确保系统在长时间运行过程中内存资源的稳定和有效利用。自从对中国销售解禁后，其良好的可靠性使其在中国赢得了众多用户的信赖。

2.2 实时性

实时性是 VxWorks 的核心特性。实时操作系统需要能够在限定时间内执行完规定功能，并对外部异步事件作出快速响应。VxWorks 在这方面表现出色，系统本身开销极小。其进程调度算法高效，能够快速确定当前优先级最高的任务并分配 CPU 资源，减少任务切换的延迟。在进程间通信方面，VxWorks 提供了多种高效的通信机制，如消息队列、信号量等，确保任务之间的数据交互能够及时进行。中断处理机制也十分优化，能够迅速响应外部中断请求，及时处理中断事件，从而保证系统对外部事件的快速响应能力。这种卓越的实时性使得 VxWorks 能够满足如工业自动化控制、航空飞行控制等对时间要求极为苛刻的应用场景。

2.3 可裁减性

不同的嵌入式系统应用对操作系统的功能需求差异很大。VxWorks 由一个体积小巧的内核以及一系列可按需定制的系统模块组成。这种设计架构使得用户可以根据实际应用需求灵活选择和裁剪系统组件。对于一些资源受限的小型嵌入式系统，可以仅选择必要的内核功能和少量关键模块，以减小系统占用空间。VxWorks 内核最小可至 8kB，即便添加其他必要模块后，整体占用空间仍然较小，同时依然能够保持实时、多任务的系统特性。对于功能需求复杂的大型系统，则可以添加丰富的功能模块，如网络协议栈、文件系统等。这种高度的可裁减性和灵活性，使得 VxWorks 能够广泛适用于各种不同规模和需求的嵌入式系统。

三、VxWorks 的系统组成

3.1 内核

VxWorks 的内核是整个操作系统的核心部分，负责多任务调度、任务间同步、进程间通信机制、中断处理、定时器和内存管理等关键功能。在多任务调度方面，采用基于优先级抢占方式，确保高优先级任务能够及时获得 CPU 资源得以执行，同时也支持同优先级任务间的分时间片调度，保证同优先级任务能够公平地共享 CPU 时间。任务间同步通过多种同步机制实现，如信号量、互斥锁等，防止多个任务同时访问共享资源而导致的数据冲突。进程间通信机制丰富，包括消息队列、管道等，满足不同任务之间的数据交互需求。高效的中断处理机制能够快速响应外部中断，保障系统对实时事件的及时处理。定时器用于实现任务的定时执行和时间管理，内存管理机制则负责合理分配和管理系统内存资源，确保系统高效运行。

3.2 系统

VxWorks 提供了一个与 ANSI C 兼容的快速灵活的 I/O 系统，涵盖了 UNIX 标准的 Basic I/O（如 creat ()、remove ()、open ()、close ()、read ()、write () 和 ioctl () 等函数）、Buffer I/O（如 fopen ()、fclose ()、fread ()、fwrite ()、getc ()、putc () 等函数）以及 POSIX 标准的异步 I/O，满足不同应用场景下的输入输出需求。同时，它还包含丰富的驱动程序，如网络驱动、管道驱动、RAM 盘驱动、SCSI 驱动、键盘驱动、显示驱动、磁盘驱动、并口驱动等，能够方便地与各种硬件设备进行交互，为上层应用提供统一的设备访问接口。

3.3 网络支持

在网络通信方面，VxWorks 提供了强大的支持。它能够实现对其他 VxWorks 系统和 TCP/IP 网络系统的 “透明” 访问，具备与 BSD 套接字兼容的编程接口，方便开发人员进行网络编程。支持远程过程调用（RPC），实现分布式系统中不同节点之间的过程调用。包含 SNMP（可选项）用于网络管理，远程文件访问功能多样，包括客户端和服务端的 NFS 机制以及使用 RSH、FTP 或 TFTP 的非 NFS 机制，方便文件共享和传输。同时支持 BOOTP 和代理 ARP、DHCP、DNS、OSPF、RIP 等网络协议，无论是串行线路、以太网连接还是共享内存的背板总线等不同网络连接方式，所有网络机制都遵循标准的 Internet 协议，确保了网络通信的稳定性和兼容性。

3.4 工具

在开发环境方面，Tornado 是 VxWorks 配套的一套强大的实时操作系统开发环境，类似于 Microsoft Visual C，但提供了更丰富的调试、仿真环境和工具。在 Tornado 开发系统中，开发工具通常驻留在主机上，但也可根据需要将基于目标机的 Shell 和装载卸载模块加入 VxWorks。目标代理（Target Agent）遵循 WBD（Wind Debug）协议，允许目标机与主机上的 Tornado 开发工具相连，目标代理默认以 VxWorks 的一个任务 tWdbTask 的形式运行。Tornado 目标服务器（Target Server）向目标代理发送调试请求，通常用于控制和处理目标代理对系统中其他任务的操作，默认状态下两者通过网络通信，用户也可根据实际需求改变通信方式。此外，VxWorks 还提供了实用库，包含中断处理、看门狗定时器、消息登录、内存分配、字符扫描、线缓冲和环缓冲管理、链表管理以及 ANSI C 标准等实用例程，为开发人员提供了丰富的功能支持。

四、VxWorks 的应用领域

4.1 航空航天领域

在航空航天领域，VxWorks 应用广泛。在飞行控制系统中，它负责精确控制飞机的飞行姿态、发动机运行等关键参数，其高度可靠的实时性确保在各种复杂飞行条件下，系统能够及时响应并处理各种传感器数据和控制指令，保障飞行安全。卫星通信系统利用 VxWorks 实现卫星与地面站之间的高速、稳定数据传输，对数据的实时处理和准确传输要求极高，VxWorks 的性能能够满足这一需求。在航天探测器方面，如美国的火星探测器，VxWorks 在极端环境下稳定运行，支持探测器对火星表面的各种数据采集、分析以及与地球的通信，为人类探索宇宙提供了关键技术支持。

4.2 军事领域

在军事装备中，VxWorks 发挥着重要作用。爱国者导弹系统利用 VxWorks 实现对来袭导弹的快速探测、跟踪和拦截决策，其卓越的实时性和可靠性确保在战争环境下能够迅速响应敌方攻击，提高导弹防御系统的作战效能。在军事通信设备中，VxWorks 保障了通信的实时性和保密性，确保军事指挥系统能够稳定、高效地传输作战指令和情报信息。在军事演习中，VxWorks 支持各种模拟仿真系统，为战术演练和作战方案评估提供了可靠的软件平台。

4.3 工业控制领域

在工业自动化生产中，机器人控制系统广泛应用 VxWorks。机器人需要实时、准确地执行各种操作任务，如物料搬运、零件加工等，VxWorks 提供的可靠任务调度和资源管理机制，确保机器人能够按照预定程序精确运行，同时对生产线上的各种传感器数据进行实时处理，根据环境变化及时调整动作。工厂自动化系统中的生产线控制、设备监控等环节也依赖 VxWorks 的实时性和稳定性，实现对整个生产过程的高效控制和管理，提高生产效率和产品质量。

4.4 医疗设备领域

在医疗设备方面，VxWorks 应用于多种设备中。医疗影像系统，如 CT、MRI 等设备，需要对大量的图像数据进行快速处理和分析，VxWorks 能够满足这一实时数据处理需求，帮助医生快速、准确地获取诊断信息。生命支持系统，如心脏起搏器、呼吸机等，对系统的可靠性和实时响应性要求极高，VxWorks 确保这些设备能够稳定运行，及时对患者的生理参数变化作出响应，保障患者的生命安全。

4.5 数据网络领域

在数据网络设备中，以太网交换机、路由器、远程接入服务器等常采用 VxWorks 作为操作系统。以太网交换机利用 VxWorks 实现高效的数据帧转发和交换，确保网络数据的快速传输。路由器借助 VxWorks 的网络协议支持和实时处理能力，实现数据包的路由选择和转发，保障网络的稳定连接和数据的准确传输。远程接入服务器使用 VxWorks 为远程用户提供可靠的接入服务，实现安全、高效的远程通信。

4.6 交通运输领域

在交通运输方面，导航系统应用 VxWorks 实现实时定位、路径规划和导航信息显示。无论是汽车导航还是飞机导航，都需要快速、准确地处理卫星定位数据和地图信息，VxWorks 的实时性能够满足这一要求，为用户提供精准的导航服务。高速火车控制系统利用 VxWorks 实现对列车运行速度、信号控制、车门开关等方面的实时监控和管理，确保列车安全、高效运行。

五、VxWorks 在中国市场的情况

5.1 应用现状

在中国，VxWorks 在多个关键领域得到了广泛应用。在航空航天工业，众多国产飞机的航电系统以及卫星地面测控系统中采用了 VxWorks，助力我国航空航天事业的发展。在军事领域，VxWorks 为我国的军事装备现代化提供了重要支持，在导弹防御系统、军事通信系统等方面发挥着作用。在工业控制领域，随着我国制造业向智能化转型，一些高端自动化生产线和先进机器人控制系统中也引入了 VxWorks。在医疗设备行业，部分高端医疗影像设备和生命支持设备的研发也采用了 VxWorks，以提高设备的性能和可靠性。

5.2 面临的挑战

尽管 VxWorks 在中国有广泛应用，但也面临一些挑战。随着国产操作系统的崛起，如麒麟、鸿蒙等操作系统在自主可控和适配国内硬件环境方面具有优势，对 VxWorks 市场份额形成一定竞争压力。VxWorks 作为国外产品，在一些对信息安全和自主可控要求极高的关键领域，可能面临政策限制。其商业授权模式可能对一些预算有限的中小企业构成成本负担，影响其在中小企业市场的进一步拓展。

5.3 机遇

随着我国工业互联网、智能制造、航空航天等产业的快速发展，对高性能实时操作系统的需求持续增长，为 VxWorks 提供了广阔的市场空间。VxWorks 在技术研发上不断投入，持续推出新版本，如 VxWorks 7.0 等，在性能和功能上不断优化，能够更好地满足中国市场日益增长的复杂应用需求。风河公司也在加强与中国本地企业的合作，通过技术支持、培训等方式，提高 VxWorks 在中国市场的适应性和用户满意度，进一步拓展市场。

六、结论

VxWorks 作为一款经典的实时操作系统，以其可靠性、实时性、可裁减性等突出特性，在全球多个领域得到广泛应用。在中国市场，尽管面临着国产操作系统竞争和政策等方面的挑战，但随着相关产业的发展，也存在着巨大的机遇。未来，VxWorks 需要不断适应中国市场需求，加强与本地企业合作，提升技术服务水平，以保持在实时操作系统市场的竞争力，为中国相关产业的发展继续提供有力支持。同时，中国企业和科研机构也应在借鉴 VxWorks 等优秀国外技术的基础上，加大自主研发实时操作系统的力度，推动我国操作系统技术的自主创新和产业发展。

介绍一下VxWorks在中国市场的竞争对手

VxWorks 在中国市场面临着来自国内外多个竞争对手的挑战，以下是一些主要竞争对手：

国产操作系统

• SylixOS（翼辉信息）：受益于国产替代政策，在军工、轨道交通等封闭市场快速替代 VxWorks。它是国内领先的任务关键型工业操作系统及软件架构技术服务商，专注于自主研发安全、可靠的工业级实时操作系统（RTOS），产品覆盖国防安全、能源电力、轨道交通、智能制造、商业航天、智能汽车等高壁垒领域。
• RT - Thread（睿赛德科技）：开源 + 商业双模式，组件丰富，支持 RISC - V 等新兴架构，装机量超 2 亿台，主攻物联网和消费电子，通过企业定制版向工业领域渗透，与 ST、NXP 等芯片厂商合作预装。
• 鸿道系统（东土科技）2：东土科技自主研发的新型工业操作系统，实时性抖动可达 5 微秒，调度精度达微秒级，切换时间小于 5 微秒，广泛应用于工业控制、智能制造、汽车电子、轨道交通、能源电力、航天航空等高实时性要求的领域。通过了 SIL4&ASILD 等多项国内外安全认证，是国内唯一通过汽车、工业控制、医疗仪器、轨道交通四项功能安全认证的操作系统。
• EdgerOS（翼辉信息）：是国内唯一覆盖 “海陆空天潜” 全场景的工业操作系统供应商，装机量超 8 万套，在国防、电力等领域实现国产替代突破，在国防安全领域占据主导地位，客户包括中国通号、铁科院、中车等。

国外操作系统

• QNX（黑莓子公司）：微内核架构、POSIX 兼容、支持动态加载模块，核心仅 12KB，适用于汽车电子（如车载信息娱乐系统）和医疗设备。全球超过 1.5 亿辆汽车搭载 QNX 系统，特斯拉早期车型亦采用其作为底层 OS。
• ThreadX（现为微软 Azure RTOS）：微软收购后强化了与 Azure 云的集成，推动其在 IoT 边缘设备中的应用。提供免费授权（需配合 Azure 服务），通过云服务捆绑扩大市场份额。