CBS算法的RTAI內(nèi)核調(diào)度器設(shè)計(jì)
近年來基于雙內(nèi)核架構(gòu)增強(qiáng)Linux操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的RTAI[1](RealTime Application Interface)在工業(yè)控制等硬實(shí)時(shí)領(lǐng)域已經(jīng)得到了越來越多的應(yīng)用。本文提出的調(diào)度器通過采用基于服務(wù)策略的CBS算法對RATI內(nèi)核下的EDF調(diào)度器進(jìn)行擴(kuò)展,可以保證分配一定的CPU資源供Linux上的軟實(shí)時(shí)應(yīng)用,即使在有硬實(shí)時(shí)任務(wù)并發(fā)時(shí)也能得到處理器資源。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了基于CBS算法擴(kuò)展RTAI內(nèi)核調(diào)度器的正確性。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/150622.htm關(guān)鍵詞 RTAI Linux CBS算法 內(nèi)核調(diào)度器
引言
嵌入式系統(tǒng)大多工作在有實(shí)時(shí)性要求的環(huán)境中,有些嵌入式設(shè)備可能需要軟件在ms級時(shí)間單位內(nèi)做出響應(yīng),而有些實(shí)時(shí)任務(wù)則要無任何延時(shí)地以幾ms的周期執(zhí)行,這就迫切需要一個(gè)功能強(qiáng)大、配置方便的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來支持。一些商業(yè)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(如Windows CE、VxWorks等)價(jià)格都比較昂貴,這就促使人們轉(zhuǎn)向了改造通用嵌入式操作系統(tǒng),使其滿足實(shí)時(shí)性。這種改造要求源代碼必須開放,而Linux是嵌入式應(yīng)用中的通用嵌入式操作系統(tǒng),源代碼開放,滿足改造研究上的需求。
對Linux實(shí)時(shí)化改造的方案很多,主要有兩種:一種直接修改內(nèi)核,另一種是采用雙內(nèi)核機(jī)制。第一種方法只能用于軟實(shí)時(shí)應(yīng)用,只有雙內(nèi)核架構(gòu)的方案可以保障硬實(shí)時(shí)應(yīng)用的截止期不被錯(cuò)過。但是,雙內(nèi)核架構(gòu)在軟、硬實(shí)時(shí)任務(wù)混合的應(yīng)用環(huán)境中還存在一些問題。由于硬實(shí)時(shí)任務(wù)工作在RTAI實(shí)時(shí)內(nèi)核空間中,而軟實(shí)時(shí)任務(wù)工作在Linux內(nèi)核空間中,Linux作為優(yōu)先級最低的任務(wù)被頂層實(shí)時(shí)內(nèi)核調(diào)度執(zhí)行,在一段時(shí)間內(nèi)可以分配給軟實(shí)時(shí)任務(wù)的處理器時(shí)間依賴于RTAI硬實(shí)時(shí)應(yīng)用對處理器帶寬的要求,而且在不同的時(shí)間段內(nèi)可用的處理器時(shí)間一般會有很大的不同。這就難以保障運(yùn)行在Linux中的軟時(shí)應(yīng)用達(dá)到預(yù)先設(shè)定的服務(wù)質(zhì)量水平。
1 基于服務(wù)策略算法的實(shí)時(shí)調(diào)度器
針對雙內(nèi)核架構(gòu)下增強(qiáng)Linux實(shí)時(shí)性時(shí)存在的問題,本文提出一種實(shí)時(shí)調(diào)度器,采用基于服務(wù)策略的CBS算法對RTAI內(nèi)核下的EDF調(diào)度器進(jìn)行擴(kuò)展,保證在有硬實(shí)時(shí)任務(wù)的同時(shí)滿足Linux內(nèi)核空間下軟實(shí)時(shí)任務(wù)的周轉(zhuǎn)時(shí)間。
1.1 實(shí)時(shí)調(diào)度器基于的CBS算法定義
為了縮短混合實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度中軟實(shí)時(shí)任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間,以及減少軟實(shí)時(shí)任務(wù)錯(cuò)失截止期,人們提出了多種軟實(shí)時(shí)任務(wù)的調(diào)度算法。典型的有基于服務(wù)策略的算法,又稱“帶寬預(yù)留算法”。該算法在保證硬實(shí)時(shí)周期任務(wù)滿足截止期的前提下,預(yù)留出適當(dāng)?shù)奶幚砥鲙捵鳛榉?wù)器來處理軟實(shí)時(shí)任務(wù),常用的算法有CBS、TBS算法等。服務(wù)策略的含義是: 服務(wù)器把到達(dá)的任務(wù)放入一個(gè)非優(yōu)先規(guī)則的隊(duì)列中,該隊(duì)列的第一個(gè)任務(wù)根據(jù)分配的截止期插入EDF調(diào)度隊(duì)列中,如果隊(duì)列的第一個(gè)任務(wù)被插入到調(diào)度隊(duì)列等待調(diào)度,則稱“服務(wù)器是合格的”,否則稱“服務(wù)器是不合格的”;如果隊(duì)列的第一個(gè)任務(wù)正在執(zhí)行,則稱“服務(wù)器為活動的”。下面給出了采用CBS算法時(shí)軟實(shí)時(shí)任務(wù)在不影響硬實(shí)時(shí)任務(wù)截止期的情況下是否可以調(diào)度的判別準(zhǔn)則。
假定某一實(shí)時(shí)任務(wù)Ti的處理器帶寬記為(Ci,Pi),表示任務(wù)Ti在周期Pi內(nèi)最多占用Ci的處理器時(shí)間。定義實(shí)時(shí)任務(wù)Ti的處理器利用率為:
現(xiàn)假定系統(tǒng)中n個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù),記為{T1,T2,…,Tn},對應(yīng)著n個(gè)處理器帶寬參數(shù),記為(Ci,Pi),其中i=1, 2,…,n。則此任務(wù)集可調(diào)度的條件為:
滿足上式時(shí)任務(wù)集是可調(diào)度的。其中Umax是EDF算法調(diào)度時(shí)CPU處理器利用率的最大值。
CBS算法步驟詳細(xì)定義如下:
① 一個(gè)CBS服務(wù)器用預(yù)留執(zhí)行能力cs和有序?qū)Γ≦s,Ts)來表示。其中,Qs表示服務(wù)器的最大執(zhí)行能力補(bǔ)充值,Ts表示服務(wù)器周期。服務(wù)器帶寬Us=Qs/Ts。服務(wù)器截止期的初始值ds,0=0,而任意時(shí)刻,服務(wù)器的修正截止期ds,k和服務(wù)器相關(guān)聯(lián)。
?、?被服務(wù)器服務(wù)的任務(wù)(隊(duì)列的第一個(gè)任務(wù))被分配一個(gè)動態(tài)截止期di,j,該截止期等于當(dāng)前服務(wù)器截止期ds,k。
?、?不管一個(gè)任務(wù)什么時(shí)候執(zhí)行,服務(wù)器的預(yù)留執(zhí)行能力cs都以相同的數(shù)量遞減。
?、?當(dāng)預(yù)留執(zhí)行能力cs遞減到零時(shí),馬上被重置為最大執(zhí)行能力補(bǔ)充值Qs,同時(shí)產(chǎn)生新的服務(wù)器截止期ds,k+1=ds,k+Ts。
?、?在時(shí)刻t,如果存在一個(gè)服務(wù)的任務(wù)Ji,j(ri,j≤t≤fi,j),那么稱“CBS處于活動狀態(tài)”,否則稱為“空閑狀態(tài)”。
?、?當(dāng)一個(gè)作業(yè)Ji,j到達(dá)時(shí),如果此時(shí)服務(wù)器處于活動狀態(tài),那么任務(wù)的服務(wù)請求進(jìn)入掛起任務(wù)隊(duì)列,此隊(duì)列需是非搶先原則的隊(duì)列(如先進(jìn)先出隊(duì)列)。
?、?當(dāng)一個(gè)任務(wù)Ji,j到達(dá),且服務(wù)器處于空閑狀態(tài)時(shí),如果cs≥(ds,k-ri,j)Us,那么服務(wù)器產(chǎn)生一個(gè)新的服務(wù)器截止期ds,k+1=ri,j+Ts,并且把預(yù)留執(zhí)行能力cs重置為最大執(zhí)行能力補(bǔ)充值Qs,否則服務(wù)器使用當(dāng)前的服務(wù)器截止期ds,k和當(dāng)前的預(yù)留執(zhí)行能力cs來對任務(wù)進(jìn)行服務(wù)。
?、?當(dāng)一個(gè)任務(wù)完成時(shí),服務(wù)器利用當(dāng)前的預(yù)留執(zhí)行能力和截止期繼續(xù)為掛起任務(wù)隊(duì)列中的任務(wù)服務(wù)。如果掛起任務(wù)隊(duì)列中沒有任務(wù),那么服務(wù)器變成空閑狀態(tài)。
?、?在任何時(shí)刻,服務(wù)器分配給任務(wù)的截止期為最后生成的服務(wù)器截止期。
1.2 EDF調(diào)度器的CBS算法擴(kuò)展設(shè)計(jì)
1.2.1 EDF調(diào)度器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
先引入一種“虛擬任務(wù)”的概念。所謂“虛擬任務(wù)”,就是指由RTAI底層實(shí)時(shí)小內(nèi)核按EDF算法直接調(diào)度執(zhí)行的一種特殊的硬實(shí)時(shí)任務(wù),對應(yīng)于Linux用戶空間的某一軟實(shí)時(shí)應(yīng)用。其任務(wù)截止期由RTAI內(nèi)核下的CBS服務(wù)器計(jì)算得出。
本文將RATI內(nèi)核下的EDF調(diào)度器進(jìn)行了以下擴(kuò)展:
?、?在EDF調(diào)度層,仍然采用原RTAI內(nèi)核下調(diào)度器采用的EDF調(diào)度算法,對硬實(shí)時(shí)周期任務(wù)和虛擬任務(wù)集合進(jìn)行調(diào)度;而CBS服務(wù)器則按一定的比例占用處理機(jī)時(shí)間,同時(shí)通過服務(wù)器接口與一個(gè)實(shí)時(shí)應(yīng)用相對應(yīng),為其提供資源服務(wù)。
?、?在服務(wù)器層有CBS服務(wù)器核和CBS服務(wù)器接口。
CBS服務(wù)器核的主要功能是根據(jù)傳入的相關(guān)調(diào)度信息維護(hù)底層實(shí)時(shí)小內(nèi)核中的可用CBS服務(wù)器隊(duì)列,在任務(wù)開始、掛起、終止等調(diào)度時(shí)執(zhí)行相應(yīng)的事件處理函數(shù)來調(diào)整CBS服務(wù)器的屬性參數(shù),實(shí)現(xiàn)CBS算法。
EDF調(diào)度器擴(kuò)展如圖1所示。
圖1 EDF調(diào)度器擴(kuò)展
在服務(wù)器接口中,由于硬實(shí)時(shí)任務(wù)工作在RTAI實(shí)時(shí)內(nèi)核下,而軟實(shí)時(shí)任務(wù)一般工作在Linux內(nèi)核下,因此服務(wù)器維護(hù)的虛擬任務(wù)為了與實(shí)際的實(shí)時(shí)任務(wù)建立對應(yīng),就需要一個(gè)接口來實(shí)現(xiàn)它們的映射關(guān)系。本文通過這個(gè)接口層來為Linux內(nèi)核中的實(shí)時(shí)任務(wù)和RTAI內(nèi)核下的虛擬任務(wù)提供映射實(shí)現(xiàn)。
1.2.2 EDF調(diào)度器擴(kuò)展后調(diào)度主要算法步驟
?、?不同類型的新應(yīng)用程序到達(dá)時(shí),通過服務(wù)器接口層中的系統(tǒng)調(diào)用對其進(jìn)行判別控制檢查,主要通過式(2)來進(jìn)行。如果通過檢查,則說明調(diào)度新到達(dá)的應(yīng)用程序不會影響硬實(shí)時(shí)任務(wù)的截止期。
②通過判別檢查之后,CBS服務(wù)器為其創(chuàng)建一個(gè)與新應(yīng)用程序?qū)?yīng)的虛擬任務(wù),并根據(jù)新應(yīng)用程序傳入的調(diào)度參數(shù)和自己的調(diào)度策略,計(jì)算得到虛擬任務(wù)的任務(wù)截止期。如果此時(shí)服務(wù)器是活動的,將此新虛擬任務(wù)掛入服務(wù)器維護(hù)的先進(jìn)先出隊(duì)列。取出服務(wù)器的先進(jìn)先出隊(duì)列隊(duì)首虛擬任務(wù),并根據(jù)任務(wù)截止期大小進(jìn)入RTAI實(shí)時(shí)內(nèi)核的EDF就緒隊(duì)列;同時(shí),新應(yīng)用程序也加入到Linux內(nèi)核下相應(yīng)的調(diào)度對象集合中,調(diào)度對象集合是一個(gè)由與新任務(wù)相匹配的具體調(diào)度器調(diào)度的集合,這個(gè)調(diào)度器基于某種調(diào)度算法,不是本文的討論重點(diǎn),但是如果從整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)來說,這些都是必不可少的部分。本文重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的是RTAI內(nèi)核下對軟硬實(shí)時(shí)混合調(diào)度的支持。
?、?虛擬任務(wù)與RATI下的硬實(shí)時(shí)周期任務(wù)一起由EDF調(diào)度器統(tǒng)一調(diào)度分配。
1.3 EDF調(diào)度器的擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)
根據(jù)擴(kuò)展設(shè)計(jì)方案,下面討論在對EDF調(diào)度器進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)所涉及的關(guān)鍵問題及解決途徑。
1.3.1 EDF調(diào)度層擴(kuò)展的關(guān)鍵問題
首先是實(shí)時(shí)內(nèi)核的虛擬任務(wù)和Linux用戶空間中的軟實(shí)時(shí)任務(wù)的映射問題。軟實(shí)時(shí)任務(wù)是運(yùn)行在用戶空間的Linux進(jìn)程中。它通過CBS服務(wù)器接口層中的新增系統(tǒng)調(diào)用rt_schedule_test()進(jìn)入準(zhǔn)入測試后,調(diào)用CBS服務(wù)器接口層的新增系統(tǒng)調(diào)用rt_create_virtual_task()創(chuàng)建虛擬任務(wù),并且傳入軟實(shí)時(shí)應(yīng)用的進(jìn)程ID,應(yīng)用調(diào)度器ID在虛擬任務(wù)結(jié)構(gòu)體中保存下來。當(dāng)虛擬任務(wù)被EDF算法調(diào)度執(zhí)行時(shí),它通過實(shí)時(shí)內(nèi)核中的軟中斷模擬機(jī)制保存對應(yīng)的進(jìn)程ID,應(yīng)用調(diào)度器ID到中斷暫存表,然后調(diào)用rt_switch_to_linux切換到Linux內(nèi)核。Linux內(nèi)核通過應(yīng)用調(diào)度器ID找到調(diào)度器,將要調(diào)度執(zhí)行的進(jìn)程ID傳給此調(diào)度器,由調(diào)度器調(diào)度此進(jìn)程執(zhí)行,這就實(shí)現(xiàn)了虛擬任務(wù)與軟實(shí)時(shí)應(yīng)用的對應(yīng)。
1.3.2 服務(wù)器核實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵問題
?、?為減少系統(tǒng)中的全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)種類,虛擬任務(wù)與實(shí)時(shí)任務(wù)使用同樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義。為此,修改了RTAI的實(shí)時(shí)任務(wù)的rt_task_struct結(jié)構(gòu)定義:添加了與虛擬任務(wù)相關(guān)的屬性,如對應(yīng)的具體軟實(shí)時(shí)任務(wù)的ID、軟實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度器ID、任務(wù)截止期和指向CBS服務(wù)器的指針;定義了服務(wù)器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體rt_CBSServer,屬性參數(shù)有服務(wù)器的預(yù)留執(zhí)行能力計(jì)算值、已使用的服務(wù)器預(yù)留的計(jì)算值、周期、開始時(shí)間、截止時(shí)間以及服務(wù)器先進(jìn)先出隊(duì)列VTQueue。
?、?CBS服務(wù)器算法的實(shí)現(xiàn)。CBS服務(wù)器算法需要在虛擬任務(wù)到達(dá)事件、虛擬任務(wù)完成事件以及服務(wù)器預(yù)留執(zhí)行能力耗盡事件發(fā)生時(shí)刻,及時(shí)對服務(wù)器的相關(guān)屬性和虛擬任務(wù)屬性進(jìn)行調(diào)整,特別是虛擬任務(wù)的截止期和服務(wù)器的截止期。
下面介紹基于服務(wù)策略的CBS算法的偽代碼實(shí)現(xiàn)。
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