Lynx 操作系统

引言

LynxOS 是一款强大的实时操作系统，由 Lynx Software Technologies 于 1988 年为高影响力环境而设计。作为一款具备 RTOS 必要特性的操作系统，LynxOS 已广泛应用于高可靠性领域，如航空航天、国防、汽车和电信等行业。它的出现旨在提供高度可靠、实时确定性强的解决方案，非常适合对实时性要求不高但精度要求严格的工作。

• LynxOS 基于现代的 POSIX 内核，使其能够使用大多数现代工具和应用程序，同时提供多级安全、实时调度和容错网络等功能。该操作系统以其模块化设计和高可用性而闻名。
• 该操作系统专为嵌入式系统和不允许发生故障的应用而设计。考虑到这些优势，LynxOS 已发展到融合了 物联网、边缘计算和自动驾驶系统等技术，成为实时计算的基础。

Lynx OS 的核心功能

LynxOS 提供高确定性，这意味着工作流程不会有任何变化。在工业过程控制和飞行控制系统等领域，LynxOS 可以被信赖以按需交付。此功能消除了网络延迟，从而确保了对延迟敏感的环境提供高质量的性能。

LynxOS 的突出特点是其独立运行进程的划分机制，因为一个分区出现故障或无法运行时，不会影响其他分区的正常运行。这使得系统更加安全，并且对于容易中断关键操作的应用至关重要。

• 与旧系统的兼容性冲突
  LynxOS 的用户无需替换现有配置；相反，他们可以将 LynxOS 轻松集成到现有系统中。它支持 POSIX 标准，并指示了在 Unix 类环境中编写代码的方式，从而使代码重用所需的时间和成本降至最低。这当然使其成为项目的重要输入和输出选择，特别是当需要一定程度的向后兼容性时。
• 支持非线性多处理方案
  为了适应现代硬件技术，LynxOS 支持多核处理器，通过这些处理器，应用程序可以实现并行计算。通过利用计算任务的优势，操作系统会制定有效的策略，将任务分配给不同的核心，从而为密集型计算任务提供更强大的能力。这种能力在电信和汽车系统中非常有用，因为这些系统需要大量的处理能力。
• EnCAD
  LynxOS 包含主要针对嵌入式设备优化的网络层。它支持 TCP/IP、UDP 和以太网等协议，使其在传输实时数据方面非常高效。该操作系统还保证了确定性的网络性能，以便数据传输在需要这些特性的情况下能够以保证的吞吐量和低延迟进行。
• 标准调试和监控功能
  LynxOS 还提供了集成的调试和监控工具，开发人员可以通过这些工具快速解决系统性能问题。他们可以获得系统功能、利用率和实时趋势的报告，从而实现自由高效的开发和管理。

Lynx OS 的技术架构

• 微内核设计
  LynxOS 的基础是微内核，这使得它由许多单独维护的部分组成。这些关键服务包括进程调度、IPC 和基本 I/O，而文件系统和通信等其他服务将由用户空间中的其他模块提供。通过这种方式，内核开销得以减少，系统安全性得到提高，并且操作系统可以适应各种不同的硬件环境。
• 实时调度器
  LynxOS 中的实时部分是为了对调度器任务进行时分复用而构建的。它使用优先级抢占式调度算法，可以在出现多个任务时尽快向操作员传递关键消息。调度器还支持速率单调和截止期驱动算法，这些算法适用于工业自动化和军事航空等高实时性环境。
• 进程间通信
  进程间通信 (IPC) 是指在不同计算机上运行的两个或多个进程之间进行通信的过程。LynxOS 上的 IPC 快速高效，因此是 LynxOS 的一个重要方面。它仅支持消息传递、具有适当同步的共享内存以及信号量，以满足不同应用程序的需求。这些 IPC 方法使得进程间的通信能够实现低延迟。这是考虑到保持进程实时性的愿望。
• 分区机制
  LynxOS 能够进行分区，从而有效地创建逻辑分区，应用程序或任务可以被分割成不同的段。这种设计可以防止一个分区中的故障影响其他分区，以实现最佳的系统稳定性。此功能可被描述为时间和空间分区。
• 设备驱动程序模型
  LynxOS 在驱动程序方面采用模块化范例，这使得与硬件接口变得容易。内核管理内核版本永久性资源，而驱动程序在用户空间运行，这使得内核不会因驱动程序损坏而崩溃。它还允许开发和方便地连接可能需要的特定硬件，特别是对于不常用的系统，这种功能称为自定义驱动程序。
• 内存管理
  LynxOS 内存管理子系统涵盖动态内存、内存保护和虚拟内存。它确保进程在内存分配正确的情况下执行其操作，以避免干扰。此外，内存分区有助于提高保护级别，因为进程被分割，并且禁止访问关键数据。
• 网络堆栈
  LynxOS 拥有经过测试和验证的网络层，并支持众所周知的协议，例如 TCP/IP、UDP 和以太网。在可确定的网络性能的情况下，它也能正常运行，从而可以确定数据传输速率。这种能力对于确定性的实时业务应用程序至关重要，例如电信系统、汽车应用等。
• 安全框架
  LynxOS 的一些特性包括启动安全、安全通信和用户身份验证。它符合行业标准，例如MILS 多级独立安全，并适用于各种行业。
• 多核处理器支持
  操作系统将任务分配给不同的核心。它提供负载均衡，以确保没有一个核心因负载过重而不堪重负，从而提高吞吐量。它还确保了除了物理类别之外，应用程序能够发展到更复杂的程度，与硬件越来越复杂相匹配。
• 调试工具
  LynxOS 中存在的调试工具允许开发人员了解系统行为、资源使用情况和利用率。这些有助于识别和消除问题，从而实现应用程序的形成和部署。

Lynx OS 支持的平台

• 与嵌入式处理器的兼容性
  LynxOS 目前支持一系列嵌入式处理器和片上系统 (SoC)，包括ARM、80x86/90、PowerPC、MIPS 和 Alpha 系列。这种灵活性使得该操作系统能够为多个硬件平台进行开发；航空航天、电信和工业自动化行业使用专用处理器。
• 与物联网设备的集成
  LynxOS 最适合当今的物联网应用，因为它易于与物联网设备兼容。其轻量级的架构和能源效率使其成为边缘计算的理想选择。这种兼容性使得 LynxOS 能够用于智能家电、工业物联网网络和其他需要实时计算的联网设备。
• ISE 开发支持多核系统。
  LynxOS 对多核 CPU 友好，可以在其中同时运行多个任务，并充分利用系统资源。这种能力对于执行高性能服务器、复杂的汽车系统和电信产品等形式的重型任务至关重要，以保证可扩展性和性能。
• 通过硬件层抽象的设备驱动程序。
  该操作系统包含一个模块化的设备驱动程序框架，以帮助消除硬件的复杂性。此功能使得 LynxOS 能够以相对较少的重新设计来适应许多特殊的硬件需求。它减少了在嵌入式平台上的部署，特别是那些拥有专有硬件集平台的部署。
• 与现有系统连接
  LynxOS 专为与旧版系统兼容而设计，同时又与现代技术兼容。它拥有符合 POSIX 标准的 Novell 客户端 API，可获得类 Unix 环境，从而允许应用程序顺利移植到新的嵌入式平台，而不会丢失兼容性。

Lynx OS 与其他实时操作系统

1. 确定性性能

• LynxOS：提供确定性的实时性能，包括抢占式调度和速率单调算法。它始终提供准确的时钟。
• VxWorks：基本性能与 LynxOS 相同，但更适合航天器和机器人等高规格项目。它仍具有增强的实时时钟同步功能。
• QNX：在角况下低延迟表现优于其他替代方案，采用微内核，开销极小，常用于汽车和医疗保健设备。
• RTEMS：与 LynxOS 和 QNX 相比，RTEMS 在进行重度多任务处理时预测性稍差。
• FreeRTOS：它具有实时性能能力，且更复杂，适合物联网应用；但其调度功能不如 LynxOS 或 VxWorks。

2. 安全功能

• LynxOS：配备了多级独立安全，启动设备采取了极端措施，并在不同分区中实现了安全。
• VxWorks：它提供了广泛的安全功能，例如加密处理、密封模式运行和为基础设施控制设计的入侵预防机制。
• QNX：专注于安全汽车系统，其安全认证模块符合 ISO 26262 标准。
• RTEMS：它不包含其他先进的组合安全选项，但支持对安全系统的修改。
• FreeRTOS：基本安全仅限于基本加密，这使得 LynxOS 在敏感或关键应用程序方面比其他操作系统具有优势。

3. 硬件支持

• LynxOS：它支持广泛的硬件架构，包括ARM、x86、MIPS和PowerPC等。它在传统平台上不再关键，在新平台上（如多核）也同样高效。
• VxWorks：提供广泛的硬件支持，包括为专用嵌入式硬件优化的驱动程序，因此非常适合该应用。
• QNX：这些汽车制造商、其供应商和系统集成商主要在汽车硬件集成方面得到认可，尤其是在传感器阵列和高性能处理器方面。
• RTEMS：几乎适用于所有架构，但通常需要针对特定架构进行调整。
• FreeRTOS：主要面向微控制器，对于 LynxOS 或 VxWorks 中已集成的嵌入式应用，其硬件支持不多。

4. 可扩展性

• LynxOS：当为单处理器和多核处理器设计时，以获得更好的性能，因为系统需求有所提升。
• VxWorks：它具有高度的可扩展性，可以根据需要进行精确配置，因此既可用于简单的单芯片电路，也可用于多层工业应用。
• QNX：由于系统的模块化，它可以有效地进行定制，尤其是在汽车和物联网领域。
• RTEMS：适用于中小型设计，但在大型复杂设计系统中使用时效果不佳。
• FreeRTOS：非常适合特定应用和选择小型物联网设备组，但不适合现代企业的大型实时系统。

开发工具和生态系统

• LynxOS IDE
  LynxOS 配备了一个增强的 集成开发环境 (IDE)，该环境旨在提供一站式功能，包括用于编写、编译、测试甚至调试器解决方案以修复错误的工具。IDE 集成了语法高亮、代码分析和版本控制集成。这尤其有助于改善实时系统的构建过程，同时包含用于调试和性能评估的实时实用程序。
• 交叉开发工具
  该操作系统附带交叉开发工具，允许在主机系统上编写和调试应用程序，然后再将其下载到目标嵌入式系统中。这种设置包括针对目标板特性优化的交叉编译器、链接器和加载器。这些工具使得将应用程序部署到嵌入式系统中的任务更加容易，特别是当目标架构为 ARM、x86 或 PowerPC 等时。
• POSIX 及其合规性
  另一项优势是与 POSIX 的兼容性，这使得基于 Unix 的应用程序可以通过应用程序编程接口集成到 LynxOS 中。这种合规性有助于保持开发人员熟悉的编程风格和库。
• 调试和监控实用程序
  LynxOS 集成了调试和监控工具，用于修复问题并增强已发布应用程序的功能。实时 Java 跟踪和内存泄漏检测可用于精确定位代码中可能缓慢消耗内存的部分。它还提供低级调试，并且工具提供有关系统运行和资源消耗的详细信息。
• 高级网络软件结构和工具
  LynxOS 环境包含一个集成的网络堆栈，内置 TCP/IP、UDP 和以太网实现。这些工具包括网络诊断实用程序，可帮助开发人员控制数据流量并管理通信。该堆栈对于物联网、电信以及任何需要高响应网络的应用至关重要。

应用

• 航空航天和国防系统
  LynxOS 应用于航空电子系统、雷达控制器、军事国防平台等。Vista-RED 的实时实现、对 ARINC 653 和 MILS 规范的符合性以及实现的容错性，为安全关键型应用（包括飞机导航和无人机控制系统）提供了准确的功能和更安全的数据处理。
• 工业自动化
  LynxOS 控制着工厂自动化应用，例如可编程逻辑控制器 (PLC)和用于工业实时过程的机器人控制。它可以为装配线、数控机床、物料搬运系统等提供精确的时间，这有助于提高生产力，并在高风险的工业环境中提供高安全性。
• 电信基础设施
  基站、路由器和交换机等通信应用都使用 LynxOS 来处理实时数据包和传输数据。由于其网络堆栈的组织能力和高速通信协议的兼容性，它还可以有效地支持当今先进的电信结构（如 5G 网络）的功能。
• 医疗设备
  在医疗保健市场，LynxOS 被用于生命维持设备，如病人监护仪、诊断工具和输液泵。它具有实时响应能力，能够以特定间隔监视和输出数据，这对于医院和诊断中心的病人监护等应用非常重要。
• 汽车系统
  LynxOS 也应用于智能交通系统，如 ADAS 或电子控制单元 (ECU) 以及车联网 (V2X) 模块。通过帮助管理实际的实时数据处理，这意味着车辆和现代汽车系统可以安全、高效、可靠地运行。
• 物联网 (IoT)
  LynxOS 被应用于物联网设备、智能家居物联网、IIoT 和边缘计算。由于其紧凑性和管理实时数据的能力，它能够有效地执行受限场景下的约束性处理，从而使联网设备和分布式系统能够高效可靠地运行。

局限性

• 定制的复杂性
  LynxOS 是一款特定于互联网和狭窄行业的、高可靠性的应用，这反过来可能需要针对特定应用进行优化。它具有这一优势，但将开发过程解放到如此程度，以至于只有经验最丰富的技术人员才能快速高效地完成工作，这通常会增加开发成本并延长产品上市时间。
• 受限环境
  与其他实时操作系统（如商业 RTOS、FreeRTOS 或社区 RTOS，如 Linux）不同，LynxOS 的操作系统自由度较低。这种限制体现在合作较少、第三方工具访问机会较少，以及对专有解决方案的依赖性更强，而这些解决方案并不符合成本效益。
• 高昂的许可费用
  LynxOS 还意味着高昂的许可费用，这可能对小型企业甚至初创公司不具吸引力。然而，对于其他能力是必需的、高度关键的应用来说，这个价格是合理的；但对于非关键或不太复杂的系统，则有其他免费或更便宜的选项。
• 依赖性挑战
  LynxOS 兼容多种不同的架构，包括 ARM、x86 和 PowerPC。系统的稳定性和兼容性很大程度上取决于其运行的 硬件 特性。最高水平的性能可能需要使用特定的、通常更昂贵的硬件，这会进一步增加项目成本并减少可用硬件选择的多样性。

未来趋势

• 网络安全
  随着网络空间威胁的日益多样化，LynxOS 开发人员将进一步提高系统的安全性。即将发布的版本应包含更好的保护措施，以及增强的加密技术和启动机制等，这些很可能符合 FIPS 和 GDPR 的更高安全要求。这些增强功能将巩固其在国防材料、航空航天和其他安全行业关键领域的地位。
• 采用虚拟化技术
  LynxOS 在自动驾驶汽车、无人机和机器人等先进运输应用中看到了加强其确定性实时操作能力的新机遇。通过改进传感器数据连接、实现实时应用程序决策以及支持基于 AI 的应用程序，LynxOS 将能够满足这些自动形成的需求。
• 与边缘计算集成
  这是操作系统需要通过靠近源头的反应性来解决的各种边缘计算相关问题。预计 LynxOS 将会增加该公​​司在物联网、工业自动化、智能建筑和其他环境的边缘设备市场的供应商份额。
• 使用虚拟化技术
  服务器虚拟化正逐渐被证明是工作负载整合和资源优化的一项关键技术。预计 LynxOS 的一些新版本可能会实现对虚拟机监控程序的额外支持，从而使系统能够支持大量虚拟机并运行实时任务。这一趋势将使其更适用于云原生和混合计算环境，帮助其在这些领域建立更大的基础。

结论

Lynx 操作系统是一款强大的 RTOS，专为任务关键型应用而设计。它高度可靠、安全且确定性强，已广泛应用于航空航天、汽车和国防行业。Lynx OS 正在不断发展，不断采纳新功能以适应现代世界，并将其能力扩展到不断增长的网络安全和边缘计算等趋势。

事实证明，它具有符合开放标准的模块化结构，因此面向未来。即使在今天，在确保安全和实时操作方面，Lynx OS 仍然是那些寻求经过验证的平台可靠性并不断丰富新功能之人的重要选择。