嵌入式Linux下的實(shí)時(shí)性增強(qiáng)方案

摘 要： 分析了嵌入式Linux在實(shí)時(shí)性方面的不足，針對Linux2.6內(nèi)核的中斷運(yùn)行機(jī)制、內(nèi)核不可搶占性、自旋鎖及大內(nèi)核鎖等問題進(jìn)行研究，提出相應(yīng)的實(shí)時(shí)性改進(jìn)方法。測試表明，改進(jìn)后的嵌入式Linux實(shí)時(shí)性效果較好。

Linux以其功能強(qiáng)大、源代碼開放、支持多種硬件平臺、模塊化設(shè)計(jì)方案以及豐富的開發(fā)工具支持等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域。作為嵌入式產(chǎn)品的操作系統(tǒng)平臺，具有較好的實(shí)時(shí)性、系統(tǒng)可靠性、任務(wù)處理隨機(jī)性是系統(tǒng)追求的目標(biāo)，目前商業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能可以滿足嵌入式領(lǐng)域的需求，但由于其價(jià)格昂貴，應(yīng)用受到了限制[1]。而嵌入式Linux以其非常低廉的價(jià)格，可以大大地降低成本，逐漸成為嵌入式操作系統(tǒng)的首選。但由于其在實(shí)時(shí)應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)障礙，要應(yīng)用在嵌入式領(lǐng)域,還必須對Linux內(nèi)核作必要的改進(jìn)。本文以S3C2410+Linux作為移動(dòng)機(jī)器人操作平臺,為了提高機(jī)器人任務(wù)處理的實(shí)時(shí)性，針對影響Linux OS實(shí)時(shí)性能的若干方面進(jìn)行研究，并利用相應(yīng)的解決方法基于標(biāo)準(zhǔn)Linux2.6內(nèi)核加以實(shí)現(xiàn)，最后通過測試，驗(yàn)證了此改進(jìn)方法的效果。

1 Linux內(nèi)核實(shí)時(shí)性分析

1.1 Linux內(nèi)核制約實(shí)時(shí)性的因素

衡量操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的指標(biāo)主要有中斷延遲和搶占延遲。嵌入式系統(tǒng)中很多實(shí)時(shí)任務(wù)是靠中斷驅(qū)動(dòng)的，中斷事件必須在限定的時(shí)限內(nèi)處理，否則將產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。大多數(shù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)都是處理一些周期性的或非周期性的重復(fù)事件，事件產(chǎn)生的頻度就確定了任務(wù)的執(zhí)行時(shí)限，因此每次事件發(fā)生時(shí)，相應(yīng)的處理任務(wù)必須及時(shí)響應(yīng)處理，否則將無法滿足時(shí)限[2]。搶占延遲就反映了系統(tǒng)的響應(yīng)及時(shí)程度。針對Linux內(nèi)核，中斷關(guān)閉及中斷優(yōu)先級執(zhí)行機(jī)制、內(nèi)核不可搶占性、自旋鎖（spinlock）及大內(nèi)核鎖及一些O(n)的任務(wù)調(diào)度算法影響了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。

1.2 現(xiàn)存增強(qiáng)Linux內(nèi)核實(shí)時(shí)性的技術(shù)

多年來,Linux實(shí)時(shí)性改進(jìn)技術(shù)的發(fā)展主要有兩種技術(shù)方案:(1)直接修改Linux內(nèi)核。針對內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、調(diào)度函數(shù)、中斷方式進(jìn)行改動(dòng)，重新設(shè)計(jì)一個(gè)由優(yōu)先級驅(qū)動(dòng)的實(shí)時(shí)調(diào)度器,替換原有Linux內(nèi)核中的進(jìn)程調(diào)度器sched.c。這一方案主要是針對中斷機(jī)制、任務(wù)調(diào)度算法進(jìn)行改進(jìn)的，較為成功的案例為Kansas大學(xué)開發(fā)的Kurt-Linux。Kurt提高了Linux系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)精度，將時(shí)鐘芯片設(shè)置為單觸發(fā)狀態(tài)。對于實(shí)時(shí)任務(wù)的調(diào)度，Kurt-Linux采用基于時(shí)間的靜態(tài)實(shí)時(shí)CPU調(diào)度算法。實(shí)時(shí)任務(wù)在設(shè)計(jì)階段就需要明確地說明其實(shí)時(shí)事件要發(fā)生的時(shí)間。這種調(diào)度算法對于那些循環(huán)執(zhí)行的任務(wù)能夠取得較好的調(diào)度效果;(2)在Linux內(nèi)核之外進(jìn)行實(shí)時(shí)性擴(kuò)展，添加一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核。實(shí)時(shí)內(nèi)核接管硬件所有中斷，并依據(jù)是否為實(shí)時(shí)任務(wù)給予響應(yīng)。Fsm Labs公司開發(fā)的RTLinux就是依據(jù)這種策略開發(fā)設(shè)計(jì)的[3]。以上論述的兩種技術(shù)方案有其可借鑒之處，但如果綜合考慮任務(wù)響應(yīng)、內(nèi)核可搶占性、實(shí)時(shí)調(diào)度策略等都將影響操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能，因此，這兩種技術(shù)還不能很好地滿足實(shí)時(shí)性要求。為了增強(qiáng)嵌入式Linux實(shí)時(shí)性能，下面將介紹中斷機(jī)制、內(nèi)核的搶占性以及大內(nèi)核鎖等相關(guān)問題。

2 Linux實(shí)時(shí)性改進(jìn)方法

Linux2.4及以前版本內(nèi)核是不可搶占的,在Linux2.6中，內(nèi)核已經(jīng)可以搶占，實(shí)時(shí)性有所增強(qiáng)。但是內(nèi)核中仍然有不可搶占的區(qū)域，如自旋鎖spinlock保護(hù)的臨界區(qū)等。另外，影響內(nèi)核實(shí)時(shí)性能的因素還有中斷運(yùn)行機(jī)制、大內(nèi)核鎖機(jī)制以及調(diào)度算法等。

2.1 中斷運(yùn)行機(jī)制改進(jìn)

在Linux標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核中,中斷是最高優(yōu)先級的執(zhí)行單元，硬件架構(gòu)決定了硬件中斷到來的時(shí)候在該中斷沒有被屏蔽的條件下必須處理。不管內(nèi)核當(dāng)時(shí)處理什么，即便是Linux中最高優(yōu)先級的實(shí)時(shí)進(jìn)程，只要有中斷發(fā)生，系統(tǒng)將立即響應(yīng)該事件并執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理程序，這就大大削弱了Linux的實(shí)時(shí)性能。特別是系統(tǒng)有嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)或I/O負(fù)載時(shí)，中斷將非常頻繁，實(shí)時(shí)任務(wù)將很難有機(jī)會(huì)運(yùn)行，這對于Linux的實(shí)時(shí)應(yīng)用來說是不可接受的。Linux采用的關(guān)中斷技術(shù)在關(guān)中斷區(qū)域使相應(yīng)實(shí)時(shí)任務(wù)得不到響應(yīng)，增加了實(shí)時(shí)任務(wù)的中斷延遲。Linux實(shí)時(shí)化后自旋鎖變?yōu)榛コ怄i的技術(shù)，但由于自旋鎖的中斷處理不能及時(shí)響應(yīng)，降低了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。因此，借鑒Ingo Molnar實(shí)時(shí)補(bǔ)丁的實(shí)時(shí)化方法，采用中斷線程化技術(shù)改進(jìn)中斷運(yùn)行機(jī)制，中斷將作為內(nèi)核線程運(yùn)行而且賦予不同的實(shí)時(shí)優(yōu)先級，實(shí)時(shí)任務(wù)可以有比中斷線程更高的優(yōu)先級，這樣，實(shí)時(shí)任務(wù)就可以作為最高優(yōu)先級的執(zhí)行單元來運(yùn)行了，即使在嚴(yán)重負(fù)載下仍有實(shí)時(shí)性保證。另一方面,中斷處理線程也可以因?yàn)樵趦?nèi)核同步中得不到鎖而掛載到鎖的等待隊(duì)列中,很多關(guān)中斷就不必真正的禁止硬件中斷了，而是禁止內(nèi)核進(jìn)程搶占，從而減小了中斷延遲[4]。

在初始化階段，常規(guī)中斷初始化和中斷線程化的初始化在STart_kernel( )函數(shù)中都調(diào)用trap_init( )和init_IRQ( )兩個(gè)函數(shù)來初始化irq_desc_t結(jié)構(gòu)體，區(qū)別主要體現(xiàn)在內(nèi)核初始化創(chuàng)建init線程時(shí)，中斷線程化的中斷在init( )函數(shù)中還將調(diào)用init_hardirqs（kernel/irq/manage.c）來為每一個(gè)IRQ創(chuàng)建一個(gè)內(nèi)核線程，最高實(shí)時(shí)優(yōu)先級為50，依次類推直到25。因此，任何IRQ線程的最低實(shí)時(shí)優(yōu)先級為25，具體實(shí)現(xiàn)是通過kthread_create函數(shù)創(chuàng)建的。功能實(shí)現(xiàn)等同于如下代碼：

void __init init_hardirqs(void)

{ ……

for (i = 0; i NR_IRQS; i++) {

//對于每一個(gè)中斷建立一個(gè)中斷線程

irq_desc_t *desc = irq_desc + i;

if(desc->actiON !(desc->status IRQ_NODELAY))

//有IRQ_NODELAY標(biāo)志的中斷不允許線程化

desc->thread = kthread_create(do_irqd,

desc, IRQ %d, irq); //建立線程

……

}

}

static int do_irqd(void * __desc)

//分配中斷線程優(yōu)先級50~25

{ ……

/*Scale irq thread priorities from prio 50 to prio 25 */

param.sched_priority = curr_irq_prio;

if (param.sched_priority > 25)

curr_irq_prio = param.sched_priority - 1;

……

}