嵌入式Linux實(shí)時(shí)化技術(shù)

　　Linux實(shí)時(shí)化技術(shù)及評(píng)價(jià)

　　2.6版本Linux內(nèi)核實(shí)時(shí)性能有一定增強(qiáng)，雙內(nèi)核方式的Linux實(shí)時(shí)化技術(shù)也在不斷發(fā)展中。原來(lái)由FSMLab維護(hù)的RTLinux，其版權(quán)在2007年2月被Wind River購(gòu)買，RTAI支持x386等體系結(jié)構(gòu)，但由于其代碼較難維護(hù)、bug較難調(diào)試等原因，許多開(kāi)發(fā)者加入了Xenomai項(xiàng)目。Xenomai支持最新2.6版 Linux，相比之下代碼相對(duì)穩(wěn)定和可維護(hù)，開(kāi)發(fā)模式較活躍。

　　內(nèi)核補(bǔ)丁方式的Linux實(shí)時(shí)化技術(shù)在2.6版內(nèi)核基礎(chǔ)上做了大量改進(jìn)，使得內(nèi)核中除了中斷關(guān)閉和IRQ線程分派、調(diào)度和上下文切換之外的絕大部分代碼都可以被搶占，不可搶占的自旋鎖保護(hù)臨界區(qū)從一千多個(gè)減少到幾十個(gè)，使得內(nèi)核實(shí)時(shí)性得到極大的提高，獲得社區(qū)廣泛支持并逐漸成為L(zhǎng)inux實(shí)時(shí)化主流技術(shù)。

　　Linux內(nèi)核實(shí)時(shí)化改進(jìn)

　　實(shí)時(shí)搶占內(nèi)核補(bǔ)丁針對(duì)Linux各種延遲進(jìn)行了實(shí)時(shí)化改進(jìn)，主要包括了幾個(gè)方面的技術(shù)。

　　● 實(shí)時(shí)搶占內(nèi)核

　　為了實(shí)現(xiàn)內(nèi)核完全可搶占，實(shí)時(shí)內(nèi)核臨界區(qū)用高性能優(yōu)先級(jí)繼承mutex替換原來(lái)自旋鎖(spin-lock)來(lái)進(jìn)行保護(hù)，使得在臨界區(qū)內(nèi)的執(zhí)行也可被搶占。只有當(dāng)線程想訪問(wèn)一個(gè)其他線程正在訪問(wèn)的臨界區(qū)時(shí)，才被調(diào)度至睡眠，直到所保護(hù)的臨界區(qū)被釋放時(shí)被喚醒。

　　在實(shí)時(shí)搶占內(nèi)核中通過(guò)優(yōu)先級(jí)繼承機(jī)制(PI)在線程被一個(gè)低優(yōu)先級(jí)線程所持有的資源阻塞時(shí)，低優(yōu)先級(jí)線程通過(guò)繼承被阻塞線程優(yōu)先級(jí)，盡快執(zhí)行并釋放所持資源而不被其他線程所搶占。

　　● 新型鎖機(jī)制帶來(lái)內(nèi)核性能提升

　　實(shí)時(shí)搶占補(bǔ)丁替換了大內(nèi)核鎖(BKL)，將BKL從spin lock改成是mutex，持有BKL的線程也可以被搶占，減少了內(nèi)核調(diào)度延遲。此外，實(shí)時(shí)搶占補(bǔ)丁通過(guò)mutex替代semaphore，避免了不必要的時(shí)間負(fù)載。實(shí)時(shí)搶占補(bǔ)丁實(shí)現(xiàn)了可搶占的RCU(Read- Copy Update)鎖和串行化讀寫(xiě)鎖，保證了執(zhí)行可預(yù)測(cè)性，提高了性能。

　　● 中斷線程化

　　實(shí)時(shí)搶占補(bǔ)丁通過(guò)內(nèi)核線程來(lái)實(shí)現(xiàn)一些硬件中斷和軟件中斷的服務(wù)程序。體系結(jié)構(gòu)相關(guān)處理代碼設(shè)置IRQ狀態(tài)、檢查線程化的中斷是否使能，并喚醒相關(guān)線程。在中斷線程被調(diào)度執(zhí)行后，進(jìn)行中斷服務(wù)處理。在實(shí)時(shí)搶占內(nèi)核中，用戶線程優(yōu)先級(jí)可以高于設(shè)備中斷服務(wù)線程。實(shí)時(shí)任務(wù)無(wú)需等待設(shè)備驅(qū)動(dòng)處理程序執(zhí)行，減小了實(shí)時(shí)搶占延遲。

　　● 時(shí)鐘系統(tǒng)改進(jìn)

　　實(shí)時(shí)搶占內(nèi)核的時(shí)鐘系統(tǒng)重新進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高精度定時(shí)器。時(shí)鐘精度不再依賴jiffies，使POSIX定時(shí)器和nanosleep精度由具體硬件所能提供的精度決定，使得gettimeofday能夠提供實(shí)時(shí)系統(tǒng)所需的精確時(shí)間值。