嵌入式Linux操作系統(tǒng)實時性的分析

一、引言

Linux本身為分時操作系統(tǒng)，其系統(tǒng)目標為較好的平均響應(yīng)時間和較高的吞吐量，而實時 系統(tǒng)則主要考慮任務(wù)的按時完成、盡量減少進程運行的不可預(yù)測性等。但與商業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)相比Linux遵循GPL，具有源代碼開放、定制方便、支持廣泛的計算機硬件等優(yōu)點，所以，近年來嵌入式Linux成為嵌入式系統(tǒng)方向上的一個研究熱點。本文首先分析了實時系統(tǒng)的特點和Linux內(nèi)核在實時應(yīng)用方面的不足，然后針對影響操作系統(tǒng)實時性能的若干方面進行研究，提出解決方案，最后總結(jié)全文。

二、實時系統(tǒng)的分類

實時系統(tǒng)最重要的特點就是實時性，即系統(tǒng)的正確性不僅僅依賴于計算的邏輯結(jié)果的正確性，還取決于輸出結(jié)果時間的及時性。從這個角度看，實時系統(tǒng)是“一個能夠在指定或者確定的時間內(nèi)完成系統(tǒng)功能和對外部環(huán)境做出響應(yīng)的系統(tǒng)”。按對實時性能要求的程度，實時系統(tǒng)可分為兩類：

(1) 硬實時系統(tǒng)：要求可確定性強，具有明確的實時約束，在某個限定的時刻之前不能完成任務(wù)將造成災(zāi)難性的后果。

(2) 軟實時系統(tǒng)：也對時間敏感，但偶爾發(fā)生不能滿足嚴格實時要求的情況也是允許的。

三、Linux在實時方面存在的不足

Linux雖然符合POSIX1003.1b關(guān)于實時擴展部分的標準，例如：支持SCHED_FIFO和SCHED_RR實時調(diào)度策略，鎖內(nèi)存機制(memorylocking)，實時信號等功能，但是由于其最初的設(shè)計目標為通用分時操作系統(tǒng)，因此作為一個實時操作系統(tǒng)，Linux仍然存在如下缺陷：

(1) Linux的內(nèi)核本身是非搶占的。Linux下分用戶態(tài)和核心態(tài)兩種模式，當進程運行在用戶態(tài)時，可被優(yōu)先級更高的進程搶占，但當它進入核心態(tài)時，其他用戶態(tài)進程優(yōu)先級再高也不能搶占它。

(2) Linux雖然給實時進程提供了較高的優(yōu)先級，但是沒有加入時間限制。例如：完成的最后期限、應(yīng)在多長時間內(nèi)完成、執(zhí)行周期等等。同時，其他大量的非實時進程也可能對實時進程造成阻塞，無法確保實時進程的響應(yīng)時間。

(3) 時鐘粒度粗糙。時鐘管理是操作系統(tǒng)的脈搏，任務(wù)的執(zhí)行和中止在很多情況下都是由時鐘直接或間接喚起的，它還是進程調(diào)度的重要依據(jù)。Linux的周期模式定時器頻率僅為100Hz，遠不能滿足實時應(yīng)用的要求。

四、改進內(nèi)核實時性的分析與研究

從中斷軟件模擬、可搶占式內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)、實時任務(wù)的調(diào)度策略這三個方面對嵌入式Linux內(nèi)核進行研究，并給出了相應(yīng)的提高實時性的方法。

1. 響應(yīng)時間的分析及解決方法

任務(wù)的響應(yīng)時間被定義為一個事件的發(fā)生和任務(wù)響應(yīng)這一事件開始執(zhí)行之間的間隔時間，通常有以下幾個因素影響任務(wù)的響應(yīng)時間。

(1) 中斷分配時間IDT（interruptdispatchtime）：當一個中斷產(chǎn)生時，在調(diào)用中斷處理程序占用CPU以前，操作系統(tǒng)用來保存所有的寄存器中的內(nèi)容和系統(tǒng)中其他的關(guān)于這一任務(wù)狀態(tài)的時間。

(2) 中斷服務(wù)時間：IST（interruptservicetime）：中斷服務(wù)程序用來從硬件設(shè)備讀取信息或從操作系統(tǒng)收集信息所用的時間。

(3) 內(nèi)核搶占時間KPT（kernelpreemptiontime）：在操作系統(tǒng)意欲搶占當前進程與搶占實際上發(fā)生之間的時間間隔。

(4) 調(diào)度延遲SD（scheduledelay）：調(diào)度程序用來調(diào)度另一個線程投入運行的時間。

(5) 進程切換時間CST（contestswitchingtime）：當前線程用來保存寄存器和系統(tǒng)狀態(tài)的時間與將要運行的線程恢復(fù)寄存器中的內(nèi)容和系統(tǒng)狀態(tài)的時間總和。

(6) 系統(tǒng)調(diào)用返回時間RST（returnfromsystemcall）：處于內(nèi)核態(tài)的線程在它返回用戶態(tài)之前檢查一些狀態(tài)所用的時間。

以上這些時間中，SD、CST和RST總是固定不變的，如果Linux內(nèi)核設(shè)計得當?shù)脑挘琁DT、IST和KPT可以有效的減少。在實時應(yīng)用的環(huán)境中，若干個中斷同時發(fā)生的情況是完全可能存在的。這時任務(wù)的響應(yīng)時間最多將包含N(IDT+IST)，N為中斷數(shù)。

中斷軟件模擬被用來解決多個中斷同時發(fā)生的情形。當一個硬件中斷發(fā)生時，系統(tǒng)只是簡單的在時間表中報告這一時間的發(fā)生，然后立即將CPU的控制權(quán)返回給操作系統(tǒng)，完全略過了查中斷向量表并執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。系統(tǒng)在Linux內(nèi)核之前截獲了所有應(yīng)中斷信號，并根據(jù)當前實時任務(wù)的需要，由軟中斷模擬機制處理或掛起該中斷（例如：IBMPC中的8259中斷控制采用這個方法，可以減少當多個中斷同時發(fā)生時任務(wù)的響應(yīng)時間，最長的延遲時間為N*IST’，其中N為中斷數(shù)。在這里之所以是IST’，而不是IST，是因為采用軟中斷軟件模擬的方法使得在IST時間段內(nèi)只執(zhí)行一些簡單的操作。

2. 搶占式內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計

為了解決Linux實現(xiàn)硬實時的最大障礙，使Linux內(nèi)核成為完全可被搶占實時內(nèi)核，典型的實現(xiàn)方案是雙核結(jié)構(gòu)。使用實時核來運行實時任務(wù)，Linux內(nèi)核來運行非實時任務(wù)。例如：對于實時數(shù)據(jù)采樣分析而言，利用實時內(nèi)核運行一個實時任務(wù)來完成數(shù)據(jù)采集，另一個實時任務(wù)完成數(shù)據(jù)分析和控制輸出功能；同時利用Linux內(nèi)核上運行的界面來進行數(shù)據(jù)顯示。如圖1所示。

圖1 雙內(nèi)核結(jié)構(gòu)

在Linux內(nèi)核和硬件之間加個小的實時核，由它管理中斷，提供一些必要的功能，如底層任務(wù)創(chuàng)建、中斷服務(wù)程序，并且為底層任務(wù)、ISR和Linux進程之間進行通信排隊；而Linux內(nèi)核本身則成為優(yōu)先級最低的Idletask。

對實時性要求強的應(yīng)用編寫成實時任務(wù)，在實時內(nèi)核上直接運行。Linux內(nèi)核可以被優(yōu)先級更高的實時任務(wù)搶占。對于Linux內(nèi)核的修改主要集中在三方面：(1) 在Linux內(nèi)核中影響實時性的地方增加控制點，使內(nèi)核在控制點可以被搶占，減少內(nèi)核搶占延遲；(2) 將執(zhí)行時間較長的系統(tǒng)劃分為幾個甚至是十幾個較小的塊分別執(zhí)行，使實時任務(wù)隨時中斷非實時任務(wù)；(3) 根據(jù)實際需要，增加部分功能。

隨著嵌入式應(yīng)用的深入，特別是在數(shù)字通信和網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，多核結(jié)構(gòu)的處理器也陸續(xù)上市。如：Motorola公司研發(fā)的MPC8260PowerQUICC||融合了兩個CPU-嵌入式PowerPC內(nèi)核和通信處理模塊（CPM）；Infineon公司推出的TC10GP和增強型TC1130都是三核（TriCore）結(jié)構(gòu)的微處理器，這些處理器的產(chǎn)生對于Linux應(yīng)用中的實時性都大有幫助。

3. 實時調(diào)度的算法研究

常用的實時調(diào)度算法有：基于優(yōu)先級的調(diào)度算法（priority-drivenscheduling，PD）；基于時間驅(qū)動的調(diào)度算法（time-drivenscheduling，TD）；基于比例共享的調(diào)度算法（share-drivensched2uling，SD）。基于優(yōu)先級的調(diào)度算法 調(diào)度器以優(yōu)先級作為尋求下一個任務(wù)執(zhí)行的依據(jù)?？煞譃槿缦聝煞N類型：

(1) 靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法：該算法給系統(tǒng)中所有進程都靜態(tài)的分配一個優(yōu)先級。靜態(tài)優(yōu)先級的分配可以根據(jù)應(yīng)用的屬性來進行，例如任務(wù)的周期、用戶優(yōu)先級或者其他預(yù)先確定的策略。RM（RateMonotonic）是一種典型的靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法，它根據(jù)任務(wù)執(zhí)行周期的長短來決定調(diào)度優(yōu)先級，執(zhí)行周期小的任務(wù)具有較高的優(yōu)先級。

(2) 動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法：這種算法根據(jù)任務(wù)的資源需求來動態(tài)的分配任務(wù)的優(yōu)先級。EDF（earliestdeadlinefirst）算法是一種典型的動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法，該算法根據(jù)就緒隊列中各個任務(wù)的截止期限來分配優(yōu)先級，具有最近截止期限的任的優(yōu)先級最高。

基于時間驅(qū)動的調(diào)度算法

該算法本質(zhì)上是一種設(shè)計時就確定下來的離線的靜態(tài)調(diào)度方法。在系統(tǒng)的設(shè)計階段，在明確系統(tǒng)中所有處理的情況下，對于各個任務(wù)的開始、切換以及結(jié)束時間等事先組出明確的安排和設(shè)計。

基于比例共享的調(diào)度算法

這是一種越來越受到關(guān)注的實時調(diào)度模式，基于GPS（generalprocessorscheduling）的算法，其基本思想就是按照一定的權(quán)重（CPU使用的比例）對一組需要調(diào)度的任務(wù)進行調(diào)度，使其執(zhí)行時間與權(quán)重完全成正比?？梢酝ㄟ^兩種方法來實現(xiàn)比例共享調(diào)度算法：(1)是調(diào)節(jié)各個就緒進程出現(xiàn)在當前調(diào)度隊列隊首的頻率，并調(diào)度隊首的進程執(zhí)行；(2)是逐次調(diào)度就緒隊列中的各個進程投入運行，但根據(jù)分配的權(quán)重調(diào)節(jié)分配給每個進程的運行時間片。比例共享算法包括輪轉(zhuǎn)法、公平共享法、公平隊列法和彩票調(diào)度法等幾類。
每一種調(diào)度策略都有自己的優(yōu)越性和不足。在這里我們提出了一種宏觀調(diào)度結(jié)構(gòu)，通過設(shè)計和構(gòu)造多屬性和多調(diào)度器的選擇機制，使三種實時調(diào)度策略的應(yīng)用都得到支持，相對于只對單種調(diào)度策略提供支持的方案，拓展了系統(tǒng)的可使用范圍。宏觀調(diào)度結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 宏觀調(diào)度結(jié)構(gòu)

我們給每一個實時任務(wù)定義了4個調(diào)度屬性：priority（優(yōu)先級：限制該任務(wù)比相關(guān)聯(lián)的其他任務(wù)的優(yōu)先權(quán)）、starttime（起始時間：任務(wù)開始執(zhí)行時間）、finishtime（截止時間：任務(wù)停止時間）和budget（預(yù)設(shè)值：任務(wù)允許執(zhí)行時間），不同屬性的數(shù)據(jù)對應(yīng)不同的調(diào)度策略。宏觀調(diào)度結(jié)構(gòu)分為兩個模塊：屬性分配模塊和調(diào)度器選擇模塊。屬性分配模塊給每一個實時任務(wù)分配多個屬性值，并通過其中的一兩個屬性值決定哪個屬性優(yōu)先，這樣調(diào)度器選擇模塊就可以根據(jù)屬性的優(yōu)先級別選擇不同的調(diào)度器。例如：如果優(yōu)先級屬性優(yōu)先，則調(diào)度器就變成了一個純粹的PD調(diào)度器；如果截止時間優(yōu)先，那么調(diào)度器就作為EDF調(diào)度器來工作。

實驗時采用Pentium-||400處理器，128MB內(nèi)存，運行環(huán)境Linux2.0.35（以RED-Linux0.5為補?。?，以RM調(diào)度策略為例，分別測量每一次系統(tǒng)請求消耗的時間。數(shù)據(jù)整理如下：宏觀調(diào)度結(jié)構(gòu)下屬性分配模塊消耗的時間大部分不到40Ls，平均約35Ls，調(diào)度器選擇模塊平均消耗時間約85Ls，消耗時間總計為118Ls，約占0.118%的CPU時間；單一調(diào)度策略的情況平均消耗時間約為25Ls，約占0.025%的CPU時間。宏觀調(diào)度結(jié)構(gòu)的延遲時間為傳統(tǒng)調(diào)度方式的5倍，對于大多數(shù)的嵌入式系統(tǒng)來講內(nèi)核的靈活性和可配置性比調(diào)度的延時更為重要，而宏觀結(jié)構(gòu)和單一調(diào)度結(jié)構(gòu)的CPU可用時間分別為99.88%和99.97%，差別極小，符合嵌入式系統(tǒng)實時性要求。

五、結(jié)論與展望

Linux雖然為分時操作系統(tǒng)，但由于其功能強大、源代碼開放以及可移植性強等優(yōu)勢，已成為日益流行的嵌入式實時操作系統(tǒng)的解決方案。本文從軟中斷模擬技術(shù)、可搶占式內(nèi)核和實時調(diào)度策略三個方面給出了改善系統(tǒng)實時性能的方法，并提出了通過采用宏觀調(diào)度結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的混合調(diào)度，拓展了實時系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。Linux實時性能的逐步完善，必將大大促進嵌入式Linux在工業(yè)控制、后PC時代信息電器等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，應(yīng)用的需要也會進一步促進大量新型控制算法的出現(xiàn)。