嵌入式Linux下的實時性增強方案
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在中斷處理階段當(dāng)中斷發(fā)生時,CPU調(diào)用do_IRQ( )函數(shù)來處理中斷，do_IRQ( )在做了必要的相關(guān)處理之后調(diào)用_do_IRQ( )。_do_IRQ( )主要功能為判斷該中斷是否已經(jīng)被線程化(核對終端描述符的狀態(tài)字段是否包含IRQ_NODELAY標(biāo)志)，對于沒有線程化的中斷，將直接調(diào)用 handle_IRQ_event( )函數(shù)來處理。功能實現(xiàn)等同于如下代碼：
fastcall notrace unsigned int __do_IRQ(unsigned int irq,
struct pt_regs *regs)
{ ……
if (redirect_hardirq(desc))
//檢測是否為線程化中斷，若是則喚醒中斷線程
goto out_no_end;
……
action_ret = handle_IRQ_event(irq, regs, action);
//處理非線程化中斷
……
}
int redirect_hardirq(struct irq_desc *desc)
//檢測irq_desc結(jié)構(gòu)體，判斷是否線程化
{ ……
if (!hardirq_preemption || (desc->status IRQ_
NODELAY) || !desc->thread)
return 0;
……
if (desc->thread desc->thread->state != TASK_
RUNNING)
wake_up_process(desc->thread);
……
}
針對已線程化的情況，調(diào)用wake_up_process( )函數(shù)喚醒中斷處理線程執(zhí)行，內(nèi)核線程將調(diào)用do_hardirq( )來處理相應(yīng)的中斷。具體實現(xiàn)是通過handle_IRQ_event( )函數(shù)直接調(diào)用相應(yīng)的中斷處理函數(shù)完成的。對于緊急的中斷(如時鐘中斷),內(nèi)核保持原來的中斷處理方式，而不為其創(chuàng)建中斷線程，這樣就保證了緊急中斷的快速響應(yīng)。
2.2 內(nèi)核可搶占性設(shè)計
在Linux標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核中，因不具有可搶占性和導(dǎo)致較大的延遲，增加內(nèi)核的可搶占性能，可提高系統(tǒng)的實時任務(wù)處理能力。當(dāng)前修改Linux內(nèi)核提高實時性的方法主要有增加搶占點和改造成搶占式內(nèi)核兩種方法。增加搶占點方法是在內(nèi)核中插入搶占點，通過檢測搶占點調(diào)度標(biāo)志來決定是否進行實時任務(wù)的調(diào)度。采用這種方法，在檢測搶占點標(biāo)志時大大增加了系統(tǒng)開銷，因此本方案采用直接改造Linux內(nèi)核的方法，通過修改自旋鎖為互斥鎖來提高內(nèi)核的可搶占性 [5]。即借鑒Ingo Molnar的實時補丁的實時化方法，使用mutex互斥鎖來替換spinlock自旋鎖。使用mutex替換spinlock，可以讓spinlock 可搶占。起初spinlock不可搶占性設(shè)計目的是避免死鎖，可搶占性設(shè)計可能導(dǎo)致競爭者與保持者的死鎖局面。中斷處理函數(shù)中也可以使用 spinlock，如果spinlock已經(jīng)被某一進程保持，則中斷處理函數(shù)無法進行，從而形成死鎖。中斷線程化以后，中斷線程將掛在等待隊列上并放棄 CPU讓別的線程或進程來運行,讓每個spinlock都有一個等待隊列，該等待隊列按進程或線程優(yōu)先級排隊,如果一個進程或線程競爭的spinlock 已經(jīng)被另一個線程保持,它將把自己掛在該spinlock的優(yōu)先級化的等待隊列上，然后發(fā)生調(diào)度把CPU讓給別的進程或線程。mutex替換 spinlock后，spinlock結(jié)構(gòu)定義如下代碼：
typedef struct {
struct rt_mutex lock; //新的實時互斥鎖
unsigned int break_lock;
} spinlock_t;
其中struct rt_mutex結(jié)構(gòu)如下：
struct rt_mutex {
raw_spinlock_t wait_lock;
struct plist wait_list; //優(yōu)先級等待隊列
struct task_struct *owner; //擁有該鎖進程的信息
int owner_prio;
… …
};
在如上代碼中,類型raw_spinlock_t就是原來的spinlock_t。即代碼中的spinlock_t就是新設(shè)計的自旋鎖。 rt_mutex結(jié)構(gòu)中,wait_list字段為優(yōu)先級等待隊列。在mutex使用中，當(dāng)遇到鎖住的臨界資源時，任務(wù)被掛起到wait_list中，臨界資源解鎖時等待任務(wù)被激活。臨界資源被保護的同時可以搶占。
linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）
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